Biology · Libro 2 · Grades 10–12

Biología de secundaria

Biología de secundaria · Grades 10–12

14Del gen a la proteína

En 1961, un bioquímico alimentó un extracto acelular de bacterias con un ARN artificial hecho solo con la letra U, repetida. El extracto fabricó una proteína hecha solo con un aminoácido, la fenilalanina, repetido. Con ese único experimento se leyó la primera palabra del código genético: UUU significa fenilalanina. En cinco años se conocían las sesenta y cuatro palabras, y resultaron ser las mismas en una bacteria, en una planta de trigo y en un humano. Este capítulo sigue el camino que va de la secuencia de nucleótidos de un gen a la secuencia de aminoácidos de una proteína — el camino que recorre todo rasgo del Capítulo 13.

14.1 Los genes fabrican proteínas

Proposición 14.1 (Un gen, una proteína)

Un gen se expresa cuando la célula usa su secuencia para fabricar la proteína que codifica. Casi todos los rasgos dependen de proteínas — enzimas, fibras estructurales, transportadores, receptores — y una mutación cambia un rasgo cambiando la proteína que produce su gen.

Pruebas experimentales. Beadle y Tatum (1941) irradiaron esporas de un moho del pan y recogieron mutantes que ya no podían crecer en medio mínimo a menos que se añadiera una sustancia concreta, como el aminoácido arginina. A cada mutante le faltaba una enzima de la cadena de reacciones que fabrica esa sustancia; cada defecto se heredaba como un solo gen; y los mutantes bloqueados en pasos distintos de la misma cadena llevaban mutaciones en genes distintos. Un gen, una enzima — y, como generalizaron después otros trabajos, un gen, una cadena polipeptídica. ∎

Definición 14.2 (Proteína, secuencia de aminoácidos)

Una proteína es una cadena de aminoácidos, de unas pocas decenas a varios miles de unidades, tomados de un conjunto de veinte clases. La secuencia — el orden de los aminoácidos — es lo que especifica el gen; una vez fabricada, la cadena se pliega en una forma tridimensional definida que determina esa secuencia, y la forma determina la función. Cambia un aminoácido y pueden cambiar el plegamiento y la función.

14.2 La transcripción: el gen copiado en ARN

Definición 14.3 (ARN mensajero y transcripción)

El ARN (ácido ribonucleico) es una cadena de una sola hebra de nucleótidos como los del ADN, salvo que su azúcar es la ribosa y la base uracilo (U) sustituye a la timina (T). La transcripción es la copia de la secuencia de un gen en una molécula de ARN mensajero (ARNm): la enzima ARN polimerasa abre la doble hélice a lo largo del gen, lee una hebra (la hebra molde) y ensambla el ARN complementario, con U frente a A, A frente a T, G frente a C y C frente a G. El ARNm tiene la secuencia de la otra hebra del gen, con U en lugar de T; sale del núcleo hacia el citoplasma.

La transcripción. La ARN polimerasa abre la hélice, lee la hebra molde y construye un ARN mensajero complementario de ella (con U en lugar de T). Detrás de la enzima la hélice se vuelve a cerrar; el ARN se despega.
La transcripción. La ARN polimerasa abre la hélice, lee la hebra molde y construye un ARN mensajero complementario de ella (con U en lugar de T). Detrás de la enzima la hélice se vuelve a cerrar; el ARN se despega.

Ejemplo 14.4 (Un transcrito)

La hebra molde 3’-TAC GGA CTT ATC-5’ da el ARNm 5’-AUG CCU GAA UAG-3’. La otra hebra del gen dice 5’-ATG CCT GAA TAG-3’: el ARNm es la secuencia de esa hebra con U en lugar de T, y por eso las secuencias de los genes se escriben por convenio como esa hebra, la hebra codificante.

14.3 El código genético

Definición 14.5 (Codón y código genético)

El ARNm se lee en grupos consecutivos de tres nucleótidos, los codones, a partir de un punto de partida definido. El código genético es la correspondencia entre los 64 codones posibles y los 20 aminoácidos: 61 codones especifican un aminoácido, tres (UAA, UAG, UGA) son señales de stop que terminan la cadena, y AUG, que especifica la metionina, sirve además de codón de inicio. El código es degenerado — casi todos los aminoácidos tienen varios codones — y universal: la misma tabla sirve para todos los organismos conocidos, con raras variantes menores.

segunda letra
primeraUCAGtercera
UUUU PheUCU SerUAU TyrUGU CysU
UUC PheUCC SerUAC TyrUGC CysC
UUA LeuUCA SerUAA stopUGA stopA
UUG LeuUCG SerUAG stopUGG TrpG
CCUU LeuCCU ProCAU HisCGU ArgU
CUC LeuCCC ProCAC HisCGC ArgC
CUA LeuCCA ProCAA GlnCGA ArgA
CUG LeuCCG ProCAG GlnCGG ArgG
AAUU IleACU ThrAAU AsnAGU SerU
AUC IleACC ThrAAC AsnAGC SerC
AUA IleACA ThrAAA LysAGA ArgA
AUG MetACG ThrAAG LysAGG ArgG
GGUU ValGCU AlaGAU AspGGU GlyU
GUC ValGCC AlaGAC AspGGC GlyC
GUA ValGCA AlaGAA GluGGA GlyA
GUG ValGCG AlaGAG GluGGG GlyG
El código genético, leído sobre el ARNm. Cada codón se encuentra por su primera letra (fila), su segunda letra (columna) y su tercera letra (línea dentro del bloque). AUG es a la vez metionina y la señal de inicio; tres codones son de stop.

Proposición 14.6 (Cómo se leyó el código)

El significado de cada codón se estableció experimentalmente.

Pruebas experimentales. Nirenberg y Matthaei (1961) añadieron ARN sintético de un solo nucleótido repetido a un extracto acelular con ribosomas, aminoácidos y las enzimas de la síntesis de proteínas: el poli-U dio una cadena de fenilalaninas, el poli-C una cadena de prolinas y el poli-A de lisinas. Los ARN sintéticos de parejas y de tripletes repetidos y, después, la unión de tripletes sueltos a los ribosomas asignaron los codones restantes hacia 1966. La longitud de tres letras se había deducido de la aritmética (dos letras dan solo 16 combinaciones, muy pocas para 20 aminoácidos; tres dan 64) y se confirmó con mutaciones: insertar uno o dos nucleótidos en un gen destruye su proteína, e insertar tres restituye una casi normal. ∎

Método 14.7 (Traducir una secuencia)

  1. Escribe la hebra codificante (o transcribe la hebra molde): sustituye T por U para obtener el ARNm.
  2. Busca el primer AUG: es el inicio, y a partir de él queda fijado el marco de lectura.
  3. Corta el ARNm en tripletes consecutivos desde el AUG y lee cada uno en la tabla.
  4. Detente en el primer codón de stop; los aminoácidos anotados, en orden, son la secuencia de la proteína.
  5. Para un mutante, repite y compara: misma proteína (silenciosa), un aminoácido cambiado (de cambio de sentido), stop prematuro (sin sentido), todo cambiado a partir de la mutación (desplazamiento del marco de lectura).

Ejemplo 14.8 (Cuatro mutaciones, cuatro resultados)

Hebra codificante ATG CCT GAA TTC TAG: ARNm AUG CCU GAA UUC UAG, proteína Met–Pro–Glu–Phe.

  • ATG CCC GAA TTC TAG: CCC sigue siendo Pro — silenciosa.
  • ATG CCT GCA TTC TAG: GCA es Ala — Met–Pro–Ala–Phe, de cambio de sentido.
  • ATG CCT TAA TTC TAG: UAA es stop — Met–Pro, sin sentido, una proteína truncada.
  • ATG CCAT GAA TTC TAG: una A insertada desplaza el marco: AUG CCA UGA… Met–Pro–stop — desplazamiento del marco.

14.4 La traducción: el mensaje leído

Proposición 14.9 (La traducción)

La traducción tiene lugar en los ribosomas, en el citoplasma. Un ribosoma se une al ARNm por su codón de inicio y avanza por él codón a codón. A cada codón le corresponde un ARN de transferencia (ARNt), un ARN pequeño que lleva, en un extremo, el anticodón de tres nucleótidos complementario del codón y, en el otro, el aminoácido correspondiente. El ribosoma une cada aminoácido que llega a la cadena en crecimiento y suelta el ARNt vacío; en un codón de stop libera la cadena terminada, que se pliega. Varios ribosomas leen un mismo ARNm uno tras otro, y un solo ARNm rinde cientos de copias de la proteína antes de degradarse.

Demostración. Admitido a este nivel. ∎

La traducción. El ribosoma abarca dos codones; un ARNt cuyo anticodón encaja con cada codón trae su aminoácido, la cadena se transfiere al recién llegado y el ribosoma avanza un codón. En un codón de stop la cadena se libera.
La traducción. El ribosoma abarca dos codones; un ARNt cuyo anticodón encaja con cada codón trae su aminoácido, la cadena se transfiere al recién llegado y el ribosoma avanza un codón. En un codón de stop la cadena se libera.

Ejemplo 14.10 (Velocidad y rendimiento)

Un ribosoma añade de 5 a 20 aminoácidos por segundo: una proteína de 300 aminoácidos tarda menos de un minuto. Los ribosomas se siguen unos a otros sobre un ARNm separados unos 80 nucleótidos, así que un mensaje de 900 nucleótidos lleva una docena a la vez; a lo largo de su vida de unas horas, un solo ARNm produce mil moléculas de proteína. Una célula de E. coli fabrica unas 20 00020\,000 moléculas de proteína por segundo; el precursor de un glóbulo rojo, unas 5×1085 \times 10^{8} moléculas de hemoglobina en toda su vida.

14.5 Un gen, varios mensajes

Proposición 14.11 (Maduración del mensaje en los eucariotas)

En las células eucariotas, la secuencia de un gen está interrumpida por intrones, segmentos que se transcriben pero que después se recortan del ARN antes de que salga del núcleo; los segmentos que se conservan y se unen extremo con extremo, los exones, forman el ARNm maduro. Muchos genes pueden recortarse de más de una manera y conservar juegos distintos de exones (maduración alternativa), de modo que un solo gen rinde varios ARNm distintos y varias proteínas emparentadas: los 20 00020\,000 genes humanos codifican bastante más de 100 000100\,000 proteínas.

Demostración. Admitido a este nivel. ∎

Un gen eucariota se transcribe entero y después se le quitan los intrones. Conservar todos los exones, o dejar uno fuera, da dos ARNm y dos proteínas a partir del mismo gen.
Un gen eucariota se transcribe entero y después se le quitan los intrones. Conservar todos los exones, o dejar uno fuera, da dos ARNm y dos proteínas a partir del mismo gen.

Observación 14.12 (El sentido de la información)

El ADN se transcribe en ARN, el ARN se traduce en proteína y la proteína hace el rasgo: la información fluye en un solo sentido. Una proteína cambiada no reescribe nunca el gen, y por eso toda una vida de entrenamiento o de quemaduras solares no se hereda, y por eso solo las mutaciones del ADN (Capítulo 13) cambian lo que recibe la generación siguiente. Los mismos tres pasos funcionan en todas las células de todos los organismos y con el mismo código: la universalidad del Capítulo 3, ahora hasta la última palabra.

14.6 Ejercicios

Ejercicio 14.1 ★

Da tres diferencias entre el ADN y el ARN.

Solución

Solución de Ejercicio 14.1.

El ARN es de una sola hebra, su azúcar es la ribosa y usa uracilo en lugar de timina (además dura poco y sale del núcleo).

Ejercicio 14.2 ★

Transcribe la hebra molde 3’-TAC CGA AAA ATT-5’ a ARNm.

Solución

Solución de Ejercicio 14.2.

5’-AUG GCU UUU UAA-3’.

Ejercicio 14.3 ★

Traduce el ARNm AUG GGC AAA UGU UAA con la tabla del código.

Solución

Solución de Ejercicio 14.3.

Met–Gly–Lys–Cys, y después stop.

Ejercicio 14.5 ★

¿Por qué el código debe usar al menos tres nucleótidos por aminoácido?

Solución

Solución de Ejercicio 14.5.

Con 4 letras, las palabras de dos dan 42=164^2 = 16 combinaciones, menos que los 20 aminoácidos; las de tres dan 64, suficientes.

Ejercicio 14.6 ★★

Una proteína tiene 412 aminoácidos. ¿Cuál es la longitud mínima de la parte codificante de su ARNm, con el codón de stop incluido, y la del gen correspondiente en pares de bases?

Solución

Solución de Ejercicio 14.6.

412×3+3=1239412 \times 3 + 3 = 1239 nucleótidos; un gen de al menos 1239 pares de bases (más en un eucariota, con intrones).

Ejercicio 14.7 ★★

La hebra codificante ATG AAA GGC TGG TAA muta a ATG AAA GGC TGA TAA. Da las dos proteínas y clasifica la mutación.

Solución

Solución de Ejercicio 14.7.

Original: Met–Lys–Gly–Trp. Mutante: UGA es un stop, así que Met–Lys–Gly: una mutación sin sentido, que trunca la proteína.

Ejercicio 14.8 ★★

Con la misma secuencia de partida, mutada a ATG AAG GGC TGG TAA y a ATG AAA GGG CTG GTA A. Clasifica cada una y da las proteínas.

Solución

Solución de Ejercicio 14.8.

AAG sigue siendo Lys: silenciosa, Met–Lys–Gly–Trp sin cambios. La segunda es una inserción de G que desplaza el marco: AUG AAA GGG CUG GUA A… Met–Lys–Gly–Leu–Val…, un desplazamiento del marco sin stop en el fragmento.

Ejercicio 14.9 ★★

Explica por qué una sustitución en la tercera posición de un codón es a menudo silenciosa, usando la tabla.

Solución

Solución de Ejercicio 14.9.

En casi todos los bloques de la tabla, los cuatro codones que comparten las dos primeras letras especifican el mismo aminoácido (Pro, Thr, Ala, Gly, Val, Ser, Leu…): cambiar la tercera letra no cambia entonces nada. La degeneración del código está sobre todo en la tercera posición.

Ejercicio 14.10 ★★

El ARN poli-UC (UCUCUCUC…) da una proteína que alterna serina y leucina. Muestra que eso es coherente con un código de tres letras y úsalo para asignar dos codones.

Solución

Solución de Ejercicio 14.10.

Leído de tres en tres, UCU CUC UCU CUC… alterna dos codones, UCU y CUC, así que la proteína alterna dos aminoácidos — como se observa. Con un código de dos letras, la misma repetición daría un solo codón y un solo aminoácido. Como el poli-U da Phe, y en la tabla UCU es Ser y CUC es Leu, el experimento asigna UCU a Ser y CUC a Leu (o al revés, cosa que zanjan otros experimentos).

Ejercicio 14.11 ★★

Un gen humano de 30 00030\,000 pares de bases produce una proteína de 500 aminoácidos. Explica la discrepancia.

Solución

Solución de Ejercicio 14.11.

Solo hacen falta 1503 pares de bases para la secuencia codificante; el resto son intrones, transcritos y luego recortados del pre-ARNm, más secuencias reguladoras en los extremos del gen.

Ejercicio 14.12 ★★★

Un fármaco bloquea los ribosomas bacterianos y no los humanos. Explica por qué puede ser un antibiótico y qué implica su existencia sobre los ribosomas de ambos grupos.

Solución

Solución de Ejercicio 14.12.

Bloquear la traducción mata a la bacteria y deja funcionando a las células del paciente. La selectividad del fármaco implica que los ribosomas bacterianos y los humanos, aunque hacen el mismo trabajo con el mismo código, difieren lo bastante en su estructura como para que una molécula se una a unos y no a otros — una diferencia acumulada desde que se separaron.

Ejercicio 14.13 ★★★

Explica cómo pudo leer un ratón el gen de medusa del Capítulo 3, con el vocabulario de este capítulo, y qué ocurriría si el ratón usara otro código.

Solución

Solución de Ejercicio 14.13.

La ARN polimerasa del ratón transcribió el gen de medusa, y sus ribosomas y sus ARNt tradujeron el ARNm con la misma tabla de codones, así que se fabricó la misma secuencia de aminoácidos y, por tanto, la misma proteína fluorescente. Con otro código, los codones se leerían como otros aminoácidos y la proteína sería una cadena sin sentido y sin fluorescencia.

Ejercicio 14.14 ★★★

Una mutación cambia el ARNt cuyo anticodón lee UAG de modo que lleve un aminoácido en lugar de detener la lectura. Predice su efecto sobre las proteínas de la célula en general y sobre un gen mutante que lleve un UAG prematuro.

Solución

Solución de Ejercicio 14.14.

UAG dejaría de detener la traducción: toda proteína cuyo gen termine en UAG se alargaría más allá de su final normal y a menudo perdería su función — un daño generalizado. Pero un gen truncado por un UAG prematuro se leería ahora de largo y recuperaría una proteína casi completa: la segunda mutación suprime a la primera.

Ejercicio 14.15 ★★★

Discute por qué un desplazamiento del marco de lectura cerca del principio de un gen es casi siempre peor que uno cerca de su final, y por qué una mutación de cambio de sentido puede ir de inofensiva a mortal.

Solución

Solución de Ejercicio 14.15.

Un desplazamiento del marco revuelve todo lo que viene detrás y suele topar con un stop en unos pocos codones: cerca del principio no se fabrica prácticamente ninguna proteína correcta; cerca del final, casi toda la proteína está intacta y aún puede plegarse y funcionar. Una mutación de cambio de sentido cambia un aminoácido: inofensiva si esa posición tolera el cambio, mortal si está en el centro activo o rompe el plegamiento — el efecto depende de qué aminoácido y de dónde.

14.7 Problema: Un gen leído de cuatro maneras

Problema 14.1

Problema de fin de semana — un gen corto transcrito, traducido, mutado tres veces y cronometrado: del ADN a los aminoácidos, y los sesenta segundos que cuesta una proteína

La hebra codificante de un gen corto dice:

ATG GCT TGG AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA

Parte I — Leer el gen.

  1. Escribe la hebra molde.
  2. Escribe el ARNm transcrito a partir del gen.
  3. Tradúcelo codón a codón y da la secuencia de aminoácidos de la proteína.
  4. ¿Cuántos aminoácidos tiene la proteína, y cuántos nucleótidos del ARNm se usan para especificarlos, con el stop incluido?
  5. ¿Qué codón inició la lectura, y qué fija el marco de lectura de todos los demás?

Parte II — Tres mutantes.

  1. Mutante 1: ATG GCT TGG AAA CCG GAA TAC GGT CAT TTC TGA. Da la proteína y clasifica la mutación.
  2. Mutante 2: ATG GCT TGG AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA con el noveno codón CAT sustituido por CGT. Da la proteína y clasifícala.
  3. Mutante 3: ATG GCT TGA AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA. Da la proteína y clasifícala. ¿Qué única sustitución la produjo?
  4. Mutante 4: se inserta una T tras el sexto nucleótido: ATG GCT TTG GAA ACC CGA ATA CGG TCA TTT CTG A. Da la proteína y clasifícala.
  5. Ordena los cuatro mutantes de menos a más perturbador para la proteína y justifícalo.

Parte III — Por qué el código es como es.

  1. ¿Cuántos codones especifican la leucina? ¿Y la serina? ¿Y el triptófano? ¿Qué aminoácido tiene más probabilidades de cambiar por una sustitución al azar en su codón, y cuál menos?
  2. Calcula la fracción de todas las sustituciones en la tercera posición de un codón de leucina CUx que resultan silenciosas.
  3. Explica por qué un código de dos letras no podría funcionar y por qué no hace falta uno de cuatro.
  4. El poli-U da polifenilalanina y el poli-A polilisina. ¿Qué entradas de la tabla establecen esos dos experimentos?
  5. El código es el mismo en la bacteria y en un humano. Enuncia la consecuencia para la transgénesis y la consecuencia para el parentesco.

Parte IV — Cronometrar la fábrica. Un ribosoma añade 10 aminoácidos por segundo y los ribosomas se siguen unos a otros a 80 nucleótidos de distancia a lo largo de un ARNm; cada ARNm vive 2 horas.

  1. ¿Cuánto tarda un ribosoma en traducir la proteína de este gen? ¿Y una proteína de 600 aminoácidos?
  2. ¿Cuántos ribosomas pueden leer a la vez un ARNm de 1800 nucleótidos?
  3. Si arranca un ribosoma nuevo cada 8 segundos, ¿cuántas copias de la proteína rinde un ARNm a lo largo de su vida?
  4. Una bacteria necesita 20002000 copias de una enzima en 10 minutos. ¿Cuántos ARNm del gen, transcritos a la vez, hacen falta?
  5. Enuncia el resultado: la proteína que codifica el gen, la mutación de las cuatro que la abolió y el tiempo que necesita un ribosoma para construirla.
Solución

Solución de Problema 14.1.

1. 3’-TAC CGA ACC TTT GGG CTT ATG CCA GTA AAG ACT-5’.

2. AUG GCU UGG AAA CCC GAA UAC GGU CAU UUC UGA.

3. Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–His–Phe, y stop.

4. 10 aminoácidos; 33 nucleótidos (11 codones, incluido el de stop).

5. AUG; la posición de ese primer AUG fija el marco, y todos los codones siguientes se leen acompasados a él.

6. CCG sigue siendo Pro: silenciosa, proteína sin cambios.

7. CGU es Arg en lugar de His: de cambio de sentido, Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–Arg–Phe.

8. UGA es stop: Met–Ala, sin sentido. Una sola sustitución de G por A en el tercer codón (TGG a TGA).

9. ARNm AUG GCU UUG GAA ACC CGA AUA CGG UCA UUU CUG A: Met–Ala–Leu–Glu–Thr–Arg–Ile–Arg–Ser–Phe–Leu…, sin stop en el fragmento: desplazamiento del marco, con todos los aminoácidos cambiados a partir del segundo.

10. Mutante 1 (silenciosa, sin cambio) << mutante 2 (un aminoácido cambiado, función quizá conservada) << mutante 4 (desplazamiento del marco, todos los aminoácidos mal salvo dos) ≈\approx mutante 3 (sin sentido, un fragmento de dos aminoácidos: la proteína ha desaparecido).

11. Leu 6, Ser 6, Trp 1. El Trp, con un solo codón, cambia con cualquier sustitución; la Leu o la Ser, con seis, quedan sin cambiar casi siempre.

12. CUU, CUC, CUA y CUG son todos Leu: cada una de las 3 sustituciones posibles en la tercera posición es silenciosa — el 100%.

13. Dos letras dan 16 codones, muy pocos para 20 aminoácidos más un stop; tres dan 64, ya de sobra, así que cuatro (256) sería derroche.

14. UUU == Phe y AAA == Lys.

15. Un gen transferido entre especies se lee igual, así que la transgénesis funciona; y un código compartido, heredado sin cambios, es una prueba de que todos los organismos descienden de un antepasado común que ya lo usaba.

16. 10 aminoácidos: 1 s1\,\mathrm{s}. 600 aminoácidos: 60 s60\,\mathrm{s}.

17. 1800/80≈221800/80 \approx 22 ribosomas a la vez.

18. 7200/8=9007200/8 = 900 copias.

19. Un ARNm da 600/8=75600/8 = 75 copias en 10 minutos; hacen falta unos 27 ARNm.

20. La proteína Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–His–Phe; el mutante 3, la única sustitución de G por A que crea un stop en el tercer codón, la abolió; un ribosoma construye los diez aminoácidos en alrededor de un segundo.

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