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11: El código genético y la traducción - Biología

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  • 11.1: Introducción
    Comenzamos este capítulo con una mirada a cómo se rompió (descifró) el código genético. Los mismos términos código genético, roto y descifrado provienen de lo que fue en ese momento, la historia reciente de la Segunda Guerra Mundial. Veremos los elegantes experimentos que primero descifraron el significado de los aminoácidos de algunos codones de 3 bases y luego los 64 codones. De estos, 61 codifican aminoácidos y tres son codones de terminación.
  • 11.2: Descripción general del código genético
    El código genético es la información para unir aminoácidos en polipéptidos en un orden basado en la secuencia de bases de palabras de código de 3 bases (codones) en un gen y su ARN mensajero (ARNm). Con algunas excepciones (algunos procariotas, mitocondrias, cloroplastos), el código genético es universal: es el mismo en todos los organismos, desde virus y bacterias hasta humanos.
  • 11.3: Colinealidad de genes y proteínas y codones triplete
    Los esfuerzos serios para comprender cómo se codifican las proteínas comenzaron después de que Watson y Crick usaran la evidencia experimental de Maurice Wilkins y Rosalind Franklin (entre otros) para determinar la estructura del ADN. La mayoría de las hipótesis sobre el código genético asumían que el ADN (es decir, los genes) y los polipéptidos eran colineales.
  • 11.4: Traducción
    Como cualquier polimerización en una célula, la traducción se produce en tres pasos: la iniciación une un ribosoma, un ARNm y un ARNt iniciador para formar un complejo de iniciación. El alargamiento es la adición sucesiva de aminoácidos a un polipéptido en crecimiento. La terminación se indica mediante secuencias (uno de los codones de terminación) en el ARNm y factores de terminación de proteínas que interrumpen la elongación y liberan un polipéptido terminado. Los eventos de traducción ocurren en sitios específicos A, P y E del ribosoma.
  • 11.5: Palabras y términos clave

Thumbanil: Diagrama de traducción de ARN. (CC BY 3.0 - no publicado; Kelvinsong).


11: El código genético y la traducción - Biología

Transcripción, traducción y código genético

Introducción
El ADN almacena la información genética, esta información tiene que convertirse en "producto" para realizar la función celular. El proceso se llama "el dogma central", el ADN se transcribe primero en ARN mensajero (ARNm), luego la proteína se sintetiza de acuerdo con la información del ARNm. De esta manera, la información pasa del ADN a las proteínas y las proteínas son las moléculas "ejecutivas" en las células.

ARN
El ARN contiene 4 bases: A, U, G y C, pueden emparejarse con bases del ADN (T, A, C y G, en ese orden). Hay 4 clases de ARN: ARNm, ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosómico (ARNr) y ARN pequeños, incluidos snRNA, miARN y ncRNA. Las moléculas de ARNm son el "mensajero" del ADN a la proteína. Tanto el rRNA como el tRNA funcionan en la síntesis de proteínas.

Transcripción
La transcripción es el proceso en el que el ADN se convierte en un ARN complementario, catalizado por la ARN polimerasa. La transcripción se inicia cuando el complejo de ARN polimerasa se ensambla en el promotor. La ARN polimerasa cataliza el alargamiento del ARN mientras la plantilla de ADN se desenrolla y rebobina. El complejo de transcripción responde a señales de terminación específicas y se desmonta, es decir, la terminación de la transcripción.

Procesamiento de ARN
El procesamiento del ARN incluye: protección en 5 'para la estabilización del ARN y empalme de unión a ribosomas para eliminar la secuencia del intrón y poliadenilación en 3' para proteger el ARNm de la exonucleasa 3 ', lo que prolonga la vida media del ARNm.

Codigo genetico
Desde el ARNm hasta la proteína, el código genético se lee de manera continua, no hay coma, no se superponen, son inequívocos, casi universales con pocas excepciones. Muchos códigos pueden codificar el mismo aminoácido (degeneración). Hay un codón de inicio especial (AUG) y tres codones de terminación (UAA, UAG y UGA). En la tercera posición del codón, es más probable que el nucleótido sea diferente, pero aún codifica el mismo aminoácido (oscilación).

Traducción
La traducción requiere ARNt, que aportan aminoácidos y los alinean de acuerdo con el código genético del ARNm. La traducción incluye tres pasos: Inicio: la subunidad del ribosoma se une al extremo 5 'del ARNm. Alargamiento: un aminoacil-tRNA entrante se une al codón en el sitio A, se forma un enlace peptídico entre el nuevo aminoácido y la cadena en crecimiento. El péptido mueve una posición de codón y se prepara para la siguiente. Los codones de parada no son reconocidos por ningún ARNt.
Esto conduce al desensamblaje de los ribosomas y la liberación de polipéptidos.

  • Mapa conceptual para mostrar el diagrama de flujo de cómo se transcribe y traduce la información genética
  • Figuras coloridas y simplificadas para mostrar el proceso de transcripción.
  • El inicio de la transcripción es animado y fácil de entender.
  • Todos los 64 códigos genéticos se dan en una tabla.
  • Estructura detallada del ARNt y su emparejamiento con ARNm
  • Ilustración esquemática de los pasos de traducción
  • El concepto clave se muestra en un diagrama de resumen
  • Plantilla de ADN
  • El proceso
  • Complejo de ARN polimerasa
  • Iniciación y promotora
  • Alargamiento y terminación
  • Componentes necesarios
  • ARNt
  • Iniciación
  • Alargamiento
  • Terminación
  • Modificación post-traduccional

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1. El código estándar (transl_table = 1)

Por defecto, todos los transl_table en archivos planos de GenBank son iguales a id 1, y esto es no mostrado. Cuando transl_table no es igual a id 1, se muestra como un calificador en la función CDS.

Codón de iniciación:

Codones de iniciación alternativos:

En casos raros, la traducción en eucariotas puede iniciarse a partir de codones distintos de AUG. Un caso bien documentado (incluida la secuenciación directa de proteínas) es el inicio GUG de una proteína P ribosómica del hongo.

Se pueden encontrar otros ejemplos en las siguientes referencias: Peabody 1989 Prats et al. 1989 Hann y col. 1992 Sugihara y col. 1990. El código estándar actualmente permite la iniciación desde UUG y CUG además de AUG.
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Codigo genetico

los codigo genetico es el conjunto de instrucciones de un gen que le indica a la célula cómo producir una proteína específica.

A, T, G y C son las "letras" del código de ADN. Representan las sustancias químicas adenina, timina, guanina y citosina, respectivamente, que forman las bases de nucleótidos del ADN.

El código de ADN de cada gen combina las cuatro sustancias químicas de varias formas para deletrear "palabras" de 3 letras (codones) que especifican qué aminoácido se necesita en cada paso para producir una proteína.

20 códigos genéticos en GenBank

La tabla de traducción anterior no se aplica de manera uniforme a todos los organismos.

GenBank / EMBL / DDBJ, que contiene secuencias de nucleótidos de más de 125.000 organismos, utiliza

20 códigos genéticos para garantizar la correcta traducción del ADN -> proteína.

El navegador de taxonomía del NCBI muestra qué código (s) genético (s) se utiliza para cada organismo. Por ejemplo, la entrada de taxonomía para la levadura muestra que el código genético estándar se usa para traducir los genes presentes en los cromosomas, y el código genético mitocondrial de la levadura se usa para traducir los genes que se encuentran en la mitocondria.


11: El código genético y la traducción - Biología

Descripción de la conferencia

Esta video conferencia, parte de la serie Biología 1A: Biología general (primavera de 2010) por la Prof. Jennifer A. Doudna, actualmente no tiene una descripción detallada y el título de la videoconferencia. Si ha visto esta conferencia y sabe de qué se trata, en particular sobre los temas de biología que se discuten, ayúdenos comentando este video con sus sugerencias descripción y título. Muchas gracias de

- El equipo de CosmoLearning

Índice de cursos

  1. Clase 1: Introducción al curso. Introducción a las macromoléculas. Estructura y función de las proteínas
  2. Clase 2: Estructura y función: lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos
  3. Clase 3: Estructura y organización celular - 1
  4. Clase 4: Estructura y organización celular - 2
  5. Clase 5: La estructura de las membranas biológicas
  6. Clase 6: Metabolismo celular y catalizador biológico
  7. Clase 7: Estructura enzimática
  8. Clase 8: Regulación de la actividad enzimática
  9. Clase 9: Introducción a la bioenergética
  10. Clase 10: Producción de energía celular y procesos anaeróbicos
  11. Clase 11: Producción de energía celular y procesos aeróbicos
  12. Clase 12: Fotosíntesis-reacciones de luz
  13. Clase 13: Fotosíntesis-Fijación de CO2 y procesos relacionados
  14. Clase 14: I, PCR. Genética microbiana y evolución: cromosomas, plásmidos y fagos
  15. Clase 15: Replicación del ADN y PCR
  16. Clase 16: Ciclo celular, mitosis y reproducción de células
  17. Clase 17: Cromosomas, puntos de control y cáncer
  18. Clase 18: Meiosis y ciclo de vida sexual
  19. Conferencia 19: Gregor Mendel y 2 de Biologys 3 Leyes
  20. Clase 20: Recombinación, vinculación y mapeo
  21. Clase 21: Transcripción
  22. Clase 22: El código genético y la traducción
  23. Clase 23: Regulación de genes procariotas
  24. Clase 24: Expresión y regulación de genes eucariotas
  25. Clase 25: Genética y epigenética humanas
  26. Clase 26: OMG y clonación de organismos
  27. Clase 27: Multicelularidad: forma y función celular, especialización tisular, homeostasis
  28. Clase 28: Comunicación intercelular y fisiológica: hormonas, receptores y el sistema endocrino - Parte I
  29. Clase 29: Comunicación intercelular y fisiológica: hormonas, receptores y el sistema endocrino-Parte II
  30. Clase 30: Sistema reproductivo-Parte I
  31. Clase 31: Sistema reproductivo-Parte II
  32. Clase 32: Fertilización y embriogénesis
  33. Clase 33: Estrategias y mecanismos de desarrollo
  34. Clase 34: Sistema digestivo
  35. Clase 35: Sistemas circulatorio y respiratorio
  36. Clase 36: Sistema inmunológico
  37. Clase 37: Sistema excretor y función renal
  38. Clase 38: Disfunción celular y tisular, cáncer y estrategias experimentales para desarrollar terapias contra el cáncer
  39. Clase 39: Repaso

Descripción del curso

Biología 1A, 001 - Biología general

Profesores : Gary L. FIRESTONE, Michael MEIGHAN, Jasper D. RINE, Jennifer A DOUDNA
Descripción: Introducción general a la estructura y función celular, genética molecular y de organismos, desarrollo animal, forma y función. Destinado a estudiantes con especialización en ciencias biológicas, pero abierto a todos los estudiantes calificados. Los estudiantes deben tomar Biología 1A / 1AL y 1B para completar la secuencia. Ninguno es un requisito previo para el otro. Se requiere que Biología 1A y 1AL se tomen juntas durante el mismo semestre para la mayoría de los estudiantes. Biología general 1A es una unidad de 3 semestres, tres conferencias de 1 hora por semana y una sección de discusión de 1 hora por semana. Laboratorio de Biología General, Biología 1AL es una unidad de 2 semestres, una conferencia de 90 minutos por semana y una sección de laboratorio de 3 horas por semana.
Requisito previo: Química 1A y 3A (o 112A) con un grado C mínimo. Se recomienda haber cursado previamente o estar inscrito simultáneamente en Química 3B (o 112B).


Función del código genético

El código genético permite que las células contengan una cantidad asombrosa de información.

Considere esto: un óvulo fertilizado microscópico, siguiendo las instrucciones contenidas en su código genético, puede producir un ser humano o un elefante que incluso tiene una personalidad y comportamientos similares a los de sus padres. ¡Hay mucha información ahí!

El desarrollo del código genético fue vital porque permitió a los seres vivos producir de manera confiable los productos necesarios para su supervivencia y transmitir instrucciones sobre cómo hacer lo mismo a la próxima generación.

Cuando una célula busca reproducirse, una de las primeras cosas que hace es hacer una copia de su ADN. Esta es la fase "S" del ciclo celular, que representa la "Síntesis" de una nueva copia del ADN de la célula.

La información codificada en el ADN se conserva mediante el emparejamiento específico de bases de ADN entre sí. La adenina solo se unirá a la timina, la citosina a la guanina, etc.

Eso significa que cuando una célula quiere copiar su ADN, todo lo que tiene que hacer es separar las dos hebras de la doble hélice y alinear los nucleótidos con los que las bases del ADN existente “quieren” emparejarse.

Este emparejamiento de bases específico asegura que la nueva cadena de socios contendrá la misma secuencia de pares de bases, el mismo "código" & # 8211 que la cadena de socios anterior. Cada doble hélice resultante contiene una hebra de ADN antiguo emparejada con una hebra de ADN nuevo.

Estas nuevas dobles hélices serán heredadas por dos células hijas. Cuando llega el momento de que esas células hijas se reproduzcan, cada hebra de estas nuevas hélices dobles actúa como plantillas para una nueva doble hélice.

Cuando llega el momento de que una célula "lea" las instrucciones contenidas en su ADN, utiliza el mismo principio de unión de pares específicos. El ARN es muy similar al ADN y cada base de ARN se une específicamente a una base de ADN. El uracilo se une a la adenina, la citosina a la guanina, etc.

Esto significa que, al igual que la replicación del ADN, la información del ADN se transfiere con precisión al ARN siempre que la cadena de ARN resultante esté compuesta por las bases que se unen específicamente a las bases del ADN.

A veces, la cadena de ARN en sí misma puede ser el producto final. Las estructuras hechas de ARN desempeñan funciones importantes en nosotros mismos, incluido el ensamblaje de proteínas, la regulación de la expresión génica y la catalización de la formación de proteínas.

De hecho, algunos científicos piensan que la primera vida en la Tierra podría estar compuesta principalmente de ARN. Esto se debe a que el ARN puede almacenar información en sus pares de bases al igual que el ADN, pero también puede realizar algunas funciones enzimáticas y reguladoras.

En la mayoría de los casos, sin embargo, el ARN se transcribe en una proteína. Usando los aminoácidos "componentes básicos de la vida", nuestras células pueden construir casi máquinas de proteínas para casi cualquier propósito, desde fibras musculares hasta neurotransmisores y enzimas digestivas.

En la transcripción de proteínas, los codones de ARN que se transcribieron a partir del ADN son "leídos" por un ribosoma. El ribosoma encuentra el ARN de transferencia apropiado (ARNt) con "anti-codones" que son complementarios a los codones en el ARN mensajero (ARNm) que se ha transcrito a partir del ADN.

Los ribosomas catalizan la formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos a medida que "leen" cada codón en el ARNm. Al final del proceso, tiene una cadena de aminoácidos según lo especificado por el ADN, es decir, una proteína.

Otros componentes básicos de la vida, como los azúcares y los lípidos, son a su vez creados por proteínas. De esta manera, la información contenida en el ADN se transforma en todos los materiales de la vida, ¡utilizando el código genético!


11: El código genético y la traducción - Biología

Figura 1. El dogma central de la biología molecular.

El dogma central de la biología molecular

James Crick (cofundador de la estructura secundaria del ADN) propuso que el ADN es una molécula de almacenamiento de información capaz de replicarse a sí misma. Además, propuso que la información que se transmitía tenía que ser "leída" por un organismo de fabricación dentro de la célula que unía los aminoácidos en una secuencia específica que finalmente sintetizaba una proteína. Esto se conoció como el dogma central de la biología molecular.

El dogma central predice que el ADN sirve como plantilla para la síntesis directa de una molécula de ARN mensajero (ARNm), en un proceso conocido como transcripción. En segundo lugar, el ARNm se "lee" en un ribosoma mediante ARN de transferencia (ARNt), que trabajan juntos para ensamblar una cadena específica de aminoácidos, que se ensamblan colectivamente para generar una proteína, un proceso que se conoce como traducción.

Figura 2. Los retrovirus representan una excepción al dogma central.

El ARN mensajero es solo uno de los siete tipos principales de ARN. Algunos también participan en la síntesis de proteínas (como el ARN de transferencia). Y el ADN codifica directamente estas moléculas de ARN. Entonces, el flujo de información en este caso sería simplemente de ADN a ARN. La otra gran excepción a este dogma, el flujo de información se invierte. Algunos virus, por ejemplo, tienen genes compuestos de ADN. Cuando estos virus infectan una célula, el ARN viral sintetiza ADN. Entonces, de esta manera, el flujo de información sería del ARN al ADN. Pero aunque hay una excepción al dogma, el dogma central de la biología molecular abarca el flujo de información más importante para la vida. El ADN codifica el ARN y ese ARN codifica proteínas.

La replicación del ARN es la copia de un ARN a otro. Muchos virus se replican de esta manera. Las enzimas que copian el ARN en ARN nuevo, denominadas ARN polimerasas dependientes de ARN, también se encuentran en muchos eucariotas donde participan en el silenciamiento del ARN. La edición de ARN, en la que una secuencia de ARN es alterada por un complejo de proteínas y un "ARN guía", también podría considerarse una transferencia de ARN a ARN.

Una vez que los biólogos entendieron el dogma, comprendieron el patrón general de flujo de información en la célula. El siguiente desafío fue comprender cómo la secuencia de bases en una cadena de ARN mensajero codifica la secuencia de aminoácidos en una proteína. ¿Qué es el código genético? ¿Cuáles son las reglas que especifican la relación entre la secuencia de nucleótidos en el ADN y las secuencias de aminoácidos en una proteína? George Gamow sugirió un código basado en la lógica. Sugirió que cada palabra de código contiene tres bases. Su razonamiento se basó en la observación de que hay 20 aminoácidos.

Dado que solo hay cuatro nucleótidos únicos en el ADN y 20 aminoácidos, se requirió una combinación de pares de bases para codificar los aminoácidos. Si un aminoácido estuviera basado en un solo nucleótido, entonces solo habría cuatro aminoácidos. Con la misma lógica, Gamow supuso que el código no podría representarse mediante una combinación de dos nucleótidos, porque 4x4 son 16 y hay 20 aminoácidos. El código debe ser un código de tres bases (o código triplete), porque es el código más simple que permite los 20 aminoácidos conocidos: 4 X 4 X 4 = 64. Esto sugiere que podría haber hasta 64 aminoácidos únicos. Sin embargo, solo hay 20 aminoácidos.

Figura 3. El código genético. El ARNm de código triplete codifica directamente el ensamblaje de aminoácidos que forman una proteína. Para identificar el aminoácido codificado por la secuencia de ARNm, ubique el código del triplete de ARNm (codón), el cuadro gris a su derecha representa el aminoácido correspondiente. Por ejemplo, CCC indica el aminoácido Prolina (Pro).

Hay muchas más posibilidades de aminoácidos proporcionados por un código triplete, que la cantidad de aminoácidos (20) que vemos en la naturaleza. Por tanto, se dice que el código es redundante, lo que significa que los aminoácidos pueden codificarse mediante más de un código triplete. Por ejemplo, los códigos triplete de CCU y CCC del ARNm codifican el mismo aminoácido: prolina. De hecho, todos los aminoácidos están codificados por más de un código triplete, excepto la metionina y el triptófano. Investigaciones posteriores indicaron que un código triplete específico siempre codificaba el mismo aminoácido. En otras palabras, el código es inequívoco. Por ejemplo, el código triplete de AUG en el ARNm siempre codifica la metionina. Sorprendentemente, el código funciona exactamente igual para todos los organismos vivos, ¡desde bacterias hasta plantas y animales! Si bien hay muy pocas excepciones a esto, la consistencia del código en organismos muy variables sugiere que todos provenimos de un único ancestro común. El codigo es universal. Por último, el código es conservador. Si los dos primeros pares de bases del ARNm son iguales pero el tercero es diferente, existe una alta probabilidad (pero no una certeza absoluta) de que codifique el mismo aminoácido.

El grupo de las tres bases que forman un aminoácido en particular se llama codón. Y de acuerdo con la hipótesis del triplete de Gamow, cada codón está formado por tres nucleótidos. Y cada gen está definido por un codón de inicio y un codón de terminación. Se ha identificado el codón de inicio, y es el mismo codón de inicio para cada gen de cada organismo de la Tierra. Por el contrario, hay tres codones de parada.

Figura 4. Predicción de cadenas polipeptídicas a partir de ADN. En este ejemplo, la hebra molde de ADN (la hebra que se transcribe en ARN) es: 3 '- TAC GTC TAG TCC ATC - 5'. Este se transcribe en la hebra de ARNm: 5 '- AUG CAG AUC AGG UAG-3'. Consultando la tabla de aminoácidos (Fig. 4), podemos predecir la secuencia de aminoácidos para esta proteína: metionina (START CODON) -ácido glutámico-isoleucina-arginina-STOP.

Predecir proteínas a partir del ADN

Una vez descifrado el código, se puede leer cualquier secuencia de ADN para determinar la secuencia de aminoácidos o una cadena polipeptídica (Fig. 4). En eucariotas, el ADN está compuesto por muchos cromosomas. Cada cromosoma está formado por varios genes (junto con otras regiones que no se transcriben). Cada gen sintetiza un ARNm, que luego se transcribe en una proteína. Para el segmento de ADN que forma un gen, solo una hebra sintetiza el ARNm, conocido como soporte de plantilla. La otra hebra de ADN que no sintetiza ARNm se llama hebra sin plantilla, o más comúnmente el hebra de codificación. El comienzo de un gen está definido por las tres bases de la hebra plantilla, TAC, que se transcribe en el codón de inicio, AGO. Hasta donde sabemos, todos los organismos vivos tienen el mismo codón de inicio para cada proteína creada. Los siguientes tres ácidos desoxirribonucleicos se transcriben en el siguiente codón. En la Fig. 4, los ácidos desoxirribonucleicos (GTC) se transcriben en el codón de ARNm (CAG), que finalmente se traduce en el aminoácido ácido glutámico. Repita esta secuencia hasta que llegue a uno de los tres codones STOP que, como verá a continuación, no codifica un aminoácido. Más bien codifica un factor de terminación que finaliza el proceso de traducción y da como resultado una proteína.

Figura 5. Mutaciones puntuales. Las mutaciones puntuales son un cambio en un solo desoxirribonucleótido, que ocurre durante un desajuste durante la replicación del ADN. Las mutaciones puntuales pueden afectar la proteína eventual al cambiar un aminoácido en la cadena polipeptídica.

Mutaciones son cambios permanentes en el ADN de un organismo, una modificación en el archivo de información de la célula. Las mutaciones son importantes en la evolución, porque son el único mecanismo conocido que realmente crea nuevos alelos. Los nuevos alelos pueden crear diferentes proteínas y, en consecuencia, diferentes funcionalidades celulares, y servir como origen de la biodiversidad. Las mutaciones pueden afectar a los organismos aptitud física, la capacidad de un organismo para sobrevivir y reproducirse, o no. Las mutaciones aumentan la aptitud se denominan beneficioso, mientras que los que disminuyen la aptitud se dice que son perjudicial. Se dice que las mutaciones que no afectan la aptitud de un organismo son silencio mutaciones. La mayoría de las mutaciones son neutrales o levemente perjudiciales. Las mutaciones se pueden clasificar en dos categorías. Mutaciones puntuales son cuando un solo nucleótido cambia y mutaciones a nivel de cromosomas ocurren con la adición, deleción o modificación de un cromosoma.

Figura 6. Los genotipos determinan los fenotipos. Un cambio en un solo desoxirribonucleótido puede cambiar la secuencia de aminoácidos, lo que puede tener un efecto sobre el fenotipo del organismo.

Las mutaciones puntuales ocurren cuando el mecanismo de corrección de pruebas del ADN (ADN polimerasa) no corrige un par de bases que no coinciden antes de la finalización de la replicación del ADN, el proceso en el que el ADN se copia a sí mismo. Esto da como resultado un cambio de base única en una de las cadenas de ADN recién sintetizadas (Fig. 5). Hay dos consecuencias resultantes de las mutaciones puntuales. Las mutaciones puntuales que provocan cambios en la secuencia de aminoácidos se conocen como mutaciones de reemplazo o mutaciones sin sentido (Figura 6). Un cambio en el aminoácido puede (y a menudo lo hace) cambiar la funcionalidad de la proteína que codifica, lo que puede cambiar la aptitud del organismo: ya sea de manera positiva, negativa o en absoluto. Mientras que, mutaciones silenciosas son cambios puntuales que no cambian la secuencia de aminoácidos, porque el ADN transcribe un ARNm que codifica el mismo aminoácido que la cadena de ADN original. Por ejemplo, si hubiera un cambio en la hebra molde de ADN de TAA (transcrito al codón AUU) a TAT (transcrito como AUA), el aminoácido resultante después de la traducción sería isoleucina para ambos. Los silenciosos son más comunes cuando se altera el tercer nucleótido de un codón, destacando el conservador propiedad del código.

En una especie de ratón (Fig.6), ocurrió una mutación puntual en el pasado en un solo par de bases, cambiando el producto final de la proteína dando como resultado un fenotipo diferente del color del pelaje, un equivocación mutación. Cuando el ratón oscuro tiene un aminoácido arginina en su proteína en una ubicación específica, el ratón blanco tiene una cisteína. Este único cambio en una molécula de ADN es suficiente para provocar un cambio en el fenotipo del ratón y ha provocado que miembros de la misma especie vivan en diferentes ambientes, un primer paso para convertirse en especies diferentes.

Figura 7. Mutaciones a nivel cromosómico.

Mutaciones a nivel de cromosomas son cambios importantes en el ADN de los eucariotas, con la adición, eliminación o movimiento de segmentos de cromosomas o incluso cromosomas completos. Casi todas estas mutaciones ocurren como un error durante la división nuclear (ya sea durante la meiosis o la mitosis) y casi todas afectan negativamente la aptitud de un organismo. La inversión es una alteración de la estructura de un solo cromosoma, cuando un segmento del cromosoma se separa, se invierte y se vuelve a unir a los mismos cromosomas. Todos los genes de la sección invertida ya no sirven como plantilla para las proteínas originales para las que se transcribieron. Esto se debe a que la secuencia de nucleótidos es completamente inversa al ADN original y la transcripción solo ocurre en una sola dirección. Translocación ocurre cuando un segmento de un cromosoma se extrae y se vuelve a unir a otros cromosomas. Potencialmente, los genes translocados pueden transcribirse adecuadamente siempre que no se haya producido ninguna inversión.

Durante el ciclo celular, los cromosomas se replican y se separan en diferentes núcleos durante la mitosis. Después de la mitosis, los núcleos duplicados se separan en dos células. A veces ocurren errores durante este proceso. Ocasionalmente, los cromosomas duplicados nunca se separan, dejando una copia duplicada de los cromosomas en la célula. Esto se conoce como poliploidía, y es muy raro en animales. Sin embargo, es relativamente común en las plantas y puede formar el origen de una nueva especie, ya que las plantas poliploidías se aíslan reproductivamente de las plantas diploides. Por lo general, durante la meiosis, cada conjunto de cromosomas replicados se divide por la mitad, lo que finalmente produce gametos. Ocasionalmente, uno de los cromosomas replicados no se segrega adecuadamente durante la meiosis. Una vez fertilizado, el cigoto (y eventualmente el organismo) tiene un cromosoma adicional en sus células. En los seres humanos, el síndrome de Down es causado por la presencia de una copia adicional del cromosoma 21. Dos cromosomas 21 provienen de uno de los padres, mientras que uno proviene del otro. La mayoría de los humanos tienen dos copias de cada cromosoma, una de su madre y otra de su padre, conocida como cromosomas homólogos. Los cromosomas homólogos son de tamaño similar y tienen la misma secuencia de genes, pero pueden diferir en los alelos que portan. Los seres humanos tenemos 23 pares de cromosomas homólogos, 23 de la madre y 23 del padre para un total de 46 cromosomas.

Transcripción

Figura 8. La transcripción crea una transcripción, o ARNm, de acuerdo con el apareamiento de bases complementarias de la hebra molde de ADN.

En la transcripción, un segmento de ADN (conocido como gen) sintetiza ARNm. Los ARN son polímeros compuestos por una cadena de ribonucleótidos. Los ribonucleótidos contienen el azúcar ribosa mientras que desoxirribonucleótidos (de ADN) contienen el azúcar desoxirribosa. Mientras que el ADN es bicatenario y el ARN es monocatenario, el ARN contiene la base nitrogenada uracilo (U) donde el ADN tendría de timina (T). Para un gen específico, solo una de las cadenas de ADN, el hebra de plantilla, sintetiza activamente una cadena de ARNm, conocida como transcripción. La otra hebra de ADN, la hebra de codificación, no participa en la transcripción. Sin embargo, la hebra codificante de ADN es más similar al ARNm ya que tanto la hebra codificante como la transcripción son complementarias de la hebra molde. Sin embargo, no coincide exactamente con él. Los ribonucleótidos de la transcripción tienen el azúcar ribosa, y donde la cadena codificante tendría la base nitrogenada, timina, la transcripción tiene uracilo.

Durante la transcripción, los ribonucleótidos se unen a la hebra molde basándose en el apareamiento de bases complementarias a través de enlaces de hidrógeno. Los ribonucleótidos luego se unen con un enlace fosfodiéster al igual que el ADN.

Inicio de la transcripción

En los procariotas, la transcripción se inicia mediante la unión de una proteína conocida como sigma. El sigma se adhiere a una hebra del ADN (la hebra molde) en una ubicación muy específica. En las bacterias existen varios sigmas y cada uno inicia la transcripción de una secuencia específica de ADN (o gen). Una vez que esta proteína sigma se adhiere a la molécula de ADN, sirve para guiar la ARN polimerasa hacia abajo por la hebra molde. La proteína sigma reconoce y se une a lo que se considera la secuencia promotora. La secuencia promotora es un grupo específico de pares de bases. Una vez que el sigma se une al ADN, comienza la transcripción. Hay varios sigmas diferentes. Cada uno es único e inicia la síntesis de un gen específico o, en algunos casos, varios genes diferentes. Si bien hay varios sigmas, cada uno para diferentes complejos de genes, la ARN polimerasa es la misma molécula que se conecta a todos los diferentes sigmas. La ARN polimerasa agrega ribonucleótidos a la hebra molde basándose en el apareamiento de bases complementarias, generando un ARNm.

Figura 9. Pasos de la transcripción en procariotas.

La proteína sigma abre primero la doble hélice del ADN en la sección promotora de la cadena de ADN. Luego, la hebra molde del ADN se enhebra a través de la ARN polimerasa. Los nucleótidos de ARN entrantes pasan a través de un canal en la proteína sigma y se emparejan con las bases complementarias de la hebra molde del ADN. En este punto, la ARN polimerasa es funcional y comienza a funcionar. Y una vez que eso sucede, el sigma se desconecta de la cadena de ADN. Esto define el comienzo de la fase de elongación de la transcripción.

Una vez que se adjunta el sigma apropiado, la ARN polimerasa se une a la proteína sigma. Después de una unión exitosa, el sigma guía el ADN a su lugar dentro de la ARN polimerasa. A medida que el ADN pasa a través de la ARN polimerasa, los enlaces de hidrógeno se dividen entre la molécula de ADN mediante una cremallera. Una vez que el ADN se inserta en la ARN polimerasa, los ribonucleótidos ingresan por un portal de entrada a la ARN polimerasa y se emparejan con los D-nucleótidos en función del emparejamiento de bases complementarias. Similar al emparejamiento de bases de ADN, los desoxirribonucleótidos que contienen citosina (D-citosina) se emparejan con los ribonucleótidos que contienen guanina (R-guanina), los pares de D-guanina con R-citosina y los pares de D-timina con R-adenina. A diferencia del emparejamiento de bases de ADN, la D-adenina se empareja con el R-uracilo. A través de otro portal en la ARN polimerasa, emerge el ARNm en desarrollo. Una vez que la ARN polimerasa sintetiza algunos ribonucleótidos, se elimina la proteína sigma. Una vez que se elimina el sigma, se puede reutilizar para iniciar la transcripción.

Alargamiento de la transcripción

El alargamiento en la transcripción es bastante sencillo. La ARN polimerasa se desliza a lo largo de la molécula de ADN abierta haciendo coincidir los pares de bases de ribonucleótidos complementarios de la hebra molde del ADN abierto (A-U, T-A, C-G y G-C). Una vez eliminado el sigma, la ARN polimerasa continúa descomprimiendo la plantilla y las hebras codificadoras del ADN, y los ribonucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster basados ​​en el emparejamiento complementario determinado por la hebra molde de ADN. El ADN entrante ingresa a un portal de entrada y las hebras están separadas por una cremallera interna. A medida que el ADN pasa por la cremallera, los enlaces de hidrógeno se vuelven a unir entre la cadena de codificación y la plantilla y la doble hélice del ADN sale a través de un portal de salida. Los ribonucleótidos entran a través de otro portal de ingesta y se combinan a través del emparejamiento de bases complementarias con la hebra molde de ADN. Los ribonucleótidos se unen entre sí mediante enlaces fosfodiéster, formando un emergente. Los ribonucleótidos se agregan continuamente al extremo 3 'de la cadena de ARN en desarrollo. El extremo 5 'de la cadena de ARN sale a través de otro portal de salida de la ARN polimerasa.

Terminación de la transcripción

En las bacterias, una vez que la ARN polimerasa transcribe una secuencia específica de ribonucleótidos de la hebra de la plantilla de ADN, la transcripción termina (o termina). Cuando se sintetiza esta secuencia, una sección del ARN se dobla sobre sí misma y forma una doble hélice corta basada en el apareamiento de bases complementarias. Esto forma un Horquilla de ARN. Esta horquilla obliga al ARN a separarse del ADN y la ARN polimerasa se separa y el ADN abierto se vuelve a unir basándose en el emparejamiento de bases complementarias.

Figura 10. Pasos de la transcripción en eucariotas y empalme de ARN.

Transcripción en eucariotas

Fundamentalmente, la transcripción en eucariotas es similar a la transcripción en procariotas con algunas excepciones. En las bacterias, la ARN polimerasa puede sintetizar cualquier molécula de ARN. En eucariotas, hay tres ARN polimerasas diferentes (I, II y III). La ARN polimerasa I es la principal responsable de la síntesis de ARN ribosómico (ARNr), la molécula que forma los ribosomas. La mayoría de las ARN polimerasas eucariotas son ARN polimerasa II. La ARN polimerasa II es responsable de sintetizar el ARNm, lo que la convierte en la única ARN polimerasa capaz de transcribir genes que codifican proteínas. La ARN polimerasa III es responsable de sintetizar el ARN de transferencia (ARNt). Durante la traducción, los ARNt leen los mensajes del ARNm y enlazan una secuencia de aminoácidos específica que genera proteínas.

Cuando la transcripción bacteriana es iniciada por una proteína sigma, las ARN polimerasas en eucariotas requieren un grupo de proteínas conocidas como factores de transcripción basal. Como sigma en procariotas, una vez que los factores de transcripción basal se unen al ADN, su respectiva ARN polimerasa se une y comienza la transcripción. El proceso de elongación es prácticamente idéntico en procariotas y eucariotas. Sin embargo, la terminación de la transcripción difiere entre procariotas y eucariotas. En eucariotas, una secuencia corta en el ADN indica la unión de una enzima aguas abajo de la transcripción activa. Esta enzima corta el ARN emergente, dejando la ARN polimerasa.

En eucariotas, el pre-ARN está formado por regiones de ARNm que codifican aminoácidos (conocidos como exones) y regiones de ARNm que no codifican aminoácidos. Antes de que el ARNm pueda ser funcional, los intrones deben eliminarse en un proceso conocido como empalme de ARN o modificación postranscripcional.

Modificación postranscripcional de ARNm en eucariotas

En las bacterias, la transcripción del ADN al ARNm es una vía directa. Sin embargo, en eucariotas, una vez que el ARNm es sintetizado por la ARN polimerasa II, el ARNm pasa por una modificación adicional (Fig. 11). El producto que sigue a la transcripción se conoce como transcripción primaria (o pre-ARNm). Antes de que el ARNm viaje fuera del núcleo, el ARNm se acorta cortando secciones específicas de ARNm y volviendo a unir las secciones restantes. Este proceso se conoce como empalme de ARN y el ARNm modificado resultante se conoce como ARNm maduro. Los segmentos de ARNm que se vuelven a empalmar juntos se conocen como exones (porque salen del núcleo), mientras que los segmentos de ARNm que se eliminan del pre-ARNm se conocen como intrones. Los exones (que forman colectivamente el ARNm maduro) abandonan el núcleo a través de un poro nuclear y viajan hasta un ribosoma en el citosol y comienzan el proceso de traducción.

El empalme de ARN se procesa mediante complejos híbridos de proteína-ARN conocidos como ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (o snRNP). El empalme del ARN comienza cuando un snRNP primario se une a un nucleótido R de guanina (G) adyacente a un nucleótido R de uracilo (U) en el extremo 5 'del pre-ARNm. Esto marca el límite exón-intrón. Otro snRNP secundario lee de 5 'a 3' por debajo del ARNm y cuando entra en contacto con una adenina (A), se adhiere en ese punto. Este punto representa el límite intrón-exón. Una vez que los snRNP primarios y secundarios se unen, otros snRNPS se unen a ellos, en un complejo conocido como espliceosoma. Colectivamente, el espliceosoma rompe el enlace G-U del snRNP primario y el enlace entre la adenina (A) del snRNP secundario y su nucleótido R adyacente. Dado que U y A son bases complementarias, los espliceosomas los colocan en estrecho contacto entre sí, generando un bucle de intrones. Los nucleótidos del bucle intrón se desmontan en sus monómeros, ribonucleótidos, y se reciclan para futuros eventos transcripcionales. Los exones se vuelven a empalmar para generar un ARNm maduro.

Traducción en procariotas

Figura 11. Contraste de transcripción y traducción en procariotas y eucariotas.

La transcripción es el proceso de creación de ARNm a partir del ADN. La traducción es el proceso de conversión de la información genética del ARNm en proteínas. Dado que el ADN procariota no está limitado por un núcleo, la traducción en procariotas (es decir, bacterias) ocurre antes de que se complete la transcripción. La traducción y la transcripción ocurren simultáneamente. Los ribosomas son adyacentes a la transcripción del ADN, lo que permite que los ribosomas comiencen la traducción antes de que finalice la transcripción. Esto permite que la traducción de proteínas sea más eficaz en procariotas que en eucariotas.

Traducción en eucariotas

En eucariotas, la transcripción y modificación del ARNm ocurre exclusivamente en el núcleo. Después del procesamiento del ARNm, el ARNm maduro sale del núcleo a través de un poro nuclear. En el citosol, el cuerpo de la célula fuera del núcleo, el ARNm maduro se adhiere a un ribosoma y pasa por la traducción, produciendo finalmente una proteína. La mayoría de los ribosomas están unidos al retículo endoplásmico rugoso. Sin embargo, también hay varios ribosomas dentro del propio citosol.

Esta separación de transcripción y traducción proporciona un mayor control sobre la regulación génica, específicamente mediante la eliminación de intrones del pre-mRNA. Se plantea la hipótesis de que la eliminación de intrones es una defensa contra la expresión de genes retrovirales antiguos, un campo de estudio clave en la investigación del VIH. También se plantea la hipótesis de que el ADN eucariota es menos susceptible a mutaciones que los procariotas, debido a la barrera física de la envoltura nuclear entre el ADN y el citosol.

Además del ARNm, otra molécula de ARN importante es el ARN de transferencia, conocido como ARNt, el ARNt es la molécula que une el código genético con una proteína específica. Cada molécula de transferencia está unida a un aminoácido específico. Y cada aminoácido tiene tres pares de bases unidos al extremo opuesto. En el ribosoma, los tres pares de bases del ARNt se unen con el complemento de los tres pares de bases del ARNm. Entonces, los tres pares de bases complementarios del ARN de transferencia se conocen como anticodón, mientras que el código triplete del ARN mensajero se conoce como codón. Cada anticodón de tRNA enlaza con un aminoácido específico se combina con su codón complementario de mRNA en el ribosoma. Y luego los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos en una cadena de péptidos en crecimiento.

Figura 12. Pasos de la traducción.

El complejo ribosómico está formado por otro ARN (ARN ribosómico) y proteínas. Estos forman dos estructuras. La subunidad pequeña mantiene el ARNm en su lugar durante la traducción, mientras que la subunidad grande es donde se forman los enlaces peptídicos. Y la subunidad grande tiene tres cámaras distintas: A, P y E. En general, la función del ribosoma es sintetizar proteínas. Primero, el aminoácido conectado a un ARNt ingresa al ribosoma en el sitio A. A medida que otra molécula de ARNt entra en el sitio A, la otra molécula de ARNt se mueve sobre tres pares de bases y se forma un enlace peptídico entre los dos aminoácidos. A medida que otra molécula de ARNt entra en el complejo ribosómico, los otros dos ARNt mueven 3 bases y el ARNt más antiguo sale del ribosoma en el sitio E. Solo recuerda APE.

Inicio de la traducción

Echemos un vistazo más de cerca al proceso de traducción (Fig. 12). El ARNm tiene una sección especial justo antes del codón de inicio que reconoce el ribosoma, conocido como sitio de unión al ribosoma. La traducción comienza con el codón de inicio del ARNm. Conectado al ARNt del codón de inicio hay un aminoácido, llamado f-Met. Una vez que el ARNt de f-Met se une a la subunidad pequeña del ribosoma, la subunidad grande del ribosoma se une a la unidad pequeña y la traducción está lista para comenzar.

La traducción comienza cuando un ARNm se conecta al pequeña subunidad de un ribosoma. Los ribosomas están formados por proteínas y otro tipo de ARN, ARN ribosómico (o ARNr). El inicio de la traducción comienza cuando el ARNr se une a una secuencia específica del ARNm, conocida como sitio de unión al ribosoma. Esta conexión se basa en el apareamiento de bases complementarias de ribonucleótidos adyacentes de ARNr y ARNm, que es guiado a su lugar por proteínas especiales conocidas como factores de iniciación. Uno de los factores de iniciación también sirve como estación de acoplamiento para que el primer ARNt se conecte al codón de inicio de ARNm, que es AUG para la síntesis de todas las proteínas. Los ARNt tienen un código triplete complementario que se conecta al codón del ARNm, conocido como anticodón (Figura 12). El anticodón del tRNA inicial es UAC. Unido al ARNt inicial está el aminoácido metionina (met). Una vez que este ARNt se une a la subunidad pequeña, la subunidad grande del ribosoma se une a ella y comienza el alargamiento de la traducción.

Alargamiento de la traducción

El siguiente tRNA entra en el sitio A debido al apareamiento de bases complementarias del codón del mRNA y el anticodón del tRNA. Una vez que el emparejamiento codón-anticodón es exitoso, el nuevo ARNt en el sitio A se coloca de manera que el aminoácido que transporta sea adyacente al aminoácido ya presente en el sitio P. Esta proximidad fomenta una enlace peptídico para formar entre los dos aminoácidos adyacentes, el comienzo de una cadena polipeptídica.

se une a su codón complementario en el sitio A de la subunidad grande del ribosoma.

En segundo lugar, se forman enlaces peptídicos en el sitio P. A continuación, todo el complejo de ribosomas desciende tres pares de bases. El tRNA en el sitio A se mueve al sitio P y el tRNA del sitio P se mueve al sitio E, y el tRNA en el sitio E abandona el complejo ribosómico. Este proceso se conoce como translocación.

Terminación de la traducción

La traducción finaliza con uno de los tres codones de terminación. Una vez que el ribosoma encuentra uno de estos codones de parada, hace que una proteína específica, conocida como factor de liberación, entre en el ribosoma y provoca la liberación de la cadena polipeptídica. También en este momento, el ribosoma grande se separa de la subunidad pequeña.


11: El código genético y la traducción - Biología

Dados los diferentes números de & # 8220 letras & # 8221 en los alfabetos de ARNm y proteínas & # 8220, & # 8221 los científicos teorizaron que las combinaciones de nucleótidos correspondían a aminoácidos individuales. Los científicos teorizaron que los aminoácidos estaban codificados por tripletes de nucleótidos y que el código genético era degenerar. En otras palabras, un aminoácido dado podría estar codificado por más de un triplete de nucleótidos. Estos tripletes de nucleótidos se denominan codones. Los científicos resolvieron concienzudamente el codigo genetico traduciendo ARNm sintéticos in vitro y secuenciando las proteínas que especificaron (Figura 1).

Figura 1. Esta figura muestra el código genético para traducir cada triplete de nucleótidos en el ARNm en un aminoácido o una señal de terminación en una proteína naciente. (crédito: modificación del trabajo por NIH)

Además de indicar la adición de un aminoácido específico a una cadena polipeptídica, tres (UAA, UAG, UGA) de los 64 codones terminan la síntesis de proteínas y liberan el polipéptido de la maquinaria de traducción. Estos trillizos se llaman codones de parada o codones sin sentido. Otro codón, AGO, también tiene una función especial. Además de especificar el aminoácido metionina, también sirve como codón de inicio para iniciar la traducción. El marco de lectura para la traducción lo establece el codón de inicio AUG cerca del extremo 5 & # 8242 del ARNm.

El código genético es universal. Con algunas excepciones, prácticamente todas las especies utilizan el mismo código genético para la síntesis de proteínas. La conservación de codones significa que un ARNm purificado que codifica la proteína de globina en caballos podría transferirse a una célula de tulipán, y el tulipán sintetizaría globina de caballo. El hecho de que solo haya un código genético es una prueba poderosa de que toda la vida en la Tierra comparte un origen común, especialmente si se considera que existen alrededor de 1084 combinaciones posibles de 20 aminoácidos y 64 codones tripletes.

Se cree que la degeneración es un mecanismo celular para reducir el impacto negativo de las mutaciones aleatorias. Los codones que especifican el mismo aminoácido normalmente solo difieren en un nucleótido. Además, los aminoácidos con cadenas laterales químicamente similares están codificados por codones similares. Este matiz del código genético asegura que una mutación de sustitución de un solo nucleótido podría especificar el mismo aminoácido pero no tener ningún efecto o especificar un aminoácido similar, evitando que la proteína se vuelva completamente no funcional.


Código genético: aspectos y mecanismos | Genética humana

En este artículo discutiremos sobre los aspectos funcionales y los mecanismos del código genético.

Aspectos funcionales de la genética Codon:

Todos los aminoácidos, excepto la metionina y el triptófano, están especificados por más de un codón. Tres aminoácidos —leucina, serina y orginina— se especifican cada uno por seis codones diferentes y cambiantes. La isoleucina tiene tres codones y los otros aminoácidos tienen cada uno dos o cuatro codones. La aparición de más de un codón por aminoácido se denomina degeneración y timidez del codón. Pero esta degeneración del codón no es aleatoria, sino altamente ordenada.

La degeneración es principalmente de dos tipos:

a) Degeneración parcial, es decir, cuando la tercera base del codón, ya sea una de las dos pirimidinas (U o C) o una de las dos purinas (A y G).

b) Degeneración completa, es decir, cuando cualquiera de las cuatro bases puede estar presente en la tercera posición del codón y todavía especificará el mismo aminoácido (siga el Diccionario de codones al final de este capítulo y más adelante).

Lo más interesante es que los códigos genéticos son universales, es decir, un codón especifica los mismos aminoácidos en todos los organismos de los 64 codones, solo tres son no funcionales, es decir, estos tres codones no pueden especificar ningún aminoácido durante el tiempo de traducción. Estos tres codones son UAA, UAG y UGA y se conocen como codón sin sentido o codón terminador.

El código genético también proporciona puntuación y valoración de la información genética a nivel de traducción. Dos codones, AUG o GUG, cuando alguno de ellos está presente en el segmento líder del ARNm, funcionan como un codón iniciador para el inicio de la síntesis de proteínas. Los codones genéticos están presentes en el ARNm de forma lineal.

Mecanismo del codón genético:

El codón es reconocido durante el período de traducción por el sitio anticodón del t-RNA que transporta los aminoácidos. El anticodón significa la combinación de tres bases simplemente complementarias al codón y presentes en el t-ARN.

El emparejamiento de bases entre la tercera base (3 & # 8242) del codón y la base 5 & # 8242 del anti & shycodon no sigue las reglas de emparejamiento de bases estrictas normales, en su lugar hay & # 8220wobble & # 8221 en este sitio, lo que permite que se formen pares de bases que no sean los cuatro pares de bases habituales. Por tanto, el anticodón de un solo t-ARN puede reconocer uno, dos o tres codones diferentes. Este bamboleo se debe a la formación de enlaces de hidrógeno alternativos.

Después de cada triplete, la secuencia de nucleótidos o codones se refiere a la secuencia de nucleótidos en el ARNm (no en el ADN) que especifica los aminoácidos indicados (Tabla 5.1).


Comentarios de los revisores

Informe del revisor 1

Eugene V. Koonin, Centro Nacional de Información Biotecnológica, Biblioteca Nacional de Medicina, NIH, Bethesda, EE. UU.

Comentarios de los revisores

Este manuscrito aborda posiblemente el problema más fundamental y más difícil en el estudio del origen de las células: los pasos que conducen al surgimiento del sistema de traducción. Cualquier discusión informada sobre este enigma fundamental es de interés, y esto es particularmente cierto en este manuscrito excepcionalmente bien escrito y con referencias exhaustivas. Encuentro igualmente evidente que el avance decisivo sigue siendo esquivo, e incluso la dirección en la que uno debe proceder para encontrarlo es menos que obvia. Entonces, ¿este análisis nos acerca un paso más a una (la) solución?

En su discusión, Rodin et al. Pasar de la conclusión irrefutable de que p-aaRS debe haber sido precedida por r-aaRS en la etapa temprana de la evolución a un análisis de los datos bien conocidos sobre el reconocimiento de aptámeros de aminoácidos, con la esperanza de dilucidar los restos del código primordial. Aquí hacen una muy buena observación que explica la representación superficialmente desconcertante de ambos codones y anticodones en los aptámeros seleccionados para unirse a Arg, Ile y Tyr: los codones para estos aminoácidos son palíndromos autocomplementarios en las posiciones 1-2 (p. Ej., CGN para Arg), por lo que no es sorprendente que, siempre que (digamos) el codón esté sobrerrepresentado en el aptámero, también lo estará el anticodón. Creo que esto resuelve un "pseudo-rompecabezas" en los datos de aptámeros. Luego continúan con la discusión del otro tipo de relación palindrómica entre codones y anticodón: posiciones de codón 2-3 frente a posiciones de anticodón 1-2. La conclusión para Arg es que "cuando para el mismo aminoácido, la arginina, encontramos en sus sitios de unión al ARN un triplete afín, pero que no contiene CG, parece ser el anticodón, no el codón ". Y en general: "Los anticodones, no los codones, están más a menudo sobrerrepresentados significativamente en los sitios de unión a aa de los aptámeros de ARN". También hay otro patrón más sutil que surge del análisis de aptámeros:"Para los aminoácidos codificados por tripletes que contienen dinucleótido-palíndromo, sus sitios de unión en los aptámeros de ARN "prefieren" los motivos del codón (1-2) / anticodón (2-3) sobre el codón (2-3) / anticodón (1-2 ) unos a pesar de su simetría aparentemente perfecta". La conclusión principal, por supuesto, es que la 3ª base del triplete sobrerrepresentado en los aptámeros es más importante en el reconocimiento de aptámeros-aminoácidos, por lo que el reconocimiento se basa en anticodón en lugar de codón. La meta-conclusión es que este reconocimiento es una reliquia del putativo código primordial, pretraduccional.

Me temo que soy bastante escéptico con toda esta línea de razonamiento, sobre todo porque los datos de aptámeros son débiles, con la posible excepción de solo dos aminoácidos, y estos aminoácidos (Arg e Ile) no son los más simples ni los que generalmente se piensa que son primordiales. Simplemente no estoy convencido de que los datos de aptámeros sean relevantes en absoluto. Es más, suponiendo que haya alguna señal allí, no estoy seguro de que tenga algo que ver con los codones y los anticodones. Los autores mismos son muy enfáticos en las afirmaciones de que el código primordial no tuvo nada que ver con la traducción y, de hecho, los resultados clásicos sobre la aminoacilación específica de los brazos CCA (refs. [25, 26]) sugieren la existencia de un código operativo que podría no haber tenido nada que ver con el actual.

El resto del artículo es una discusión bastante complicada de las reliquias potenciales de las etapas de pretraducción en las estructuras del ARNt, en parte, recapitulando las publicaciones anteriores de los autores. La idea con el proceso iterativo similar a Fibonacci de la evolución del ARNt es, por supuesto, muy elegante y numerológicamente atractivo, pero todo el esquema es bastante especulativo.

Entonces, ¿este documento informa sobre los avances en nuestra comprensión del origen y la evolución de la traducción y el código? Es difícil dar una respuesta de "sí" o "no". El artículo termina con la conclusión general de que "La traducción sin código no tiene sentido, pero el código sin (y antes) traducción sí lo tiene ". Creo que esta es una buena lógica. También aplaudo el enfoque de los autores de combinar muchas líneas diferentes de evidencia al abordar este formidable rompecabezas evolutivo. Sin embargo, mi posición general es que todavía no hemos desarrollado la forma correcta de abordar este problema, por lo que es probable que todos los escenarios actuales sean incorrectos en la mayoría de los detalles. En esta situación, lo que importa es la calidad del discurso y, en este sentido, el presente artículo será de gran ayuda para cualquier investigador interesado en el problema.

Respuesta de los autores

Apreciamos mucho los comentarios del revisor y la crítica de nuestra respuesta se estructura en las siguientes tres secciones:

I. Sobre la relevancia general de los datos de aptámeros de ARN de unión a aa para el problema del origen del código genético

Al igual que el punto de singularidad en el origen y la evolución del universo, el comienzo real de la vida bilingüe (con ácidos nucleicos, proteínas y código genético en el medio) fue, es y probablemente siempre seguirá siendo oscuro. En una situación tan "agnóstica" (en el sentido de Huxley), una de las pocas actividades intelectuales que un teórico podría permitirse aceptar como no desesperadamente especulativa sería examinar, por todos los medios concebibles (incluyendo in vitro experimentos con aptámeros de ARN específicos de aa), la alternativa crucial de "bloqueo de llave frente a accidente congelado". Naturalmente, in vitro La selección de aptámeros de ARN (dirigida a un reconocimiento cada vez más específico de un aminoácido en particular) tiene poco, si es que hay algo, en común con la configuración del código genético que realmente tuvo lugar en la evolución temprana. Aparentemente, el código real se desarrolló paso a paso siguiendo el esquema clásico de duplicaciones de genes con especificaciones posteriores, independientemente de si ha comenzado con un "bloqueo de llave" estereoquímico muy específico, un verdadero "accidente congelado", o posiblemente algo intermedio - - un "congelado estereoquímico accidente "([16] ver también [10]). Por el contrario, los experimentos SELEX del tipo Yarus siempre comienzan con una secuencia de ARN absolutamente aleatoria. Pero si es así, entonces los excesos que se observan en los sitios seleccionados de ARN de unión a aa --- exceso de anticodones afines en general, y exceso de tetrapletos de anticodón (2-3) / codón (1-2) en particular --- son todos el más impresionante.

II. Más sobre el exceso de anticodones en los sitios de unión a aa de los aptámeros de ARN

Lógicamente, si aceptamos que los p-aaRS deben haber sido precedidos por r-aaRS, entonces tenemos que enfrentar el problema de la interacción entre un aa en particular y sus r-aaRS afines, y este, en pocas palabras, es el problema proverbial de el origen del código genético. Específicamente, surge un grupo completo de preguntas interrelacionadas, siendo las más importantes (en nuestra estimación): (1) esta interacción fue absolutamente aleatoria, o estereoquímicamente selectiva (al menos débilmente), y (2) esta interacción tuvo algo en común con la codificación genética real?

La similitud de los sitios de unión a aa en los aptámeros de ARN seleccionados independientemente para un aminoácido dado arroja dudas sobre la aleatoriedad. Además, el exceso significativo de anticodones afines dentro de estos sitios refuerza la hipótesis de preferencia estereoquímica subyacente. Los datos de aptámeros de ARN son estadísticamente convincentes en este sentido (ver también el análisis detallado en [12]), y la pregunta que uno podría hacer es más bien ¿Cómo explicar este sorprendente nivel de significación por otros medios?

Anteriormente, uno de nosotros (ES) ha formulado esto con precisión: la lógica dicta la hipótesis de interacciones directas entre ARN y aminoácidos en la vida emergente de RNP, pero los sitios de unión correspondientes pueden no tener nada que ver con los trillizos afines actuales [9]. En este caso, los tripletes codón / anticodón habrían sido una especie de código operativo temprano (en el sentido de que habrían sido simbólicos / convencionales, en lugar de icónicos). Entonces, por supuesto, deberíamos poder demostrar que algunas otras secuencias son carpetas específicas. Los experimentos, sugeridos por primera vez en [90], ahora se conocen como experimentos SELEX de tipo Yarus. Nuestros análisis de los mismos han revelado un "predominio" anticodónico, por lo que tentativamente llegamos a la conclusión de que la codificación temprana era, por así decirlo, icónica y anticodónica.

Dos de nosotros (SNR y ASR), al igual que el Reviewer 1 (y por razones similares), inicialmente también tomamos a la ligera la hipótesis estereoquímica hasta (1) revelar el subcódigo para dos modos de reconocimiento de tRNA por aaRSs (Figura 1B), y (2) notar que la desconcertante presencia simultánea de codones propensa a la confusión en los sitios de unión a aa de aptámeros de ARN seleccionados podría haber sido simplemente un subproducto de la selección dirigida al anticodón (discutida en este artículo). . Creemos que esta observación es de hecho más importante que una mera resolución del persistente pero superficial rompecabezas, y ciertamente aumenta la importancia de los datos de los aptámeros de ARN en el contexto del problema del origen del código genético. En principio, la complementariedad de codones y anticodones significa que no hay diferencia si es el primero o el último el que prevalecerá en los sitios de unión a aa de los ARN. Sin embargo, el hecho de que en realidad sea lo último (y presentamos no una, sino muchas pruebas independientes en apoyo de la prevalencia del anticodón) nos dice mucho sobre la consistencia de la primacía de los anticodón (por origen) con la primacía lógicamente necesaria de codificación. De hecho, es un poco irónico que los tripletes aa-afines en los ARNm se llamen "codones" (asegurando que sus complementos en los ARNt se llamen "anticodones").Estrictamente hablando, tendría más sentido cambiar los términos: si los anticodones aparecieran primero, como los tripletes específicos de aa en las ribozimas de la vida del ARN primordial (quizás mucho antes de que los aminoácidos fueran reclutados para la traducción), merecen ser denominados "codones". En consecuencia, los tripletes en los ARNm se convertirían en "anticodones" (reflejando así su origen como copias complementarias de tripletes específicos de aa).

III. Sobre aminoácidos primordiales, código operativo y subcódigo para dos modos de reconocimiento de ARNt por r-aaRS putativos

Se supone que la aminoacilación de una molécula de ARNt de dos lados de la arboleda mayor y menor (Figura 1C) es una característica muy antigua de la vida. Mediante la transformación complementaria de la tabla de códigos genéticos (Figura 1B), hemos revelado su patrón interno "yin-yang" (una especie de subcódigo) que minimiza los errores de reconocimiento del ARNt por parte de los supuestos r-aaRS para aminoácidos codificados de forma complementaria [19 , 36]. Este subcódigo implica la primacía de los anticodones en el origen del código genético, pero para los aminoácidos más simples (¿"primordiales"?) Como Ala y Gly, el reconocimiento de sus proto-ARNt por parte de los r-aaRS putativos podría haber sido más aceptor que anticodón. -determinado, es decir, asociado con el código operativo antiguo en lugar del clásico (ver [20] para detalles de esta aparente "paradoja"). Es importante destacar que, en realidad, no hay ninguna "paradoja" aquí, y que, en general, el código primordial probablemente tuvo poco o nada que ver con la traducción (pero, por supuesto, no con la codificación per se). Todo lo contrario, en una serie de artículos [18-20, 35, 36] perseguimos la idea (y consolidamos los datos en apoyo de demostrar) que (1) el código primordial era realmente operativo (y solo operativo), pero no obstante (2) estos dos códigos, el código operativo de la aminoacilación del ARNt incorporado principalmente en el tallo aceptor [25, 26] y el código clásico asociado con los anticodones mediante el cual las células leen los ARNm durante la traducción, podrían haber tenido un ancestro común implementado por las ribozimas [18]. –20, 35, 36]. Si es así, los resultados experimentales clásicos de la aminoacilación específica adecuada de los ARNt truncados en mini o incluso microhélice [25, 26] y in vitro La selección de aptámeros de ARN específicos de aa [12] se complementan en lugar de excluirse entre sí, lo cual es uno de los leitmotivs del presente artículo.

En lo que respecta a Ala, Gly o cualquier otro (presumiblemente) aminoácido primordial, en este momento no tenemos conocimiento de ningún informe que enfatice el exceso (o la deficiencia) de sus anticodones afines (codones) en los sitios de unión a aa del ARN. aptámeros, sino más bien la selección exitosa de tales aptámeros de ARN. Por lo tanto, no está claro si tal exceso existe de hecho, más intentos experimentales más refinados con la selección de aptámeros de ARN para tales aminoácidos serían muy bienvenidos.

Informe del revisor 2

Wentao Ma, Facultad de ciencias de la vida, Universidad de Wuhan, P.R. China, nominado por Juergen Brosius.

Comentarios de los revisores

El origen del código genético y el sistema de traducción es un problema (o dos problemas relacionados) llenos de controversias. La razón es que el sistema de traducción es muy complicado y el principio de codificación no está claro (por ejemplo, no está claro ya que el mecanismo de apareamiento de bases evolucionó en la replicación del ADN o ARN, o su síntesis interdependiente). Según el principio de continuidad darwiniana (es decir, "la evolución no tiene previsión") [7], la aparición del complicado sistema, incluidos sus componentes y el principio de codificación, debería haber incluido bastantes pasos intermedios. Este manuscrito, siguiendo la idea de una hipótesis anterior (CCH, Coding Coenzyme Handles [9]), enfatizó (con nueva evidencia) que el principio de codificación debería haber surgido antes de la traducción. Esta idea tiene su rasgo intrínseco para explicar el origen del principio de codificación considerando que "la evolución no tiene previsión". La evidencia provino principalmente de un análisis detallado de los datos actualizados en experimentos de ARN aa-aptámeros [12]. En general, el argumento es razonable, pero, en mi opinión, algunas deducciones o afirmaciones detalladas necesitan un examen más cauteloso.

Basándose en el análisis de los datos de aptámeros de tres aminoácidos que contienen tanto sus anticodones como sus codones, los autores afirmaron razonablemente que tales casos deberían estar asociados con los palíndromos-dinucleótidos. Junto con los datos de otros aminoácidos en [12] y también la evidencia reciente en [31, 33], también es razonable concluir que los anticodones, no los codones, están más a menudo significativamente sobrerrepresentados en los sitios de unión a aa, y que en En algunos casos, "los codones pueden simplemente seguir a los anticodones (como los autostopistas)" Esta conclusión es "bienvenida" por la teoría estereoquímica sobre el origen del código genético, considerando la declaración anterior, "tanto los anticodones como los codones están sobrerrepresentados en aa- sitios de unión ", es ambiguo y difícil de explicar [7].

"Para los aminoácidos codificados por tripletes que contienen dinucleótido-palíndromo, sus sitios de unión en aptámeros de ARN" prefieren "los motivos del codón (1-2) / anticodón (2-3) sobre el codón (2-3) / anticodón (1- 2) unos a pesar de su simetría aparentemente perfecta ". Esta conclusión también parece estar respaldada por los datos de [12]. De hecho, la situación podría interpretarse como que los 1-2 nucleótidos del codón contribuyen más a la especificidad de la interacción, o los 2-3 nucleótidos del anticodón contribuyen más a la especificidad de la interacción. Entonces, la última interpretación podría aceptarse considerando la conclusión anterior de que podrían ser los anticodones los que realmente se asocian con los aminoácidos afines. Por lo tanto, una afirmación nueva e interesante, más fuerte que la de la hipótesis CCH, podría expresarse como "la degeneración de la primera posición en los anticodones (tercera posición en los codones 'futuros') también parece haberse originado antes de la traducción". En este contexto, también es atractivo atribuir "el hecho de que el 3 nt del codón está más degenerado que el 1 nt del anticodón" a la causa de que los anticodones deberían haber surgido antes que los codones, que se utilizarían sólo en el sistema de traducción "futuro".

“El motivo 5'-CGCG-3 'es de especial interés (Figura 2), porque se puede ver de dos formas: CGC es un codón (1-2) para CG palíndromo y, simultáneamente, también es un codón (2-3) para GC palíndromo. El anticodón GCG superpuesto, a su vez, puede considerarse como el (2-3) o (1-2) uno para GC y GC, respectivamente ".

Creo que esta descripción tiene algunos problemas. El motivo correspondiente debería ser 5'-GCGC-3 'cuando CGC es un codón (1-2) y GCG un anticodón (2-3) para el palíndromo CG, mientras que el motivo correspondiente debería ser 5'-CGCG-3' cuando CGC es un codón (2-3) y GCG un anticodón (1-2) para GC palíndromo.

"Esta ambigüedad está plagada de confusión para la codificación. Muy revelador, por lo tanto, es el hecho de que los sitios de unión a Arg no contienen el motivo 5'-CGCG-3 'en absoluto, en contraste con los tres motivos anteriores del codón (1 -2) / anticodón (2-3). Este hecho se vuelve aún más revelador si tenemos en cuenta la presencia de 5'-CGCG-3 'más allá de los sitios de unión a aa ([12]: ver, en la lista Arg, casos 17, F2e, F2f y F2U) ".

Ahora que los aptámeros no tienen nada que ver con la traducción, ¿cómo surge la ambigüedad de la codificación? La lógica es difícil de entender. El verdadero podría ser que el motivo 5'-CGCG-3 'es una representación del codón (2-3) / anticodón (1-2), por lo que no aparece. Si es así, un motivo directamente contrario debería ser 5'-GCGC-3 '(como mencioné anteriormente), que debería ser abundante. Sin embargo, el análisis o comentario sobre 5'-GCGC-3 'no aparece en el manuscrito.

Respuesta de los autores

Encontramos los comentarios y la crítica del revisor particularmente incisivos. Los dos temas principales se discuten a continuación.

En primer lugar, se debe tener en cuenta que para la arginina estos tetrapletos, 5'-CGCG-3 'y 5'-GCGC-3', son ambos codón (2-3) / anticodón (1-2) en relación con el GC. palíndromo y, simultáneamente, son codón (1-2) / anticodón (2-3) en relación con el palíndromo CG, la única diferencia es el dinucleótido con el que el anticodón GCG y el codón CGC se superponen --- GC en el 5'-CGCG -3 'caso y CG en el caso 5'-GCGC-3'. En consecuencia, si el anticodón GCG es un controlador y se está considerando el palíndromo de GC, entonces el tetrapleto correspondiente que contiene el codón de Arg es 5'-CGCG-3 '(y solo 5'-CGCG-3'). Por el contrario, si el anticodón GCG es nuevamente un controlador, pero lo que se está considerando es el palíndromo CG, entonces los tetrapletos correspondientes son 5'-GCGN-3 ', incluso 5'-GCGC-3 '.

Es importante destacar que es el CG en 1-2 posiciones del codón (2-3 posiciones del anticodón) el que realmente especifica Arg, mientras que el GC en 2-3 posiciones del codón (1-2 posiciones del anticodón) es irrelevante (especificando Ala) . Por tanto, parece que el codón CGC podría haber acompañado "formalmente" (como un autoestopista) al anticodón GCG en 5'-CGCG-3 'a través del dinucleótido GC no relacionado con Arg, y esa es precisamente la razón por la que elegimos deliberadamente centre nuestra descripción en 5'-CGCG-3 '. El resultado, la ausencia de este motivo en los sitios de unión a Arg, habla por sí mismo. Sorprendentemente, en los sitios de unión de Ile seleccionados de forma independiente tampoco vemos (y probablemente exactamente por la misma razón) el tetrapleto 5'-AUAU-3 'en el que el anticodón UAU supuestamente impulsa el codón AUA como un autoestopista, pero a través del Ile central. -palíndromo UA irrelevante (en el manuscrito destacamos este hecho justo después de describir el caso de la arginina).

No hace falta decir que desde el principio hemos comprobado todos los posibles tetrapletos relacionados con Arg, incluidos aquellos en los que se suponía que el anticodón GCG era un controlador. Los resultados fueron (1) exceso de 5'-GCGG-3 'y (2) ausencia completa de todos los demás, incluido el 5'-GCGC-3 '. Una vez más, se puede ver exactamente el mismo patrón en los sitios de unión de Ile con UAU anticodón como impulsor: un gran exceso del 5'-UAUU-3 'y la ausencia total de todos los demás, incluido el 5'-UAUA-3' ( Figura 9).

Comparación de tetrapletos codificantes sobrerrepresentados y ausentes en los sitios de unión de Arg, Ile y Tyr de aptámeros de ARN "selecionados". El 3'-CGCC-5 'es cuestionable como posible motivo de codificación para el sitio de unión de Ala putativo. Los anticodones están subrayados. Los tetrapletos complementarios "amarillos" y "verdes" no pueden confundirse (en contraste con los "azules" autocomplementarios).

Además, el anticodón UAU de Ile es un codón de Tyr. Sin embargo, este último no está significativamente sobrerrepresentado en sitios específicos de Tyr de aptámeros de ARN. Simétricamente, AUA es un triplete significativamente sobrerrepresentado, como anticodón, en los sitios de unión a Tyr pero no, como codón, en los de unión a Ile. Por tanto, parece que tripletes codificantes en sitios de unión a Ile evitan la confusión con Tyr (y viceversa) como si los ARN seleccionados por su afinidad directa a un aminoácido específico ya hubieran sido protegidos de la confusión con su socio codificado de forma complementaria. Esto es sorprendente, porque los aptámeros de ARN no se han seleccionado específicamente para evitar aminoácidos no afines. Hemos decidido abordar este tema de una manera más matizada en otros lugares (Szathmáry y Rodin, en preparación) sin embargo, las observaciones del revisor nos llevaron a restaurar el párrafo original del manuscrito aquí, en la presente discusión.

Los sitios de unión a Tyr muestran una sobrerrepresentación de los motivos característicos 5'-RAUA-3 '(con anticodón AUA): 5'-GAUA-3' y 5'-AAUA-3 ', que es un complemento preciso de la característica 5'- Motivo UAUU-3 '(con anticodón UAU) que está sobrerrepresentado en los sitios de unión a Ile (ver Figura 3 y [12]). Este hecho es consistente con nuestra hipótesis de los dos primeros precursores de r-aaRS que han sido complementarios entre sí [18-20]. En tono rimbombante, estos tetrapletos codificadores, 5'-UAUU-3 'y 5'-AAUA-3', no se pueden confundir. Por el contrario, los tetrapletos codificantes (en los supuestos r-aaRS) formados por un anticodón y un codón complementarios son de hecho propensos a la confusión simplemente porque cualquiera de estos tetrapletos es un palíndromo autocomplementario perfecto. Por ejemplo, el anticodón UAU de Ile y su complemento AUA forman el palíndromo 5'-UAUA-3 ', cuya imagen complementaria es, nuevamente, 5'-UAUA-3'. Lo mismo se aplica a la tirosina, así como a la arginina y alanina codificadas de forma complementaria. En tales casos, los dos r-aaRS complementarios podrían haber tenido virtualmente los mismos sitios de codificación de aa, lo que lleva a un alto riesgo de aminoacilación incorrecta; en consecuencia, se habrían seleccionado en contra de ellos.

Obviamente, el flujo lógico correcto debe ser inverso: la selección para la estereoafinidad de un aminoácido dado (por ejemplo, Ile) a los oligonucleótidos que contienen este anticodón análogo aa UAU dentro del tetrámero 5'-UAUU-3 'implica automáticamente la selección para la presencia de AUA dentro de 5'-AAUA-3 'en la secuencia complementaria que resulta ser la preferida por Tyr, el socio complementario de Ile en el código genético real. Por supuesto, es poco probable que la configuración real del código genético tuviera mucho en común con este in vitro selección de múltiples pasos de aptámeros de ARN cada vez, comenzando con una secuencia aleatoria (consulte nuestra respuesta al revisor 1). Por lo tanto, la detección de estos tetrapletos mutuamente complementarios y "no confusables", 5'-UAUU-3 'y 5'-AAUA-3' (y, por el contrario, la ausencia total de 5'-UAUA-3 "confusables" 'y 5'-AUAU-3') dentro de los sitios de unión de Ile y Tyr de seleccionado independientemente Los ARN son mucho más significativos. En este momento, no sugerimos ninguna explicación mecanicista para este resultado algo sorprendente, pero nos muestra que podría haber habido, de hecho, ciertos requisitos previos estructurales para dos modos complementarios de reconocimiento del ARNt por los aaRS, primero ribozimas y luego enzimas. Además, este resultado apoya indirectamente, en nuestra opinión, dos hipótesis básicas: (1) que la estereoafinidad primaria jugó un papel esencial en el origen del código genético, y (2) que incluso antes de la traducción los aminoácidos podrían haber participado en la codificación por pares complementarios en lugar de uno por uno. Lo anterior sugiere inmediatamente una idea relativamente simple para el control del experimento de selex: usar secuencias de ARN positivas y negativas en la selección de aptámeros de ARN de unión a aa, de modo que la selección de un sitio de unión de aa facilitaría las condiciones iniciales para la selección de sus socios complementarios. .

Hasta donde sabemos, no hubo informes de selección exitosa de aptámeros de ARN para Ala, el socio complementario de Arg (por posibles razones ver [20], el texto principal y nuestra respuesta al Revisor 1), mientras que los datos disponibles sobre Ile- y Los sitios de unión a Tyr son consistentes con esta hipótesis. Además, como se puede ver en la Figura 9, al sustituir C por A y G por U, pasamos (1) del palíndromo-dinucleótido CG que codifica Arg al palíndromo-dinucleótido AU que codifica Ile, (2) del 5 Motivo '-GCGG-3', sobrerrepresentado en sitios de unión a Arg, al motivo 5'-UAUU-3 ', sobrerrepresentado en sitios de unión a Ile, y (3) de 5'-GCGC-3', que está completamente ausente en los sitios de unión de Arg a 5'-UAUA-3 ', que está completamente ausente en los sitios de unión de Ile. El mismo resultado se puede obtener pasando de Ile a Arg, es decir, reemplazando A por C y U por G. Creemos que este sorprendente paralelismo entre los motivos de codificación de aminoácidos tan diferentes como Arg e Ile nos envía un mensaje importante sobre los orígenes del código genético. En particular, si en algún momento en el futuro los experimentos de tipo Yarus "selexed" para la alanina resultan ser exitosos, no nos sorprendería particularmente encontrar el motivo 5'-CCGC-3 '(con anticodón CGC) en Ala- sitios de unión de aptámeros de ARN.

Finalmente, debemos confesar que, a su vez, no entendemos del todo la perplejidad del revisor expresada en "Ahora que los aptámeros no tienen nada que ver con la traducción, ¿cómo surge la ambigüedad de la codificación?" La esencia de nuestro informe es que el origen del sistema de codificación no necesariamente tiene que estar vinculado a la traducción. Además, como la codificación precedió a la traducción, no necesitamos (y por lo tanto evitamos quedar atrapados en la trampa implícita de) la evolución de la previsión. Y, el riesgo de una asignación ambigua de anticodón a aa, aunque originalmente de importancia crucial para la codificación primordial en el mundo del ARN, tenía menos relevancia, si es que la tenía, para la traducción que probablemente evolucionó más tarde. En el mundo del ARN, los errores de aminoacilación del ARN podrían haber sido lo suficientemente graves como para ser seleccionados. En conclusión, esta sigue siendo una tarea de alta prioridad en nuestra agenda: descubrir qué componente de la ambigüedad de la codificación genética se ha minimizado antes (y fuera de), y cuál --- después (y en coevolución con) el desarrollo de maquinaria de traducción.

Comentarios de los revisores

"Literalmente: 3 + 4 = 7, 4 + 7 = 11, 7 + 11 = 18, 11 + 18 = 29, 18 + 29 = 47, y finalmente 29 + 47 = 76!" Esto parece ser una coincidencia. El proceso iterativo similar a Fibonacci en el modelo de crecimiento de ARNt (Figura 5) no se basa en una explicación de la relación estructura-función. Por ejemplo, ¿por qué los ARNt deberían crecer de esa manera? o, ¿cuál es la fuerza impulsora del crecimiento? Sin una explicación detallada de estos pasos intermedios, el modelo no se presenta de manera consistente con el principio de continuidad darwiniana.

En realidad, hay muchas otras interpretaciones basadas en el trabajo previo de los autores que parecen ser problemáticas porque no hay una consideración sobre los pasos intermedios involucrados en el origen del sistema de traducción, por ejemplo, los relacionados con r-aaRS y el funcionamiento código. Los r-aaRS ("implementadores") deben ser un conjunto de moléculas de ARN funcionales además del conjunto de tRNA ("adaptadores"). Si deberían haber existido, ¿cuál es la fuente original de estas moléculas de ARN antes de que fueran reclutadas en el sistema de traducción? Además, ¿cómo debería ser su estructura para implementar su función? Del mismo modo, esas interpretaciones relativas al código operativo también son oscuras. Si el código operacional debería haber funcionado en el mundo del ARN y se hubiera producido antes de la aparición del ciclo anticodón, ¿qué ventaja impulsaría la aparición posterior del ciclo anticodón? En estos puntos, no quiero decir que los eventos involucrados sean imposibles, en cambio, tiendo a estar de acuerdo con la opinión de Koonin y Novozhilov ("Origen y evolución del código genético: el enigma universal" Iubmb Life 2009, 61: 99-111 ), a saber, "es probable que sólo se pueda lograr una comprensión real del origen y la evolución del código en combinación con un escenario creíble para la evolución del propio principio de codificación y del sistema de traducción". La extensa discusión en el presente manuscrito sobre estos eventos parece dar a los lectores la impresión de que hay demasiadas suposiciones sin una interpretación detallada sólidamente basada en un escenario de acuerdo con el principio de continuidad darwiniana. Quizás una mejor opción del manuscrito es enfocar su discusión en los esquemas formales mencionados anteriormente, y extender la discusión solo un poco a las cuestiones relacionadas con el trabajo previo de los autores sobre r-aaRS, el código operativo y otros.

Respuesta de los autores

Ciertamente somos conscientes del problema de la traducción, y no estamos (en este momento, de todos modos) reclamando una solución completa y completa; más bien, sugerimos una serie de pistas en ese sentido.

En lo que respecta a las posibles ventajas intermedias en la evolución del código operativo, los r-aaRS putativos y los ARNt, creemos que el revisor podría, en sentido figurado, estar pidiendo demasiado, y no solo del escenario propuesto, sino de el campo de la investigación del origen del código genético en general. Pasando a los detalles de la coincidencia de iteración similar a Fibonacci, nos gustaría tocar brevemente los siguientes dos aspectos:

Primero, la periodicidad interna de las secuencias de tRNA y algunas otras consideraciones sugieren a muchos investigadores que los precursores de tRNA eran al principio mucho más cortos (¿por qué iban a ser más largos?), Pero que han crecido después. Si es así, surgen las siguientes preguntas importantes: (1) ¿cómo es posible lograr la misma estructura en las moléculas que crecen simultáneamente? y, (2) ¿cómo podría este crecimiento reflejar el principio de continuidad evolutiva, donde la siguiente etapa hereda funciones útiles ganadas en la etapa anterior? Para (1), mostramos cómo esto podría ser perfectamente posible, y para (2) demostramos que el proceso de crecimiento iterativo similar a Fibonacci se ajusta al principio de continuidad (al menos exteriormente). A decir verdad, no fue otro ejemplo más de la implementación de la proporción áurea en la Naturaleza lo que nos atrajo especialmente, sino más bien la idea del crecimiento regularizado y coordinado de los tri- y tetra-nucleótidos codificadores iniciales "hacia" uno. y la misma hoja de trébol final, un proceso atractivo en consonancia con el principio de continuidad.

En segundo lugar, al estudiar la evolución ab simplecioribus ad complexiora, no hace falta decir que, para hacer viable cualquier escenario evolutivo escalonado, uno debería pensar en la motivación "darwiniana" para cada paso. La configuración gradual de los adaptadores de código en la hoja de trébol de ARNt final no es una excepción; sin embargo, solo podemos adivinar qué agentes específicos en el mundo del ARN "tardío" (con la traducción ya emergente) podrían impulsar este proceso. Dicho esto, la molécula de ARNt es verdaderamente una molécula "para todas las estaciones" [91] --- podría haber tenido muchas oportunidades para hacerlo. Consideramos que este tema merece un tratamiento integral y se discutirá en otro lugar (Szathmáry y Rodin, en preparación).

Informe del revisor 3

Anthony Poole, Universidad de Estocolmo, Estocolmo, Suecia

Comentarios de los revisores

Este artículo es un maravilloso trabajo de detectives que al mismo tiempo sintetiza muchas observaciones y teorías separadas sobre el origen del código genético y los ARNt. Realmente no encontré nada aquí que requiera un comentario sustancial o una aclaración, aparte de decir que es una lectura completamente interesante: un verdadero motivo de reflexión. El análisis de los resultados de los sitios de unión de aminoácidos in vitro de aptámeros de ARN seleccionados es minucioso, y el modelo inspirado en el proceso de Fibonacci para la evolución de los ARNt es verdaderamente revelador y estimulante. Quizás uno de los puntos más interesantes de este proceso es que produce un modelo paso a paso muy preciso en el que los ARNt pueden converger independientemente de los aptámeros de ARN cortos no relacionados que se unen a los aminoácidos en una longitud (y estructura) común, que en última instancia contiene códigos operativos y genéticos.

Respuesta de los autores

Estamos muy agradecidos con el Revisor 3 por esta formulación alentadora, concisa y, sin embargo, precisa de lo que realmente nos propusimos lograr al escribir el manuscrito.


Ver el vídeo: DNA transcription and translation McGraw Hill (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Wokaihwokomas

    Estas equivocado. Ofrezco discutirlo. Escríbeme en PM, hablaremos.

  2. Rorry

    Genial, esta es una pieza muy valiosa

  3. Besyrwan

    Simplemente el brillo

  4. Ollin

    basura por Dios))))) el principio miró más no fue suficiente))))

  5. Cailean

    En mi opinión, no tienes razón. Escríbeme en PM, discutiremos.

  6. Birtle

    Sorprendentemente, el mensaje útil



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