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¿Cómo se originó el código genético?

Sin dudas es una de las preguntas más difíciles de responder. Recordemos que el código genético está formado por tripletes de nucleótidos (codones) que reconocen a un determinado aminoácido a través del ARN de transferencia (ARNt), el cual tiene un triplete complementario en un extremo (anticodón) y un aminoácido específico en el otro.

¿Por qué los codones son selectivos para determinados aminoácidos? Para responder a esta pregunta deberíamos hallar un organismo que tenga un código genético primitivo o intermedio, pero no lo hay. Todos compartimos el mismo código genético, aunque en ciertos taxas —grupos de organismos como bacterias u hongos— presentan algunos codones particulares que codifican para aminoácidos diferentes. Sin embargo, estos son casos muy particulares.

imageLa teoría estereoquímica dice que el código genético se desarrolló a partir de las interacciones de secuencias polinucleotídicas, los cuales tenían anticodones —o codones— con aminoácidos específicos. Existen muchas proteínas que se unen a secuencias de ADN  (factores de transcripción, histonas, etc.), y el complejo nucleótidos-proteínas más primitivo de todos son los ribosomas. 

Los ribosomas no son más que unas 50 proteínas interactuando de manera extensiva con secuencias polinucleotídicas (ARN ribosomal) formando una estructura estable (Fig A. En verde el ARNr y en rojo las proteínas). Los ribosomas emergieron muy temprano en la evolución de la vida y pusieron el punto de partida para la traducción del código genético en el último ancestro común universal (de donde evolucionaron y divergieron todas las especies que hoy conocemos).

Entonces, al ser el ribosoma una de las interacciones entre nucleótidos y proteínas —específicamente entre nucleótidos y aminoácidos— más primitivas de todas, tal vez tenga ciertos vestigios de un código genético primordial. Fue así que investigadores del Instituto Salk de Estudios Biológicos, liderados por D. Johnson y Lei Wang, hicieron un análisis estructural del ribosoma para ver si el código genético que hoy conocemos es también aplicable a las interacciones de los aminoácidos de las proteínas del ribosoma con el ARNr.

imageMuchos aminoácidos fueron encontrados en contacto con tripletes —codones o anticodones— de ARNr. Se calculó el valor de enriquecimiento (Ex) de cada triplete con respecto a un aminoácido. Este valor se obtiene de la probabilidad de encontrar un triplete unido a un aminoácido (Px) con respecto a los otro 19 aminoácidos (Nx). El requisito fundamental es que el aminoácido se encuentre a 5Å del triplete, por eso no todas las uniones fueron consideradas. 

Por ejemplo: La fenilalanina (Phe ó F) tiene dos codones (UUU y UUC). PF será el número de veces que UUU ó UUC aparece a 5Å de Phe entre el número de total de tripletes NNN (donde "N" es cualquier triplete) que están a 5Å de Phe; mientras que NF será el número de veces que UUU ó UUC aparece a 5Å de cualquiera de los otros 19 aminoácidos entre el número total de tripletes NNN que están a 5Å de estos 19 aminoácidos. De esta manera, el valor de enriquecimiento de Phe  (EF) será la división de PF entre NF. Si el valor es mayor a uno, habrá una mayor probabilidad de encontrar una unión particular entre un aminoácido y un triplete, lo que indicaría una especificidad entre ellos, o sea un código genético. 

Luego, usando el método de Fisher (una prueba estadística) determinaron si los enriquecimientos eran significativos o no. Los investigadores encontraron once aminoácidos significativamente enriquecidos con sus anticodones y ocho con sus codones (códigos canónicos). Esto demuestra que determinados codones o anticodones son específicos (se encuentran muy cerca) a determinados aminoácidos en el ribosoma.

Pero fue esta interacción particular de tripletes con determinados aminoácidos productos del azar o ha sido como producto de alguna fuerza evolutiva que posteriormente dio origen al código genético que hoy conocemos. Para esto crearon un millón de secuencias de ARNr al azar y las reemplazaron por las secuencias de ARNr originales de los ribosomas y volvieron a hacer el estudio anterior. Luego compararon sus valores de enriquecimiento obtenidos con los valores de enriquecimiento de los 11 anticodones y 8 codones originales que tuvieron valores significativos. El 99.9555% de anticodones y 99.9716% de codones obtenidos al azar tuvieron valores de enriquecimiento promedio menores a los códigos canónicos (originales), esto demuestra que no pudo ser producto del azar. Sin embargo, al tomar en cuenta todos los aminoácidos, sólo el 54.5447% de los codones obtenidos al azar tuvieron valores de enriquecimiento menores a los originales, mientras que el 99.0225% de los anticodones si lo eran. Esto demuestra que hay una mayor correlación entre los aminoácidos con sus anticodones que con sus codones.


Entonces, ¿cómo evolucionó el código genético? En el código genético actual, de los 16 bloques que hay (donde solo el tercer nucleótido cambia), ocho bloques están compartido por dos aminoácidos o por aminoácidos con señales STOP y los otro ocho están conformados por aminoácidos únicos. Lo que creen los investigadores es que al comienzo, cada bloque correspondía para un aminoácido. 

Para corroborar esta hipótesis, aquellos bloques que codifican para dos aminoácidos fueron extendidos para que sólo codifiquen para un aminoácido y volvieron a determinar los valores de enriquecimiento. En este caso Leu, Ile, His y Lys aumentaron considerablemente su valor de enriquecimiento en el ribosoma, mientras que los Phe, Met, Gln y Asn no. Esto sugiere que en el código genético primitivo Leu, Ile, His y Lys también ocupaban un bloque entero. Además, los códigos al azar con altos valores de enriquecimiento disminuyeron, tanto en Leu, Ile, His y Lys (~50%) como en Met, Gln y Asn (~10%). Entonces hay evidencia para decir que Met capturó el codón AUG de Ile, considerado como la captura de codón clave en la evolución del código genético.

Según estos datos podemos sugerir que la formación y evolución del código genético se dio en dos partes. La primera se formó un código genético para los primeros aminoácidos que pudieron haber estado en la tierra primitiva según el experimento de Miller & Urey (1979) y luego se añadieron los nuevos aminoácidos. Sin embargo, que aminoácidos fueron los primordiales y cuales se fueron añadiendo posteriormente aúne s tema de debate. Lo que si se puede inferir de este estudio es el orden temporal en que se dio la interacción anticodón-aminoácido tuvo lugar.

Referencia:

ResearchBlogging.orgJohnson, D., & Wang, L. (2010). Imprints of the genetic code in the ribosome Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1000704107


Explicación más sencilla:
http://cienciafacil.lamula.pe/?p=22#content

Comentarios

  1. COMO SE MANTUVIERON LOS PRIMEROS AMINOACIDOS QUE "PUDIERON" HABER ESTADO EN LA TIERRA PRIMITIVA EL TIEMPO NECESARIO PARA PERMITIR LA FORMACION DE UN CODIGO GENETICO?

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  2. 3. ¿De qué se piensa estaba hecho el código genético de los primeros organismos vivos y porque?

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