jueves, 4 de junio de 2015

Cómo se inventó el código genético

Como se sabe, el código genético es la representación de la secuencia de aminoácidos de las proteínas por medio de cadenas de ADN. Ahora bien: en las proteínas de los seres vivos intervienen 20 aminoácidos diferentes. Sin embargo, sólo hay cuatro nucleótidos distintos en el ADN. ¿Se pueden representar 20 aminoácidos con sólo cuatro bases?
Con codones de dos nucleótidos sólo se podrían representar 16 aminoácidos. Como son 20, dos nucleótidos no son suficientes: hacen falta tres. Y en efecto, eso es lo que ha hecho la vida, representar cada aminoácido por codones de tres nucleótidos. Lo que pasa es que con tres nucleótidos se podrían representar 64 aminoácidos diferentes y sólo hay 20 (21, teniendo en cuenta que hay codones que representan el final de la cadena). ¿Qué solución hay? Evidentemente, algunos aminoácidos deben estar representados por varios codones (esto es lo que se llama degeneración del código genético).
Los cuatro nucleótidos del ADN se componen de un esqueleto de azúcar y ácido fosfórico con el que se combina una base nitrogenada.
En el ADN hay cuatro bases diferentes:
  • Dos purinas (P): adenina (A) y guanina (G).
  • Dos pirimidinas (Q): citosina (C) y timina (T).
La tabla siguiente muestra el código genético:

Codón
Amin.
Codón
Amin.
Codón
Amin.
Codón
Amin.
AAP
Lisina
GAP
Ac.glutámico
CAP
Glutamina
TAP
Fin
AAQ
Asparagina
GAQ
Ac.aspártico
CAQ
Histidina
TAQ
Tirosina
AGP
Arginina
GGP
Glicina
CGP
Arginina
TGP
Fin
Triptófano
AGQ
Serina
GGQ
Glicina
CGQ
Arginina
TGQ
Cisteína
ACP
Treonina
GCP
Alanina
CCP
Prolina
TCP
Serina
ACQ
Treonina
GCQ
Alanina
CCQ
Prolina
TCQ
Serina
ATP
Isoleucina
Metionina
GTP
Valina
CTP
Leucina
TTP
Leucina
ATQ
Isoleucina
GTQ
Valina
CTQ
Leucina
TTQ
Fenilalanina

En la tabla aparecen 32 casillas en lugar de 64, porque la tercera base sólo está especificada según el grupo al que pertenece: purina (P) o pirimidina (Q). Puede observarse que en varios casos la tercera base del codón se ignora por completo (el aminoácido queda definido sólo por las dos primeras), y que en casi todos los demás casos sólo se distingue si la tercera base es una purina o una pirimidina. Sólo en dos casillas (TGP y ATP) se tiene en cuenta la base concreta que aparece en tercer lugar en el codón (adenina o guanina) y en los dos casos se trata de una purina. Esos casos son:
TGA: Fin
TGG: Triptófano
ATA: Isoleucina
ATG: Metionina y principio de cadena
Árbol de la vida
Aunque el código genético es casi idéntico para todos los seres vivos, se han descubierto algunas variantes. Por ejemplo, el ADN de las mitocondrias (corpúsculos celulares de los eucariotas) utiliza un código ligeramente diferente. También hay pequeños cambios en algunas especies, como Candida cylindracea, Acetabularia y Mycoplasma. Pero el hecho de que el código sea casi idéntico para todos se toma como indicio de que su origen fue único.
Algunos investigadores piensan que el código genético es mejorable, que se podría diseñar uno mejor. Otros no están de acuerdo. Se dice que este código minimiza los efectos deletéreos de las mutaciones, pues una mutación en la tercera base pocas veces tendrá algún efecto sobre la proteína representada por el gen.
No se sabe cómo se originó el código genético. Actualmente, las teorías al respecto se dividen en dos grupos:
a)      Propuestas top-down: se apoyan en el comportamiento global para deducir los detalles, estudiando las semejanzas químicas de los aminoácidos que representan los distintos codones; la complementariedad de los codones; los posibles efectos de cambios en el código; y el análisis de la redundancia.
b)      Propuestas bottom-up: se apoyan en las propiedades de los elementos constituyentes para deducir las propiedades del sistema global, estudiando cómo pudieron originarse las asociaciones entre los codones y los aminoácidos que representan; si dichas asociaciones son accidentales o tenían que surgir necesariamente; y cómo afecta al asunto la hipótesis de que el ARN podría haber desempeñado al principio los dos papeles: codificador y enzima (ribozimas).


Manuel Alfonseca

12 comentarios:

  1. Hola Alfonseca: Solo tengo una pequeña observación que añadir a este sintético y esclarecedor resumen. El hecho de que el código genético actual parezca universal, puede ser debido a que su origen es común, como tu dices, o también a que tuviera un origen más heterogéneo pero que producto de un proceso de selección natural, ciertos códigos fueran siendo favorecidos y otros fueran cayendo en desuso y las especies que disponían de ellos fueran desapareciendo paulatinamente hasta desaparecer todas las formas de vida genéticamente menos eficientes. O sea, que puede haber habido un largo proceso de codificación y estandarización genética, probablemente previo al surgimiento de los organismos eucariotas y pluricelulares.

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    1. Lo que dices es cierto, pero en tal caso habría una pequeña probabilidad de que alguno de los códigos alternativos iniciales hubiese dejado descendencia, por pequeña que fuese. Sin embargo, nunca se ha encontrado ninguna, y esa es la causa de que se prefiera la teoría del origen único, como digo en el artículo.

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    2. Hola Manuel.

      Existen muchos procesos que permiten la transferencia genética e incluso de procesos bioquímicos que permiten transferir información entre distintas células (sobre todo en el caso bacteriano). Estos procesos de compartición permiten que codificaciones ligeramente más eficientes se propaguen de forma muy rápida. Estos procesos son suficientes como para afirmar que el origen único necesita otros argumentos y estos no son suficientes.

      El problema es que en todo el artículo sólo consideras la transferencia genética a la descendencia y no los procesos trasversales.

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    3. Buena pregunta. Pero si hubiese habido más de un código genético, los procesos de transferencia transversal serían imposibles entre seres vivos con códigos diferentes, por lo que no veo que la situación cambie.

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    4. No tiene por qué ser imposible si los procesos bioquímicos para la transmisión son compatibles y los de transcripción lo suficientemente similares. Es algo que no podemos ni suponer ni, con los conocimientos y la tecnología actual probar ni negar.

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    5. Supongamos que existieran dos códigos genéticos diferentes, lo que puede querer decir lo siguiente:
      1. Que en vez de ADN se utiliza otra cosa para almacenar la información
      2. Que el número de bases por codón es diferente
      3. Que manteniendo codones de tres bases con los mismos nucleótidos, el código es diferente, o sea, que ACC no representa la treonina, sino otro aminoácido, y así con los demás.
      En el primer caso, después de una tranferencia transversal, el organismo receptor no entendería nada del material genético recibido.
      En el segundo caso, cada gen recibido no podría ser transcrito por los ribosomas del receptor, que estarían adaptados a otro número de bases por codón.
      En el tercero sí podría haber transcripción, pero el gen recibido daría lugar a una proteína diferente. Si ese gen era favorable para el donante, no tendría por qué serlo para el receptor.
      Por todas esas razones, me parece justificada la suposición de casi todos los investigadores sobre que "el hecho de que el código sea casi idéntico para todos se toma como indicio de que su origen fue único", como digo en el artículo.

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    6. Vamos a ver, el código genético sufre un proceso de transcripción elevadamente complejo. Tanto es así que la representación cambia una de las bases nitrogenadas en el proceso, cambiando la Timina en Uracilo. De hecho la representación se transforma a lo largo del proceso de transcripción. De igual forma cuando se realiza la síntesis protéica a partir del ARNhn se ha demostrado que dependiendo del tejido en el que se realiza, los resultados pueden ser distintos. Por ejemplo en el tiroides y en el hipotálamo el mismo ARNhn da lugar al péptido de calcitonina en el tiroides y al péptido CGRP en el hipotálamo.

      La cuestión es que la situación es tan compleja que no hay realmente nada que impida que todos estos procesos se hayan realizado a partir de múltiples fuentes sin dejar nada más que un resultado prácticamente único.

      Los resultados convergentes en los procesos evolutivos son comunes y nada impide que el resultado sea una inmensa convergencia.

      Creo Manuel que la visión que aportas del código genético y su transcripción como el de una máquina de estados incluye la conclusión. Y no dudo que no sea una máquina de estados, pero en ese caso es mucho más compleja de lo que presentas.

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  2. Hola Elam, me adhiero a tu forma de pensar aunque reconozco que la de Alfonseca es también muy buena. Como yo no puedo apenas competir, me voy a ir por la tangente con una analogía que no sé si será aceptablemente válida. Ya que el código genético soporta y transfiere información y siendo nuestras lenguas orales y escritas variantes físicas para la trasmisión de información, resulta que en muchos lugares del mundo aparecieron diversos dialectos, primero con unas pocas y simples palabras y luego se fueron ampliando, cuando 2 grupos semi-nómadas de lenguas diferentes coincidían enriquecían mutuamente su vocabulario al tiempo que diversificaban sus lenguas y también ocurría un proceso de eliminación por desuso y de selección por unificación. Hoy día todavía hay muchas lenguas diferentes, pero creo que las desaparecidas pueden ser muchas más, y también creo que con el tiempo y la mejoría de la comunicación y el mayor intercambio cultural, acabará imponiéndose una lengua principal (mezcla-híbrida y heredera de todas las demás). Lo que quiero decir es que creo que todos los códigos evolucionan tanto por competición como por integración y con el tiempo, la tendencia es a unificarse en general, aunque siempre van a seguir produciéndose cambios o mutaciones locales que a su vez pueden desaparecer o difundirse y generalizarse. El tema como vosotros decís, es muy Complejo, pero interesante e importante.

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    1. Gracias, Gustavo y Elam, por vuestros comentarios. Efectivamente, la cuestión es muy compleja, y eso es precisamene lo que yo quiero dar a entender con estos artículos. Respecto al origen único o no del código genético, aquí hay una cita de uno de los biólogos evolucionistas más importantes de los últimos tiempos:
      "The near-university of the code argues for a unique origin. The occasional variations show that codons assignments ca n change, albeit rarely. In the early evolution of the code, such changes may have been commoner." ("The major transitions in evolution", John Maynard Smith & Eörs Szatmáry, Oxford University Press, 1995, p. 83).

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    2. Bueno, me parece que los autores de texto que citas cometen un grave error epistemológico y es inferir sin pruebas una causa a partir de un efecto medido miles de millones de años después. Si no existe una imposibilidad física, yo dudaría fuertemente de una afirmación de ese tipo. Es más, suelo dudar de este tipo de afirmaciones que se realizan en un entorno de autoridad porque a lo largo de la historia han demostrado que el que sean ciertas o sean falsas es aproximadamente equiprobable (al menos esa es mi impresión y la verdad es que también sería interesante estudiarlo aunque tiene el problema de que las afirmaciones erradas tienden a perderse salvo que sean fallos clamorosos). Por ese motivo yo me quedo en la duda, no me inclino realmente en ninguna dirección y espero que los especialistas me lo puedan aclarar antes de que muera.

      Por lo demás, agradecer este extraordinario artículo de divulgación. Creo que la buena divulgación también debe crear polémica para que los lectores apliquen su razonamiento crítico, busquen datos nuevos y distintos ... y no sean meros receptores pasivos de información.

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    3. Gracias por tu buena crítica. De hecho, eso es lo que intento hacer con mis artículos, como habrás notado si has leído algún otro: hacer ver al lector que no lo sabemos todo, que hay muchísimas cosas que aún están hundidas en la penumbra del desconocer, frente a la divulagción típica, que suele dar a entender todo lo contrario.

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  3. Como en todo la naturaleza se rige por unos principios universales...a saber e investigar.atentament

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