Del gen a la proteína
Un gen es un tramo de ADN cuya secuencia de bases define una proteína. La célula no lee el ADN directamente para fabricar la proteína. Primero copia el gen en ARN mensajero (transcripción), y luego los ribosomas leen el ARNm para unir los aminoácidos en el orden correcto (traducción). Este flujo de información, del ADN al ARN y a la proteína, se suele llamar el dogma central de la biología molecular.
Transcripción
La ARN polimerasa se une a un promotor delante del gen, desenrolla un tramo corto de la doble hélice (la burbuja de transcripción, de unos 14 pares de bases) y avanza por ella. Lee una de las cadenas, la cadena molde, y construye una cadena de ARN complementaria, añadiendo nucleótidos al extremo 3′ del ARN, que crece así de 5′ a 3′. Por tanto, el ARN tiene la misma secuencia que la otra cadena de ADN, la cadena codificante, con uracilo (U) en lugar de timina (T). Detrás de la polimerasa, el ADN se vuelve a cerrar.
En las bacterias, el ARNm se usa enseguida. En los eucariotas se procesa primero: se añade un casquete al extremo 5′ y una cola de poli-A al 3′, y se cortan los intrones (corte y empalme) antes de que el ARNm salga del núcleo.
El código genético
El ARNm se lee de tres en tres bases. Cada triplete es un codón. Cuatro bases dan 4³ = 64 codones: 61 codifican los 20 aminoácidos y 3 (UAA, UAG, UGA) significan parada. AUG codifica la metionina y además marca el inicio. La mayoría de los aminoácidos tienen varios codones, que suelen diferir en la tercera base, así que el código es redundante (degenerado). Casi todos los seres vivos usan el mismo código, con pequeñas excepciones.
Traducción
- Iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm y busca el codón de inicio AUG; el primer ARN de transferencia, cargado con metionina, se empareja con él, y se une la subunidad grande.
- Elongación: un ARNt cuyo anticodón se empareja con el siguiente codón trae el siguiente aminoácido; el ribosoma lo une a la cadena en crecimiento con un enlace peptídico y avanza un codón. Los ribosomas bacterianos añaden unos 15 a 20 aminoácidos por segundo; los nuestros, unos 5.
- Terminación: en un codón de parada no encaja ningún ARNt; en su lugar se une un factor de liberación, la cadena terminada se suelta y el ribosoma se separa.
El orden de los codones fija el orden de los aminoácidos, y esa secuencia decide cómo se pliega la cadena en una proteína funcional.
Un ejemplo resuelto: la β-globina
El gen humano de la β-globina (HBB), la mitad de la molécula de hemoglobina, empieza así:
ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …
- ARNm: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
- Codones: AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys.
- Proteína: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…, o MVHLTPEEK en código de una letra.
Mutaciones
- Silenciosa: una sustitución que convierte un codón en otro del mismo aminoácido. GTG a GTC en el codón 2 sigue dando valina.
- De cambio de sentido: el codón nuevo codifica otro aminoácido. En la anemia falciforme el codón 7 pasa de GAG a GTG, así que el glutamato se convierte en valina. La valina, hidrófoba, hace que las moléculas de hemoglobina se peguen en fibras cuando falta oxígeno y deforma los glóbulos rojos en hoces. Algunos cambios de sentido son inofensivos; otros destruyen la proteína.
- Sin sentido: el codón se convierte en una parada. Cambiar la base 19 de HBB de G a T convierte GAG en TAG, y la proteína se detiene tras seis aminoácidos. Mutaciones como esta causan la β-talasemia.
- Desplazamiento del marco: insertar o eliminar un número de bases que no es múltiplo de tres desplaza el marco de lectura, así que todos los codones siguientes cambian. Eliminar la base 20 de HBB da MVHLTPGRSLPLLPCGAR y luego una parada: una proteína corta e inútil. Insertar o eliminar tres bases añade o quita un aminoácido sin desplazamiento, como en la mutación más común de la fibrosis quística, que elimina una fenilalanina.
Cómo usar la simulación
En el Simulador de síntesis de proteínas: transcripción y traducción, cosas que probar:
- Mira cómo se transcribe y luego se traduce la β-globina; compara el ARNm de los resultados con la cadena codificante.
- Elige Sustitución en la base 20 por T: la mutación falciforme, que aparece como cambio de sentido E7V.
- Base 19 a T: sin sentido. Base 6 a C: silenciosa.
- Deleción en la base 20: desplazamiento del marco, y la gráfica de hidropatía se revuelve después del codón 7.
- El ejemplo corto tiene su codón de inicio tras unas pocas bases: el ribosoma se las salta y se detiene en TGA.
- Escribe una secuencia sin ATG: no se fabrica ninguna proteína.
Qué supone el modelo
- El código genético estándar, leído desde el primer ATG de la secuencia, en ese marco, hasta el primer codón de parada o el final de la secuencia.
- Una secuencia codificante sin intrones: lo que escribes se trata como la secuencia del ARNm, sin promotor, corte y empalme, casquete ni cola.
- Una polimerasa y un ribosoma cada vez, a velocidades fijas; los genes reales los transcriben muchas polimerasas y cada ARNm lo leen muchos ribosomas a la vez (un polisoma).
- Masas a partir de masas medias de residuo más una molécula de agua, sin modificaciones; la metionina inicial se conserva.
- Hidropatía según la escala de Kyte-Doolittle, promediada en ventanas de cinco residuos.
Casos límite
- Sin codón de inicio: no hay proteína. Una mutación en el propio ATG pierde el inicio; la simulación traduce entonces desde el siguiente ATG, que puede estar en otro marco.
- Sin codón de parada: el ribosoma se sale del final de la secuencia. En las células, estos ARNm «sin parada» se reconocen y se destruyen.
- Las mutaciones antes del inicio o después de la parada dejan la proteína igual, aunque en los genes reales pueden seguir afectando a cuánta se fabrica.
- Una sustitución por la misma base no cambia nada.
Dónde deja de valer el modelo
- Silenciosa no siempre es inofensiva. Los cambios sinónimos pueden alterar señales de corte y empalme, el plegamiento del ARNm o la rapidez con que se lee un codón, y así cambiar cuánta proteína se fabrica o cómo se pliega.
- Degradación mediada por mutaciones sin sentido. En los eucariotas, un ARNm con una parada prematura suele destruirse antes de que se fabrique mucha proteína truncada.
- Los codones de inicio en su contexto. Los ribosomas de los eucariotas recorren el ARNm desde el casquete y prefieren un AUG en buen contexto (la secuencia de Kozak, como GCCACCAUGG); las bacterias usan una secuencia de Shine-Dalgarno justo antes. No siempre se usa el primer ATG.
- Después de la traducción. La metionina inicial se elimina a menudo, y por eso la mutación falciforme se llama Glu6Val; las proteínas se cortan, se pliegan con ayuda de chaperonas y se decoran con azúcares y fosfatos.
- Otros códigos. Las mitocondrias y algunos microbios leen unos pocos codones de otra forma; en las mitocondrias humanas, UGA codifica triptófano.
Herramientas relacionadas
Traduce cualquier secuencia en los seis marcos con Traducir ADN a proteína, busca marcos abiertos de lectura con el Buscador de ORF, haz mutaciones puntuales con Mutar ADN y pesa el resultado con Peso molecular de proteína. Cómo traducir ADN a proteína recorre el código a mano, y el Visor de plegamiento de ADN y ARN muestra la molécula en sí.