“in vitro” capaz de sintetizar proteínas se obtienen los polipéptidos
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5.1.- Suponga que en otro planeta de nuestra galaxia se han encontrado proteínas que contienen 125 aminoácidos diferentes; ácidos nucleicos con cinco bases nitrogenadas distintas, un código genético que al igual que el nuestro está organizado en tripletes: a) ¿Son suficientes 5 nucleótidos distintos para codificar 125 aminoácidos diferentes? b) ¿Podría existir un mecanismo de traducción semejante al de nuestro planeta? c) ¿Podrían la iniciación y la finalización de la traducción ser semejantes a las de nuestro planeta? 5.2.- Dada la siguiente secuencia de nucleótidos de un segmento de ADN que se traduce a un polipéptido de seis aminoácidos y empleando el código genético: ADN 3’ T A C G A T A A T G G C C C T T T T A T C 5’ ADN 5’ A T G C T A T T A C C G G G A A A A T A G 3’ a) Deduzca la secuencia de ribonucleótidos en el ARN mensajero. b) Escriba la secuencia de aminoácidos del polipéptido producido. 5.3.- Si se emplean los siguientes mensajeros sintéticos de secuencia conocida en un sistema acelular de traducción “in vitro” capaz de sintetizar proteínas se obtienen los polipéptidos indicados en la siguiente tabla: Mensajero sintético Secuencia del polipéptido sintetizado NH2-cys-val-cys-val-cys-val-... Poli UG (...UGUGUGUGUG...) NH2-val-cys-val-cys-val-cys-... Poli GUGG (...GUGGGUGGGUGGGUGG...) NH2-val-gly-gly-trp-val-gly-gly-trp-val-gly-glytrp-... NH2-gly-gly-trp-val-gly-gly-trp-val-gly-gly-trpval-... NH2-gly-trp-val-gly-gly-trp-val-gly-gly-trp-valgly-... NH2-trp-val-gly-gly-trp-val-gly-gly-trp-val-glygly-... NH2-val-cys-leu-phe-val-cys-leu-phe-val-cysleu-phe-... Poli UUGU (...UUGUUUGUUUGUUUGU...) NH2-cys-leu-phe-val-cys-leu-phe-val-cys-leuphe-val-... NH2-leu-phe-val-cys-leu-phe-val-cys-leu-pheval-cys-... NH2-phe-val-cys-leu-phe-val-cys-leu-phe-valcys-leu-... cys = cisteína, gly = glicina, leu = leucina, phe = fenilalanina, trp = triptófano, val = valina Téngase en cuenta que cuando se está descifrando el código genético no se sabe si este es o no degenerado. a) Indique los tripletes que contiene cada mensajero sintético. b) ¿Por qué los polipéptidos sintetizados comienzan en cada caso por un aminoácido distinto? c) ¿Qué codones podrían ser total o parcialmente descifrados a partir de estos datos? d) ¿Indican estos resultados que el código genético es degenerado? e) Diga qué aminoácidos, y en que proporciones, se incorporarán a los polipéptidos formados en un medio de traducción “in vitro” en el que se emplea el copolímero sintetizado al azar por la polirribonucleótido fosforilasa en un medio que contiene U y G en las proporciones 4U:1G. 5.4.- Si se utilizan como mensajeros sintéticos de secuencia conocida poli- AG, poli-AGA y poli-AGAC en sistemas de traducción “in vitro” se sintetizan los polipéptidos indicados en la siguiente tabla. Tenga en cuenta que cuando se está descifrando el código genético no se sabe si es o no degenerado, y en el supuesto de que sea degenerado, tampoco se sabe qué tipo de degeneración presenta. Mensajero sintético Secuencia Polipéptido Sintetizado Poli AG (...AGAGAGAG...) ...-arg-glu-arg-glu-arg-glu-arg-glu-.. Poli-arg (...-arg-arg-arg-arg-arg-...) Poli AGA (...AGAAGAAGA...) Poli-glu (...-glu-glu-glu-glu-glu-...) Poli-lys (...-lys-lys-lys-lys-lys-...) Poli AGAC (...AGACAGACAGAC...) ...-gln-thr-asp-arg-gln-thr-asp-arg-gln-thrasp-arg-... arg = arginina, asp = aspártico, glu = glutámico, gln = glutamina, lys = lisina, thr = treonina a) ¿Qué tripletes distintos contiene cada mensajero sintético? b) ¿Qué aminoácidos podrían ser total o parcialmente descifrados a partir de estos datos? c) ¿Por qué se sintetizan tres polipéptidos distintos con el Poli AGA? d) ¿Indican estos resultados que el código genético es degenerado? a) ¿Son suficientes 5 bases nitrogenadas distintas para codificar 216 aminoácidos diferentes? Si cada base nitrogenada llevara información para un aminoácido, con 5 bases nitrogenadas distintas solamente podríamos codificar 5 aminoácidos diferentes. Si cada dos bases nitrogenadas codifican para un aminoácido, teniendo en cuenta que existen 5 bases diferentes, tendríamos que calcular las variaciones con repetición de 5 elementos tomados de dos en dos (VR 5,2 = 52 = 25) . Se trata de variaciones, ya que el orden tiene importancia, el dinucleótido AB codifica para un aminoácido diferente al BA, y son con repetición porque puede estar dos veces el mismo nucleótido. Por tanto, las variaciones con repetición de 5 elementos (bases nitrogenadas) tomadas de dos en dos son 52 = 25, es decir, si cada dos bases llevan información para un aminoácido solamente podríamos codificar 25 aminoácidos diferentes. En el caso de que cada tres bases nitrogenadas codifiquen para un aminoácido, tendríamos que calcular las variaciones con repetición de 5 elementos tomados de tres en tres ,VR 5,3 = 53 = 125. Por tanto, en este caso podríamos codificar 125 aminoácidos diferentes. Por consiguiente, si el código de este planeta está organizado en tripletes o codones, y tres bases codifican para un aminoácido, como en nuestro planeta, 5 nucleótidos serían suficientes para codificar los 125 aminoácidos distinto de este planeta . b) ¿Podría existir un mecanismo de traducción semejante al de nuestro planeta? El mecanismo de traducción sería esencialmente semejante a la de nuestro planeta, podría realizarse en los ribosomas y los ARN-t (transferentes) transportarían los aminoácidos hasta el mensajero. Sin embargo, existiría una diferencia fundamental, el código genético de este planeta no sería degenerado, de manera que un aminoácido vendría determinado por un solo triplete. Por tanto, cualquier cambio en la secuencia de bases del ADN se traduciría en un cambio en la secuencia de aminoácidos de las proteínas. Este código genético carecería de un sistema de amortiguación del efecto de las mutaciones. c) ¿Cree usted que la iniciación y la finalización de la traducción podrían ser semejantes? La iniciación sería semejante, ya que las proteínas podrían comenzar siempre por el mismo aminoácido y la traducción empezar siempre por el mismo triplete, tal y como sucede en el código de la Tierra. Sin embargo, el sistema de terminación de la traducción sería diferente, ya que en la Tierra existen codones sin sentido que no llevan información para ningún aminoácido, estos codones sin sentido son las señales que se emplean para terminar la traducción. En este planeta, no existen codones de este tipo, ya que hay 125 tripletes diferentes y 125 aminoácidos distintos, todos los tripletes llevan información para un aminoácido. Por tanto, la terminación de la traducción debería realizarse de forma distinta a la Tierra, por ejemplo, las proteínas terminarían siempre por el mismo aminoácido. ADN 3’ T A C G A T A A T G G C C C T T T T A T C 5’ ADN 5’ A T G C T A T T A C C G G G A A A A T A G 3’ a) Deduzca la secuencia de ribonucleótidos en el ARN mensajero. Si obtenemos los mensajeros correspondientes a ambas hélices, teniendo en cuenta que el ARN-m se sintetiza en la dirección 5’ ® 3’ y que la A del ADN aparea con el U del ARN, obtenemos las siguientes secuencias : ARN 5’ A U G C U A U U A C C G G G A A A A U A G 3’ Ý ADN 3’ T A C G A T A A T G G C C C T T T T A T C 5’ ADN 5’ A T G C T A T T A C C G G G A A A A T A G 3’ ARN 3’ U A C G A U A A U G G C C C U U U U A U C 5’ b) Escriba la secuencia de aminoácidos del polipéptido producido. Para escribir la secuencia de aminoácidos del polipéptido producido es necesario recordar que el ARN-m se traduce comenzando por el extremo 5’ y terminando por el extremo 3’, dirección 5’® 3’. Al extremo 5’ le corresponde el extremo amino terminal del polipéptido (NH2) y al extremo 3’ le corresponde el extremo carboxilo terminal del polipéptido (COOH). Si obtenemos la secuencia de aminoácidos correspondiente a cada uno de los dos posibles ARN-m empleando el código genético, los resultados son los siguientes : ARN-m 5’ A U G - C U A - U U A - C C G - G G A - A A A - U A G 3’ Polipéptido NH2 - met lys - COOH ARN-m leu - leu - pro - 3’ U A C - G A U - A A U - G G C - C C U - U U U - A U C 5’ Polipéptido COOH - phe - gly - arg - ser - leu - NH2 De los dos posibles polipéptidos, uno de ellos tiene seis aminoácidos y comienza por metionina (met), correspondiéndole a este aminoácido el triplete AUG, triplete de iniciación de la traducción. Sin embargo, el poliéptido obtenido a partir del otro mensajero es más corto, tiene solamente cuatro aminácidos, y no comienza por metionina sino por leucina (leu) correspondiéndole un triplete (CUA) que no es de iniciación. Este último mensajero contiene dos tripletes de FIN seguidos (UAA y UAG). Por consiguiente el mensajero correcto es el primero : ARN-m 5’ A U G - C U A - U U A - C C G - G G A - A A A - U A G 3’ Polipéptido NH2 - met lys - COOH leu - leu - pro - gly - Según este resultado la hélice codificadora sería la que se toma como molde para sintetizar el ARN-m que da lugar al polipéptido de seis aminoácidos, es decir, la hélice que se transcribe y la hélice estabilizadora sería la complementaria, la que no se transcribe: ADN 3’ T A C G A T A A T G G C C C T T T T A T C 5’ Hélice codificadora ADN 5’ A T G C T A T T A C C G G G A A A A T A G 3’ Hélice estabilizadora a) Indique los tripletes que contiene cada mensajero sintético. El mensajero sintético poli UG (...UGU-GUG-UGU-G...) contiene dos tripletes diferentes : UGU y GUG que se alternan en su secuencia. El mensajero sintético poli GUGG (...GUG-GGU-GGG-UGG-GUG-G...) muestra cuatro codones diferentes que se repiten siempre en el mismo orden : GUG, GGU, GGG y UGG y el mensajero poli UUGU (...UUG-UUU-GUU-UGUUUG-U...) tiene también 4 tripletes diferentes que se repiten siempre en el mismo orden : UUG, UUU, GUU y UGU. b) ¿Por qué los polipéptidos sintetizados comienzan en cada caso por un aminoácido distinto? En los sistemas de traducción “in vitro” si no existe un triplete de iniciación (AUG) la síntesis del polipéptido puede comenzar por cualquier base nitrogenada. Por esta causa los polipéptidos puede comenzar en el caso de poli-UG por dos aminoácidos distintos y en el poli-GUGG y poli-UUGU por cuatro aminoácidos distintos, tantos como bases tiene la unidad que se repite. c) ¿Qué codones podrían ser total o parcialmente descifrados a partir de estos datos? Cuando se estaba descifrando el código, no se sabía si era o no degenerado y tampoco se conocía el tipo de degeneración. Por tanto, cuando se resuelve un problema de desciframiento del código genético no se deben asignar aminoácidos a tripletes basándonos en la degeneración de la 3ª base. Para resolver este tipo de problemas, tenemos que comparar los tripletes de cada mensajero sintético y los aminoácidos que aparecen en los polipéptidos correspondientes, de manera que debemos encontrar que dos mensajeros diferentes tengan un triplete común y los polipéptidos sintetizados muestren también un sólo aminoácido común. Si aparece un triplete común y dos aminoácidos comunes no es posible resolver sin ambigüedades. Si comparamos el poli-UG y el poli-GUGG encontramos un solo triplete común, GUG, y un solo aminoácido común, valina (val). Por tanto, GUG codifica para val. Sin embargo, si comparamos poli-UG y poli-UUGU encontramos un solo triplete común, UGU, y dos aminoácidos comunes, valina (val) y cisteína (cys). En este último, sólo con esta comparación no es posible saber que aminoácido ( val o cys) corresponde al triplete UGU. En el esquema siguiente se indica el razonamiento seguido para descifrarlos tripletes : Poli UG Poli GUGG -UGU-GUG-UGU-GUG-UGUUGG-GUG-GGU-GGG-UGG- -GUG-GGU-GGG-UGG-GUG-GGU-GGG- - cys - va l - cys - val - cys - trp - val - gly - gly - trp - - val - gly - gly - trp - val - gly - gly Poli UUGU -UUG-UUU-GUU-UGU-UUG-UUU-GUU-UGU-UUG-UUU-GUU-UGU-UUGUUU-GUU-UGU- leu - phe - val - cys - leu - phe - val - cys - leu - phe - val - cys leu - phe - val - cys En la tabla siguiente se indican los tripletes de cada mensajero y los aminoácidos de los polipéptidos correspondientes : Mensajero sintético Triplete 5’ Aminoácido 3’ UGU cys GUG val GUG val GGU gly GGG gly UGG trp UUG leu UUU phe GUU val UGU cys Poli-UG Poli-GUGG Poli-UUGU Teniendo en cuenta que, ya hemos deducido que GUG es val, en el poli-UG, el triplete que queda, UGU, tiene que ser, por eliminación cisteína (cys). En el mensajero poli-GUGG, siempre se repiten los mimos cuatro tripletes en el mismo orden y la misma secuencia de cuatro aminoácidos se repite en el polipéptido correspondiente. Sabemos que GUG corresponde a val, el siguiente triplete a GUG siempre es GGU y en el polipéptido detrás de val siempre está glicocola (gly), por tanto, GGU codifica para gly. Después de gly va siempre otra glicocola (gly) y en el mensajero después de GGU siempre está el triplete GGG, de manera que GGG debe codificar para gly. Por último, a continuación de la segunda glicocola (gly) va siempre triptófano (trp) y el codón GGG del mensajero siempre va seguido del triplete UGG, por consiguiente UGG codifica para triptófano (trp).Cuando hemos analizado el mensajero poli-UG hemos deducido que el triplete UGU codifica para cisteína (cys). Con este dato podemos abordar el desciframiento del mensajero poli-UUGU, ya que este triplete UGU y el aminoácido por el codificado (cys) aparecen en el polipéptido sintetizado. Inmediatamente detrás de cys va siempre leucina (leu) y a continuación de UGU encontramos siempre el triplete UUG, por tanto, UUG codifica para leu. Después de leu encontramos phe (fenilalanina) y después de UUG siempre está UUU, por consiguiente, UUU determina phe. d) ¿Indican estos resultados que el código genético es degenerado? Todos los tripletes han sido totalmente descifrados y los aminoácidos valina (val) y glicocola (gly) están codificados cada uno de ellos por dos tripletes diferentes. Por tanto, los resultados obtenidos indican que el código genético es degenerado. Además, los tripletes para gly son GGG y GGU, las dos primeras bases son comunes y varía la tercera base. En el caso del aminoácido valina (val) los tripletes son GUG y GUU, de nuevo las dos primeras bases son comunes y varía la tercera. Estos resultados sugieren que la degeneración afecta fundamentalmente a la 3ª base de cada triplete, siendo las dos primeras constantes. e) Diga qué aminoácidos, y en que proporciones, se incorporarán a los polipéptidos formados en un medio de traducción “in vitro” en el que se emplea el copolímero sintetizado al azar por la polirribonucleótido fosforilasa en un medio que contiene U y G en las proporciones 4U:1G. La polirribonucleótido fosforilasa es una enzima que sintetiza ARN a partir de ribonucleótidos libres y sin necesidad de copiar un molde, simplemente va tomando ribonucleótidos al azar del medio y los va uniendo. La dirección de síntesis es 5’ 3’. Por tanto, si en el medio sólo existen G y U, el ARN que se formará sólo contendrá estas dos bases, si además la G está en un 80% y el uracilo en un 20%, la proporción en la que se encuentran ambas bases en el medio es de 4 guaninas por cada uracilo (4G :1U), la probabilidad de que el enzima tome una guanina del medio sería 4/5 y la de que tome un U sería 1/5. Además cada vez que el enzima toma un ribonucleótido del medio es un suceso independiente del ribonucleótido que haya tomado previamente. Por consiguiente, en el ARN podrán aparecer 8 tipos de tripletes diferentes construidos con G y U. Los ocho tripletes del ARN han sido descifrados en los apartados anteriores del problema, por tanto, en la siguiente tabla indicamos los tripletes distintos, sus frecuencias y los aminoácidos para los que codifican : Triplete 5’ 3’ Aminoácido Probabilidad Proporción relativa UUU UUG UGU GUU UGG GUG GGU GGG phe leu cys val trp val gly gly 4/5 x 4/5 x 4/5 = 64/152 4/5 x 4/5 x 1/5 = 16/125 4/5 x 1/5 x 4/5 = 16/125 1/5 x 4/5 x 4/5 = 16/125 4/5 x 1/5 x1/5 = 4/125 1/5 x 4/5 x 1/5 = 4/125 1/5 x 1/5 x 4/5 = 4/125 1/5 x 1/5 x 1/5 = 1/125 64 16 16 16 4 4 4 1 Por consiguiente, cada aminoácido aparecerá en el polipéptido sintetizado en la proporción indicada en la tabla. Es necesario fijarse en que gly está dos veces, por tanto, su proporción relativa será 4+1=5 y que algo semejante sucede con cys que también está codificada por dos tripletes, siendo su proporción relativa 16+4=20. a) ¿Qué tripletes distintos contiene cada mensajero sintético? El mensajero Poli AG (...AGA-GAG-AG...) contiene dos tripletes diferentes AGA y GAG. El mensajero Poli AGA (...AGA-AGA-AGA...) o (...A-GAA-GAAGA...) o (...AG-AAG-AAG-A...) dependiendo de la base por la que comience a traducirse presenta tres codones diferentes AGA, GAA y AAG. El Poli AGAC (...AGA-CAG-ACA-GAC-...) tiene cuatro tripletes diferentes que se repiten siempre en el mismo orden : AGA, CAG, ACA y GAC. b) ¿Qué aminoácidos podrían ser total o parcialmente descifrados a partir de estos datos? Para comenzar a descifrar hay que buscar en dos mensajeros diferentes un triplete común y un sólo aminoácido común en los polipéptidos sintetizados. En los tres mensajeros aparece un sólo triplete común (AGA)y un solo aminoácido común a los tres (arg). Por tanto, AGA codifica para arginina. En el poli AG el triplete que queda, GAG, por eliminación tiene que codificar para glutámico (glu). En el mensajero poli AGAC hay cuatro tripletes diferentes que se repiten siempre en el mismo orden y en el polipéptido correspondiente aparecen 4 aminoácidos que se repiten también en el mismo orden ; por tanto, sabiendo que AGA es arginina (arg), después de AGA siempre está CAG y después de arg siempre hay glutamina (gln), por consiguiente, CAG determina gln. Siguiendo a CAG tenemos ACA y a continuación de gln hay treonina (thr). Por último, después de ACA va GAC y después de treonina sigue aspártico (asp), de manera que GAC codifica para aspártico. En el poli AGA, el triplete AGA sabemos que es arg, pero los otros dos tripletes GAA y AAG, no podemos descifrarlos totalmente, uno de ellos corresponde a glutámico (glu) y el otro a lisina (lys), pero no es posible con los datos que tenemos, asignarles un triplete concreto a cada aminoácido. Los tripletes totalmente descifrados son : AGA- arg, GAG-glu, CAG-gln, ACA-thr y GAC-asp. Los tripletes parcialmente descifrados son GAA y AAG uno es para glu y otro para lys. En el esquema y tabla siguientes se indican los tripletes que presenta cada mensajero sintético y los aminoácidos que se incorporan en los polipéptidos correspondientes : Poli AG Poli AGAC -AGA-GAG-AGA-GAG-AGA-GAGAGA-CAG-ACA-GAC- arg - glu - arg - glu - arg - glu gln - thr - asp - Mensajero sintético -AGA-CAG-ACA-GAC- - arg - gln - thr - asp - arg - Triplete 5’ 3’ Aminoácido AGA arg GAG glu AGA arg GAA glu AAG lys AGA arg CAG gln ACA thr GAC asp Poli- AG Poli-AGA Poli-AGAC c) ¿Por qué se sintetizan tres polipéptidos distintos con el Poli AGA? Con el mensajero poli AGA se sintetizan tres polipéptidos distintos, uno en el que se repite el arg, otro en el que se repite glutámico y el último en el que se reitera lys. En los sistemas de traducción “in vitro” la traducción del mensajero puede comenzar por cualquier base, y si la traducción comienza por la primera A, el triplete que se repite en el mensajero es AGA, si comienza por la guanina el codón que se reitera es GAA y si la iniciación tiene lugar por la segunda adenina, el triplete que se repite es AAG. AGA es con seguridad arg (arginina), ya que es el único triplete común en los tres experimentos y arginina es el único aminoácido común en los tres casos. Poli AGA -AGA-AGA-AGA-AGAAAG-AAG-AAG- -GAG-GAG-GAG-GAG- -AAG- - arg - arg - arg - arg lys - lys - - glu - glu - glu - glu - - lys - lys - - arg - arg - arg - arg glu - glu - - lys - lys - lys - lys - - glu - glu - Sin embargo, GAA y AAG no pueden ser totalmente descifrados, quedando parcialmente descifrados, uno de ellos codifica para glutámico (glu) y el otro para lisina (lys). d) ¿Indican estos resultados que el código genético es degenerado? Los resultados obtenidos indican que el código genético es degenerado, ya que el aminoácido glutámico está determinado por dos tripletes, uno de ellos ha sido totalmente descifrado, GAG ; sin embargo, el otro triplete está parcialmente descifrado, pudiendo ser GAA o AAG.
