¿Cuál es una explicación simple de la hipótesis del polipéptido del gen uno?

Noto que se ha agregado la etiqueta ‘Explicar a un Layman’, por lo que he intentado elaborar mi respuesta en consecuencia. Muy largo, lo sé, pero he tratado de dar un resumen bastante completo de un aspecto complejo de la biología.

En resumen, la hipótesis del “un gen-un polipéptido” afirma que cada gen es responsable de la producción de un polipéptido. Responsable, ¿cómo? Para explicar eso, tenemos que ir más allá del estado de conocimiento en 1945 cuando George Beadle propuso por primera vez la hipótesis (la llamó la hipótesis de “un gen-una enzima”, redacción que cambia el significado de manera significativa). Declararé ahora que esta hipótesis está irremediablemente desactualizada; sin embargo, es bastante instructivo entender cómo está desactualizado.

El ‘gen’ al que se refiere el enunciado es una sección de ADN cuya secuencia específica de bases nitrogenadas (las famosas ‘A, T, C y G’) codifica un polipéptido. Codifica cómo? Ya necesitamos ir más allá del estado del arte hacia 1945 para responder a esto. Cada triplete de tres bases codifica un aminoácido específico, las unidades monoméricas que están unidas por enlaces peptídicos para formar un polipéptido. Hay ~ 20 aminoácidos que ocurren naturalmente, por lo que las 64 permutaciones de tripletes de las cuatro bases nitrogenadas en el ADN son más que suficientes. (Tenga en cuenta que el término “proteína” se usa de manera más o menos intercambiable con el polipéptido, quizás hubo una vez una distinción y algunos todavía pueden afirmar que existe, pero dado que ya no está consagrado en el discurso técnico, no es realmente una distinción útil para hacer más.) Las asignaciones de triplete a aminoácido se conocen colectivamente como el código genético ; más precisamente, esto se refiere a los mapeos de los tripletes de bases de ARN a aminoácidos , pero es útil introducir la noción aquí.

Lo anterior está lejos de ser una explicación completa de cómo la secuencia de ADN en un gen se asigna a una secuencia de aminoácidos, pero vale la pena detenerse aquí para notar algunas advertencias. En primer lugar, la redacción de Beadle de “un gen-una enzima” no abarca realmente el proceso descrito anteriormente: ahora sabemos que las enzimas, es decir, las proteínas con un papel en la catálisis química, no son más que un subconjunto de los polipéptidos fabricados por las células. Obsérvese a continuación que las enzimas, proteínas con el sufijo ‘-ase’, representan una proporción comparativamente pequeña de todos los polipéptidos fabricados por una célula.

Categorías de genes estructurales humanos, agrupados por naturaleza de las proteínas producidas

Además, los genes que codifican una proteína, los genes “estructurales” , representan una pequeña fracción del genoma total, menos del 2%; como veremos más adelante, esto se reduce a <1.5% cuando consideramos que no toda la secuencia dentro de estos genes es incluso responsable de la secuencia de aminoácidos.

Volviendo a la explicación del proceso de ADN a proteína, necesitamos introducir una entidad intermedia: ARN . Una vez más, partimos del estado del arte en el tiempo de Beadle. Este es otro ácido nucleico, que difiere ligeramente en la estructura del ADN, que se produce mediante el uso de la secuencia de bases de ADN como molde en un proceso conocido como transcripción . El resultado de esto es una secuencia de ARN monocatenario. Esta molécula, denominada ‘ ARNm ‘ para el ” ARN mensajero “, es la entidad intermedia en el “dogma central” de la biología, tal como lo plantea Crick: existe un flujo de información secuencial y unidireccional desde el ADN al ARN hasta la proteína. El ARNm proporciona una plantilla para la producción del polipéptido por el ribosoma, un complejo supramolecular de proteína-ARN, en el proceso conocido como traducción . Si pensamos en el ADN como un depósito de valiosos planes arquitectónicos, el ARNm representaría fotocopias cortas y desechables de estos planos que en realidad se usan para guiar la construcción.

Ahora, más advertencias. Hay una noción popular, a menudo repetida en las aulas, de que el dogma central afirma que “el ADN hace que el ARN produzca proteínas”. Eso es una tergiversación de la afirmación original de Crick y, además, el término “dogma” en sí exagera la importancia de lo que originalmente era una declaración tentativa de flujo de información en las células. Aparte de eso, abordemos la noción de que “el ADN hace que el ARN produzca proteínas” y la noción de que existe una correspondencia entre estas macromoléculas según lo descrito por la hipótesis del “un gen-un polipéptido / proteína”:

• Ahora sabemos que no todos los genes son responsables de la producción de proteínas: solo los genes estructurales a los que nos referimos anteriormente lo llevan a cabo. Existe un número mucho mayor de genes no estructurales, a veces denominados genes de ARN o genes no codificantes , a partir de los cuales se transcriben las moléculas de ARN, pero luego no se usan como plantilla para la traducción de proteínas. Estas moléculas de ARN no codificantes cumplen una variedad de funciones, como la regulación de la transcripción y la traducción, y la catálisis de reacciones químicas.
• Con respecto a los genes estructurales, la mayoría de la secuencia de bases en estos genes generalmente no es responsable de la secuencia de aminoácidos; estos tramos de ADN se denominan intrones , distintos de los exones que dan lugar a la secuencia de codificación de proteínas. Nos referimos colectivamente a secuencias exónicas en el genoma como el exoma ; este es el <1.5% del genoma al que se aludió anteriormente. Junto con los intrones y los exones, cada gen viene con una abundancia de elementos reguladores, que junto con los intrones, los genes de ARN y otros numerosos elementos genómicos representan el ADN no codificante .
• Después de la transcripción, la molécula de ARNm se reorganiza y sus intrones se escinden durante un proceso conocido como corte y empalme ; a veces nos referimos al ARNm antes del corte y empalme como ‘ARNm precursor’ o ‘ pre-ARNm ‘, y el ARNm después del corte y empalme como ARNm ‘ maduro’ .
• El empalme es un proceso variable, de modo que dado un único pre-ARNm, se pueden producir varios ARNm variantes. Estas variantes de empalme difieren en su secuencia de bases, de modo que darán lugar a una variedad de proteínas . La variante de empalme producida generalmente depende del tipo de célula o su entorno.
• Además del corte y empalme, que implica la escisión y la reorganización de fragmentos largos de la secuencia, las bases individuales en el ARNm se pueden editar enzimáticamente en un proceso conocido como edición de ARN . De nuevo, esto proporciona otra vía por la cual la célula diversifica el rango de proteínas producidas por un solo gen.

A la luz de lo anterior, que en realidad es solo una explicación superficial del proceso que nos lleva del ADN a los polipéptidos, podemos prescindir con toda confianza de la hipótesis de Beadle. Personalmente, encuentro realmente sorprendente el progreso realizado en biología molecular en el último medio siglo más o menos desde 1945.