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Código Genético y Traducción
Unidad 7
Facultad de Química, UNAM
1630 Genética y Biología Molecular
Dogma Central de la Biología Molecular.
Flujo de la Información Genética
Replicación
Transcripción.
Síntesis de RNA
Traducción
Síntesis de Proteínas
Comparación de la expresión génica entre eucariontes y procariontes
Eucariontes Procariontes
Transcripción
Transcripción
Traducción
Traducción
Núcleo
Código genético:DNA ------- Bases
RNAm ------- Bases
Proteína ------- Aminoácidos
En DNA y RNA hay 4 bases pero en proteínas:
20 aminoácidos
Combinaciones de bases para determinar un aminoácido:
Combinaciones de 2 bases: 42 = 16 (no alcanzan!!)
Combinaciones de 3 bases: 43 = 64 !! (ahora sobran!!)
Codón: Secuencia de tres bases en el RNAm que especifica un aminoácido en la secuencia de la proteína o causa la terminación de la traducción.
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Nirenberg y Matthaei descifraron el código genético usando un lisado de E. coli para sintetizar proteínas in vitro al cual le agregaban RNAm sintético poli-U, poli-A, poli-CA.....
RNA
Proteína
Solamente 61 de las 64 combinaciones posibles codifican para aminoácidos
Código Genético
Primera posición
Segunda posición
18 de los 20 aminoácidos están determinados por más de un codón. El código genético es redundante.
61 codones determinan aminoácidos 3 codones son “non-sense” y funcionan como señales de término (stop) de la traducción
Solamente Met y Trp están determinados por un codón.
Codones sinónimos:
Para muchos aminoácidos determinados por mas de un codón, las 2 primeras bases no varían y solamente hay cambio en la 3a
posición.
¿Qué característica común tiene esa 3a base en los aminoácidos determinados por dos codones?
Esta propiedad minimiza los efectos de alguna mutación.
Sustitución por transición en el que hay un cambio de una purina por otra purina.
AAG - AAA
El código genético está altamente conservado filogenéticamente.
De hecho, por muchos años, se consideró que era UNIVERSAL, hasta que se encontraron las excepciones que son mínimas.
La mayor parte de estas excepciones se identificaron en los genomas mitocondriales y en algunos protozuarios.
Codón Código genético
Excepción Genoma
AGA/ AGG Arg Ser Mitocondria animal
CGG Arg Trp Mitocondria plantas
UAA/ UAG Término Glu Nuclear protozuarios
UGA Término Trp Micoplasma
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Para los aminoácidos determinados por mas de un codón, estos no son usados con la misma frecuencia.
Para los aminoácidos determinados por mas de un codón, estos no son usados con la misma frecuencia.
En el proceso de traducción participan los RNAt, RNAr y RNAm.
Estructura de un RNAm maduro.
CAP
Región 5’ no traducida
5’-UTR
Región 3’ no traducida
3’-UTR
Región codificante
AUG
UAA
UAG
UGA
Codones de término
Cola de Poli-A
Marco de lectura abierto (Open Reading Frame)
La misma secuencia de RNAm.
Tres secuencias de polipéptidos distintas!!!
Marco de Lectura 1
Marco de Lectura 2
Marco de Lectura 3
Solamente uno de los marcos de lectura es el correcto para la traducción.
¿Cómo es reconocido este marco por el aparáto traduccional?
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C G C5’ 3’
RNAm
El codón del RNAm es reconocido por la secuencia anticodón del RNAt
La interacción ocurre por apareamiento de bases complementarias.
Las dos moléculas de RNA son antiparalelas.
Hipótesis del “bamboleo” (wobble)
Debido a que el código genético es redundante:
• Algunos aminoácidos están determinados por 6 codones
• Algunos aminoácidos están determinados por 4 codones
• Algunos aminoácidos están determinados por 3 codones
• Algunos aminoácidos están determinados por 2 codones
Algunos codones que determinan al mismo aminoácido son reconocidos por el mismo RNAt
Esto implica que hay apareamientos de bases tipo Watson-Crick para las dos primeras posiciones del codón, pero no para la tercera.
C G C5’ 3’
RNAm
I/U
Hipótesis del “bamboleo” (wobble)
La inosina es una purina que forma interacciones débiles con C, U, A
Muchos RNAt tienen inosina en la posición 5’ del anticodón
Los RNAt son las moléculas adaptadoras (traductoras) que decodifican la información en el RNAm acarreando al aminoácido correspondiente.
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Estructura Secundaria del RNAt
Asa D – Brazo D
* El brazo variable (3- 21 nts) puede formar un tallo de hasta 7 pb.
Brazo T. Tallo de 4-5 pb
*
RNAt + Aminoácido -- Aminoacil RNAtLa reacción ocurre en dos etapas:
1. Activación del aminoácido: Formación del aminoacil adenilato
Aminoácido + ATP Aminoácido-AMP + PPi
Se forma el aminoacil adenilato que tiene un enlace de alta energía.
La hidrólisis del pirofosfato inorgánico que se produce genera energía para la reacción.
Función de los RNAt
R
2. Formación del aminoacil-RNAt
Aminoacil adenilato + RNAt Aminoacil-RNAt + AMP
El aminoácido se une al extremo 3’-OH del RNAt. En el brazo aceptor.
Aminoacil RNAt sintetasas
A pesar de que catalizan la misma reacción, estas enzimas pueden ser muy diferentes.
Algunas son monómeros, dímeros y tetrámeros.
La misma enzima realiza los dos pasos de la reacción.
Tiene sitios de unión para:
• el aminoácido
• ATP
• RNAt
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Aminoacil RNAt sintetasas.Reconocen secuencias en la región interna del RNAt.
Tienen muy alta especificidad pues distinguen entre 40 RNAt que tienen una estructura similar, solamente con algunos cambios en la secuencia de bases.
Reconocen elementos de identidad en el RNAt que incluyen:
• Región anticodón
• Pares de bases en el tallo aceptor.
La síntesis de proteínas se lleva a cabo en los ribosomas
El ribosoma procarionte se puede disociar en dos subunidades.
Cada una de éstas se compone de RNAr y muchas proteínas
2.76 x 106 Da
La estructura de los ribosomas se resolvió por cristalografía de rayos X
Premio Nobel de Química 2009
Estructura de los Ribosomas. Los ribosomas son ribozimas que 1. Decodifican la información genética y 2. Polimerizan los aminoácidos. Aseguran que la síntesis de proteínas ocurra progresivamente y con alta especificidad. Una bacteria en fase exponencial tiene aprox. 105 ribosomas.
Lectura de los codones Polimerización deAminoácidos
21 proteínas + RNAr 16S 31 proteínas + RNAr 23S y 5S
Subunidad Pequeña 30S Subunidad Grande 50S
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Sitio de unión al ribosomaEn los RNAm procariontes hay una secuencia altamente conservada que está entre 8 y 13 nts del codón de inicio.
Esta secuencia es rica en purinas y el consenso es:
5’-AGGAGGU-3’
Esta secuencia se aparea por interacciones de puentes de hidrógeno con la secuencia 3’-UCCUCCA-5’ que se encuentra en el RNAr 16S de la subunidad pequeña del ribosoma.
Se llama Secuencia de Shine-Dalgarno o sitio de unión al ribosoma. Sirve para posicionar de manera correcta al RNAm en el ribosoma con respecto al codón de incio.
5’
5’- UTR
El codón que marca el inicio de la traducción es AUG que codifica para el aminoácido metionina
En procariontes, el codón de inicio AUG codifica para formil metionina:
En eucariontes, el codón de inicio AUG codifica para metionina:
Formación del complejo de iniciación
• Ensamblaje del ribosoma en el RNAm• Se requiere de:
– Subunidad pequeña del ribosoma– Subunidad grande del ribosoma– RNAm– Aminoacil-RNAt (formil-Met)– Factores de iniciación (IF)
• IF1 e IF3 => se unen a la subunidad 30S y previenen la unión de 50S en ausencia de RNAm
• IF2-GTP ayudan a la unión del aminoacil-RNAt de iniciación
Formación del complejo de Iniciación.
Los factores IF1 e IF3 se unen a la subunidad 30S del ribosoma y previenen la unión de la subunidad 50S
RNAt
En procariontes, el codón de inicio es reconocido por un aminoacil-RNAt que acarrea formil-Met
El grupo formilo se añade después de la carga del RNAt, por una enzima (transformilasa) que usa formiltetrahidrofolato.
Solamente el RNAtf-Met se usa para formar el complejo de iniciación. Todos los demás aminoacil-RNAt requieren que el ribosoma esté completamente ensamblado.
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Formación del complejo de Iniciación.
La unión de AA-RNAt(fMet) al codón de inicio es un proceso dependiente de la hidrólisis de GTP. El IF2 se une a GTPacompaña al AA-RNAtf-Met
Al disociarse IF1, se une la subunidad 50S del ribosoma.
Queda formado el complejo de iniciación.
Fase de elongación
• Factores de elongación EF– EF-Tu / EF-Ts/ EF-G
• Aminoacil-RNAt del resto de los aminoácidos.• GTP• Complejo de Iniciación
La fase de elongación se divide en tres etapasOcupación del sitio aminoacilFormación del enlace peptídicoTranslocación
Sitio A (Aminoacil) del ribosoma
Sitio P (Peptidil) del ribosoma
En el ribosoma se pueden distinguir tres sitios E, P y A, de los cuales el sitio P y A pueden ser ocupados por AA-RNAt
El AA-RNAtf-Met ocupa el sitio Peptidil en el ribosoma.
5' 3'
P A
FASE DE ELONGACION
Ocupación del sitio Aminoacil por el siguiente AA-RNAt
EF-Tu GTP
EF-Ts
GDP
EF-Ts regenera el GTPSitio P (Peptidil) Sitio A (Aminoacil)
AUG ACA
Thr
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5' 3'
P A
FASE DE ELONGACION
Formación del enlace peptídico
El grupo amino del AA-RNAt del sitio A está bien posicionado para atacar el enlace éster entre el RNAt que ocupa el sitio P y el aminoácido.
AUG ACA
Thr
Mecanismo de Formación del Enlace Peptídico
El grupo amino del AA-RNAt del sitio A está bien posicionado para atacar el enlace éster entre el RNAt que ocupa el sitio P el aminoácido que acarrea.
Mecanismo de Formación del Enlace Peptídico
Intermediario tetraédrico
Se forma un intermediario tetraédrico que es estabilizado por la peptidil transferasa.
Mecanismo de Formación del Enlace Peptídico
El intermediario se cierra para formar el enlace peptídico y liberar al RNAt que está ocupando el sitio P
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5' 3'
P A
El sitio P queda vacío.
AUG ACA
Thr
El centro catalítico responsable de la actividad de la peptidil transferasa se encuentra altamente conservado filogenéticamente.
El centro de peptidiltransferasa se encuentra en el RNA ribosomal 23S con participación de algunas proteínas de la subunidad grande del ribosoma.
Es una ribozima que acomoda a los sustratos estereoquímicamente para facilitar la formación del enlace peptídico.
El ribosoma provee la estereoquímica adecuada para la formación de un enlace peptídico, así como la guía para la translocación del sitio A al sitio P y los medios geométricos adecuados para la catálisis mediada por el sustrato.
El sitio catalítico del ribosoma, llamado CENTRO DE PEPTIDIL TRANSFERASA (CPT) está situado en una región simétrica altamente conservada:
Esta arquitectura le permite al CPT reacomodarse cuando se une el sustrato.
5' 3'
Elongación
Translocación
P A
EF-G
La translocación es mediada por el factor EF-G, guíado por la hidrólisis de GTP
Thr
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5' 3'
P A
Elongación
Translocación
EF-G
El RNAt que acarrea a la cadena polipeptídica creciente ahora ocupa el sitio P. El sitio A queda desocupado para el siguiente AA-RNAt según el codón que está posicionado en el sitio A.
Thr
Terminación. El ribosoma llega al codón de término del marco de lectura del RNAm
UAA (codón de término)
“STOP”
Factor de liberación o de terminación (RF)
Los codones UAA, UAG y UGA no son reconocidos por ningún RNAt
RF1=> UAA y UAG / RF2 => UAA y UGA
Ruptura del enlace éster
El mecanismo que se ha propuesto para la liberación se basa en la semejanza estructural entre un AA-RNAt y los factores de liberación.
El factor de liberación se une al sitio A del ribosoma y acarrea una molécula de agua a la región de elongación de la cadena polipeptídica.
La actividad de peptidil transferasa emplea esa molécula de agua para romper el enlace éster y liberar al polipéptido.
H
HO
Polisomas. Un solo RNAm puede ser traducido por varios ribosomas de manera simultánea.
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La investigación sobre la estructura de los ribosomas tiene aplicaciones prácticas pues muchos antibióticos tienen actividad sobre la síntesis de proteínas de procariontes.
Los antibióticos actúan por mecanismos diversos, pero basados en una estrategia común que es la de coincidir con los centros críticos de la función de los ribosomas.
Una de las claves para que un antibiótico sea útil es que se unan con mayor afinidad a los sitios de los ribosomas procariontes.
Varios inhibidores de la síntesis de proteínas se han usado como antibióticos:
ANTIBIÓTICO ACCIÓN
Estreptomicina Inhibe la iniciación y causa una lectura incorrecta del RNAm (Procariontes)
Tetraciclina Se une a la subunidad 30S del ribosoma e inhibe la unión del aminoacil-RNAt (Procariontes)
Cloramfenicol Inhibe a la peptidil transferasa (Procariontes)
Eritromicina Se une a la subunidad 50S e inhibe la translocación (Procariontes)
Puromicina Causa terminación prematura de la traducción. Actúa como análogo estructural del aminoacil-RNAt
Cicloheximida Inhibe a la peptidil transferasa (Eucariontes)
Origen de los ribosomas. (Protoribosoma)
Un vestigio de un aparato de RNA con capacidades de ribozima forma parte del ribosoma.
Posible existencia de una maquinaria prebiótica a partir de un oligonucleótido que adquirió una estructura secundaria dada y que posiblemente se dimerizó para formar una hendidura química que permitiera la formación del enlace peptídico.
Traducción en Eucariontes.
Los ribosomas en eucariontes son más grandes y están formados por un número mayor de proteínas que los ribosomas procariontes.
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La principal diferencia en la traducción entre procariontes y eucariontes radica en la fase de iniciación.
Los RNAm eucariontes carecen de una secuencia consenso de unión al ribosoma (Shine-Dalgarno).
Hipótesis del “scanning” o barrido.
La subunidad 40S del ribosoma se une al extremo 5’ del RNAm y hace un barrido hasta encontrar el codón AUG. La subunidad 40S
Este codón se debe encontrar en el contexto correcto que es:
5’-CCRCCAUGG-3’
En eucariontes hay varios factores de iniciación que se pueden clasificar por su función:
eIF6, eIF3, eIF4C que se unen a las subunidades del ribosoma.
eIF4(A,B,E,F) que se unen a la estructura del cap en el extremo 5’ del RNAm
eIF2, eIF2B que acarrean al AA-RNAt iniciador
El proceso de elongación es similar a los procariontes y la actividad de peptidil transferasa se encuentra en....
El proceso de terminación es similar al de los procariontes y se reconocen los mismos codones de término:
UAA
UAG
UGA