universidad nacional autónoma de méxico - blog de la clase · pdf...

Universidad Nacional

Autónoma de México

Curso Genética y Biología Molecular (1630)

Licenciatura

Químico Farmacéutico Biológico

Facultad de Química

Dra. Herminia Loza Tavera

Profesora Titular de Carrera

Departamento de Bioquímica

Lab 105, Edif E

5622-5280

hlozat@unam.mx

VII. CÓDIGO GENÉTICO.

TRADUCCIÓN Y PROCESAMIENTO

DE PROTEÍNAS.

• Objetivo general

– El alumno conocerá el proceso de traducción de

los mRNAs basado en la universalidad del código

genético y comprenderá su importancia dentro

del contexto de la expresión genética, dado que la

síntesis de proteínas es el paso final requerido

para realizar la función del gen correspondiente.

Comprenderá las diferencias de este proceso en

organismos procariontes y eucariontes y su

regulación.

Objetivos particularesEl alumno... Conoci-

miento

Compren-

sión

Aplica-

ción

1. Código genético,

universalidad,

características y el

tRNA como

molécula

adaptadora.

1.1. Definirá el concepto de codón, clases de codones y su

ubicación en la tabla del código genético

X

1.2. Interpretará al código genético como el conjunto de claves

que identifican a cada aminoácido en el marco de su

universalidad y degeneración.

X

1.3. Distinguirá la existencia de aminoácidos especiales como

formil-metionina y selenocisteína y su relación con los codones

que se han definido.

X

1.4. Explicará que el orden de los aminoácidos en una proteína

lo define la secuencia de bases en cada gen y que el marco de

lectura lo determina el codón de inicio de la traducción.

X

1.5. Examinará las funciones que desempeña el RNAt como

molécula adaptadora entre el RNAm y las proteínas.

X

1.6. Definirá la hipótesis del bamboleo (Wobble) y su

importancia.

X

2. Componentes del

aparato de

traducción.

2.1. Describirá a los ribosomas procariontes y eucariontes, sus

componentes de RNA ribosomal y proteínas, sus

características estructurales y propiedades físicas.

X

2.2. Nombrará la función propia de cada una de las

subunidades ribosomales durante el proceso de traducción.

X

2.3. Definirá las características de los RNAm procariontes y

eucariontes importantes para el proceso de traducción

(secuencia Shine-Dalgarno en procariontes; cap, regiones no

traducibles y cola de poli adeninas en eucariontes).

X

2.4. Discutirá las diferencias entre los RNAt iniciadores en

procariontes y eucariontes, así como distinguirá entre un RNAt

iniciador y un RNAt elongador de la cadena polipeptídica.

X

2.5. Descubrirá el papel de las aminoacil tRNA sintetasas en la

fidelidad de la traducción. Clasificará su actividad como el

primer paso necesario para la traducción de RNAm a proteína.

X

Objetivos particulares

El alumno... Conoci-

miento

Compren-

sión

Aplica-

ción

3. El proceso de

traducción.

3.1. Conocerá que la traducción se divide en tres etapas:

iniciación, elongación y terminación, cada una de las cuales

tiene requerimientos energéticos diferentes, factores de

traducción accesorios e involucra componentes del aparato

traduccional diferentes.

X

3.2. Nombrará los factores de inicio de traducción en

procariontes y los pasos secuenciales que implica esta etapa.

X

3.3. Discutirá las diferencias entre el inicio de la traducción

procarionte y eucarionte, basado en la temporalidad,

localización y características propias de este proceso.

X

3.4. Nombrará los factores participantes en la elongación del

polipéptido, la actividad peptidil transferasa del ribosoma y la

importancia de la translocación coordinada de las subunidades

ribosomales durante la traducción.

X

3.5. Nombrará los factores participantes en el reconocimiento

de los codones de paro, la escisión del polipéptido sintetizado,

y el reciclado de las subunidades ribosomales.

X

3.6. Ilustrará el efecto de los antibióticos sobre el aparato

traduccional procarionte y eucarionte, su aplicación en la

medicina y el estudio de la estructura y mecanismos del

aparato traduccional.

X

4. Regulación de la

traducción

4.1. Clasificará los diferentes niveles de regulación que

requiere una traducción fidedigna.

X

4.2. Distinguirá las diferencias entre la traducción procarionte y

eucarionte a nivel de temporalidad y localización respecto a la

transcripción del mRNA.

X

CÓDIGO GENÉTICO Y TRADUCCIÓN

1. Es universal

2. Es de tripletes

(codones)

Características

del código

genético

Una secuencia de RNA tiene tres

posibles marcos de lectura

Sólo un marco es el correcto y se define por el codón de inicio AUG

3. El código genético es no-translapado

4. El código genético es degenerado

un aminoácido está codificado por más de un codón

64 posibles combinaciones de tripletes sólo 20 aminoácidos

Existen 61 codones que codifican aminoácidos

y 3 codones que no codifican aminoácidos, son señales de paro

5. El código genético es redundante

Generalmente un aminoácido está codificado por codones

con secuencias similares en la primera y segunda posición

3’ 5’

5’ 3’

Aminoácido específico

mRNA XYZ

?

Debe existir una molécula que sea capaz de reconocer un

codón específico y que lo equipare a un aminoácido específico:

un adaptador.

Esta molécula debe reconocer al codón y reconocer al

aminoácido.

El RNA de transferencia es el Adaptador

Reconoce las bases de cada codón a

través de su región anticodón.

El reconocimiento del codón por el

anticodón es por apareamiento W-C y con

orientación antiparalela.

¿Cuál es la molécula encargada de equiparar el

código de nucleótidos al código de aminoácidos?

Los tRNA

tienen una longitud de aproximadamente 80 nucleótidos

Se encargan de llevar los

aminoácidos a los ribosomas

Como el código genético está organizado para

que los codones que codifican un mismo aa

varíen en la tercera posición, un mismo tRNA

puede reconocer a varios codones porque en su

primera posición en el anticodón contiene un nt

que puede aparearse con varios de los

diferentes nt de los distintos codones.

Reconocimiento codón/anticodón:

“el bamboleo (wobble)”

Interacción codón-anticodón

la 3ª posición puede no presentar

apareamiento W-C (hipótesis del

“bamboleo”)

las bacterias tienen 31 diferentes

tRNA

los eucariontes tienen 48

Subunidad grande

Subunidad pequeña

tRNAs

EL RIBOSOMA

30 nm

Ribosomas procariontes y eucariontes

El rRNA 16S de la subunidad chica del ribosoma

interacciona con el codón y el anticodón permitiendo

un reconocimiento correcto

El papel principal de las proteínas

ribosomales es estabilizar a la estructura

del rRNA

Comparación de las estructuras de los

mRNAs procariontes y eucariontes

Alberts et al., 3rd ed., p.237

La traducción de los distintos mensajeros

de un RNA policistrónico puede iniciar

independientemente

Genome Biology 2002

Elementos que regulan el destino de un

mRNA eucarionte

En eucariontes, el mRNA que se va a

traducir es reconocido por el CAP

(7mGpppG)

Funciones:Protección (5’ – 3’ exonucleasa)

Traducción

Splicing

Procesamiento

•Otras modificaciones del cap:

m2,3,7G en snRNP’s

El ribosoma: máquina molecularRibosoma: 2 subunidades desiguales unidas débilmente,

formadas por polímeros de alto peso molecular, de estructura

compacta

Traducción: lectura consecutiva de tripletes en el mRNA que

permiten síntesis concomitante de una cadena polipeptídica

El ribosoma realiza 3 funciones:a) Función genética (decodificar la secuencia de nucleótidos en

aminoácidos

b) Función enzimática (catalizar la formación del enlace peptídico)

c) Función de translocación (máquina que se mueve a lo largo del

mRNA, por la que van pasando los tRNAs y se alarga la cadena

peptídica)

Función genética ----------- subunidad pequeña

Función enzimática ------------ subunidad grande

Translocación ----------- ambas subunidades

La traducción se divide en cuatro etapas:

Una previa llamada Activación del aminoácido o

aminoacilación del tRNA y tres etapas

propiamente de la traducción:

Inicio

Alargamiento

Terminación

Antes de su unión al tRNA el aminoácido debe ser activado. Esta activación se

realiza por la unión de un ATP al aminoácido, por acción de una aminoacil

tRNA sintetasa. Esto da lugar a un aminoacil adenilato (aminoacil AMP), el cual

luego se une al 3’ OH del tRNA correspondiente.

1 ATP!

1. Formación de

aminoacil-adenilato

2. Síntesis de aminoacil-tRNA

Aminoacilación del tRNA

Especificidad de las aminoacil-tRNA

sintetasas

La fidelidad del código genético se sustenta en la actividad de

las aminoacil tRNA sintetasas

Mecanismo

de

reacción

de las

aminoacil

tRNA

sintetasas

Aminoacil tRNA sintetasas

Clase I

Aminoacil tRNA sintetasas

Clase II

...continuación

El carboxilo del aminoácido forma un enlace éster con el 3’OH de la

ribosa del nucleótido de adenina localizada en el extremo 3’ del tRNA

¿Cómo está cargado el aminoácido en el tRNA?

Todos los tRNAs tienen la

secuencia CCA en el extremo 3’.

Enlace éster

entre la

adenina 3’ del

tRNA y el

aminoácido

tRNA unido a una aminoacil tRNA

sintetasa

Etapas de la traducción

Inicio

Alargamiento

Terminación

En procariontes: la

traducción sigue a la

transcripción

La proteína se sintetiza a

partir del amino terminal

La síntesis de la proteína inicia en el

extremo amino terminal

Sitios funcionales en el ribosoma

A: aceptor

P: peptidil

E: salida (exit)

Centro peptidil transferasa (PTC)

Centro activador

de GTPasa

Centro decodificador

RIBOSOMA

Inicio

subunidades del ribosomamRNAtRNAf-met

factores de inicioGTP

GTP

En procariontes, el reconocimiento del sitio de

inicio de la traducción en el mRNA se basa en

la interacción entre el rRNA 16S y la secuencia

Shine-Dalgarno localizada en el 5’UTR del

mRNA

Secuencia de reconocimiento del inicio de

la traducción en procariontes: secuencia

Shine-Dalgarno

Presente en la región 5’ del mRNA, antes del codón de inicio de la traducción

El reconocimiento es por apareamiento

de nucleótidos de forma complementaria

y antiparalela

En bacterias la selección del codón de inicio

se realiza por interacción entre el mensaje y el

ribosoma

5’-AGGAGGU-3’

Shine-Dalgarno

INICIO

Las subunidades ribosomales deben estar separadas

La subunidad pequeña debe reconocer al mRNA

El tRNA aminoacilado (fmet-tRNAmet o met-tRNA) debe colocarse en

la posición P de la subunidad ribosomal pequeña

Debe ocurrir el reconocimiento codón-anticodón de inicio

Ocurre hidrólisis de al menos una molécula de GTP

Factores de inicio de la traducción (IF):IFs procarionteseIFs eucariontes

Para el inicio de la traducción:

Aminoácido

con el que

se inicia la

traducción

en

procariontes

En procariontes existen dos tRNA de

Metionina, uno iniciador y otro alargador

El fMet-tRNA iniciador tiene

características especiales

Reconoce los codones AUG ó GUG

En la mitad de los casos, la

metionina es removida de

la proteína

50S

30S

+

1 2

fMet GTP

+

3

2

fMet GTP

1

3

2

fMet GTP

1

AUG

complejo de inicio de la traducción

Shine-Dalgarno

Inicio de la traducción en procariontes

3

3

fMet

AUG

3

2

1

GDP

[Mg2+]

IF1

IF2

IF3

Factor Función

IF1 Previene la unión de tRNAs en el

sitio A de la subunidad 30S

IF2 GTPasa que interacciona con 3

componentes claves durante

iniciación: la subunidad 30S, IF1,

y fMet-tRNAif-Met)

IF3 Se une a 30S y evita re-asociación

con 60S. Participa en el

reconocimiento codon-anticodon

5’APE

f-met

aa-tR

NA

IF1IF3

3’

Factores de inicio de la traducción en procariontes

En eucariontes, el mRNAdebe ser procesado. El

procesamiento define su destino.

- Capping

- Splicing

- Poliadenilación nuclear

- Exportación nuclear

- Poliadenilación citoplasmática

- Localización citoplasmática

Traducción

Almacenaje

Degradación

adición del 5’ 7mGpppG (cap)

terminación

splicing

poliadenilación

exportación

traducción

almacenaje

degradación

En eucariontes, en el inicio de la traducción, se

forma un complejo circularizado entre los

extremos 5’ y 3’ del mRNA y proteínas específicas

En eucariontes, eIF2•GTP se une a tRNA-met para

iniciar la traducción

eIF2•GDP

eIF2Bintercambia

GDP x GTP

en eIF2

Complejo mRNA-43S Complejo 48S

Ocurre un escaneo de la región 5’ no traducible

hasta encontrar el primer AUG en contexto

apropiado

eIF4A: helicasa; utiliza

ATP para deshacer

estructura secundaria en

el mRNA y permitir el

paso de la subunidad

40S.

Entorno del codón de inicio AUG

En eucariontes, no hay una secuencia Shine-

Dalgarno como en procariontes. El primer AUG que

permita pausar el ribosoma debe tener un entorno

adecuado

A

consenso

C CG

C C A U G G

40S

5’CAP

Resumen del

inicio de la

traducción en

eucariontes

eIF3-eIF4G

PABP eIF4E

eIF3

eIF4AeIF4A

132 572 642 1046 1201 1411 1560

2Apro

La proteína eIF4G es una proteína de anclaje

PABP eIF4E

132 572

eIF3

eIF4AeIF4A

642 1046 1201 1411 1560

TRADUCCIÓN DEPENDIENTE DE 5’ CAPXYa no funciona en

traducción

Porción utilizada para la traducción

independiente de Cap

Apoptosis

Infeccion viral

Ciertos puntos del ciclo celular

Alargamiento

GTP

GTP

ribosoma mRNAtRNAs-aafactores de alargamiento (elongation factors)

x aa

Factores de alargamiento

Bacteria Eucariontes

EF-Tu

EF-Ts

EF-G

eEF-1

eEF-1

eEF-2

1. Posicionamiento del aa-tRNAaa

elongador correcto (EF-Tu/eEF-1) en el sitio A

2. Hidrólisis de GTP y cambio conformacional.

Para regenerar EFTu•GTP

se requiere EF-Ts

Entrada del aminoacil tRNA

Formación del

enlace peptídico

Bacteria Eucariontes

Actividad peptidil transferasa del

rRNA 23S (Bases conservadas en

todos los organismos)

3. Ataque nucleofílico amino del aa2 al carboxilo del aa1

4. Posicionamiento del péptido sobre el tRNA del sitio A

Translocación

Bacteria Eucariontes

EF-Tu

EF-Ts

EF-G

eEF-1

eEF-1

eEF-2

5. Entrada de EF-G/eEF-2

6. Hidrólisis de GTP

7. Cambio conformacional y desplazamiento

Ciclos de alargamiento

Terminación

GTP

ribosoma mRNAfactores de terminación

subunidades ribosomamRNAtRNA libre

proteína

Factores de terminación

Bacteria Eucariontes

RF1

RF2

RF3

RRF

IF3

EF-G

eRF1

eRF3

eRF1 utiliza

agua para

hidrolizar el

péptido y

liberarlo del

ribosoma

Modelo de terminación en bacterias

Moleculas que unen el mismo

sitio en el ribosoma

Gasto energético del proceso de

traducciónSe hidrolizan 2 GTPs por cada aminoácido incorporado

La hidrólisis promueve cambios conformacionales

Cargado de tRNA con su aminoácido

1 ATP /aa

TRADUCCION

Iniciación 1 GTP (1er aminoácido)

Elongación 2 GTPs /aa

Terminación 1 GTP

¿Cuántos GTPs y ATPs se requieren para la síntesis de una proteína

de 300 aa?

Antibióticos inhibidores de

traducción

Antibiótico/Toxina Organismo Función

Tetraciclina Procarionte Sitio A subunidad 30S

Cloramfenicol Procarionte Centro PTC subunidad 50S

Puromicina Procarionte/Euca-

rionte

Centro PTC subunidad 50S

Eritromicina Procarionte Tunel de salida del péptido

naciente

Acido fusídico Procarionte EF-G

Ricina Procarionte Modifica el RNA en el centro

activador de GTPasa

Toxina de difteria Eucarionte Modifica EF-1A

Cicloheximida Eucarionte Translocación del ribosoma

durante elongación

La puromicina inhibe la traducción

porque se parece al aminoacil-tRNA

La kirromicina bloquea a EF-Tu

El ácido fusídico bloquea a EF-G

Otros antibióticos...

¿Qué es lo que puede limitar la síntesis

de proteínas en eucariontes?

1. Cantidad y eficiencia de mRNAs

(específica)

2. Abundancia de Ribosomas (global)

3. Actividad de la maquinaria traduccional

(global o específica)

4. Velocidad de alargamiento (global o

específica)

Los dos principales puntos de regulación de la traducción en eucariontes

Reconocimiento

del mRNA por

el complejo 43S

1

Formación del

complejo ternario

2

eIF4E

eIF4G

PABP

eIF2 GTP

eIF2B

tRNAmet