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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 queespecifica 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 RNAmsintético 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.

MicoplasmaTrpTérminoUGA

Nuclear protozuariosGluTérminoUAA/ UAG

Mitocondria plantasTrpArgCGG

Mitocondria animalSerArgAGA/ AGG

GenomaExcepciónCódigo genético

Codón

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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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Los RNAt son las moléculas adaptadoras (traductoras) que decodifican la información en el RNAm acarreando al aminoácido correspondiente.

Estructura y Función del RNAt

Los RNAt son las moléculas adaptadoras (traductoras) que decodifican la información en el RNAm acarreando al aminoácido correspondiente.

Los RNAt se sintetizan como precursores que son procesados para generar moléculas de 75 a 80 nts de longitud.

Generalmente tienen bases modificadas como:

Ribotimidina Dihidrouridina

Pseudouridina Inosina

Inosina

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

5

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

Aminoacil RNAtsintetasas.

Reconocen secuencias en la región interna del RNAt.

Tienen muy alta especificidad pues distinguen entre 40 RNAtque 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.

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.

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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

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

Estructura de los 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 RNAmen 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-RNAtde 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 estécompletamente 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 loscuales 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)

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5' 3'

P A

FASE DE ELONGACION

Formación del enlace peptídico

El grupo amino del AA-RNAtdel sitio A está bien posicionado para atacar el enlace éster entre el RNAtque ocupa el sitio P y el aminoácido.

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.

El centro catalítico responsable de la actividad de la peptidiltransferasa se encuentra altamente conservado filogenéticamente.

La actividad de peptidiltransferasa se encuentra en el RNA ribosomal 23S con participación de algunas proteínas de la subunidad grande del ribosoma.

5' 3'

Elongación

Translocación

P A

EF-G

La translocación es mediada por el factor EF-G, guíado por la hidrólisis de GTP

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.

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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.

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)

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Traducción en Eucariontes.

Los ribosomas en eucariontes son más grandes y están formados por un número mayor de proteínas que los ribosomas procariontes.

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 RNAmy 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

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Transporte de las proteínas en la célula.La localización final de una proteína en la célula frecuentemente estádeterminada por alguna secuencia corta de aminoácidos presente en la proteína.

En procariontes, los destinos posibles de una proteína:

• Secretada hacia el

exterior de la célula

• Membrana plasmática

• Citosol

Las bacterias Gram-tienen varios sistemas de secrección.

Secreción de proteínas en bacterias.

La proteína que se va a secretar tiene una secuencia de varios aminoácidos en N-terminal que funciona como señal.

La proteína SecB se une a la proteína recien sintetizada y previene que se pliegue y adquiera su estructura terciaria.

Las proteínas SecY y SecE son proteínas transmembranales que forman un poro mediante el cual es transportada la proteína que es secretada.

Es un proceso dependiente de la hidrólisis de ATP

La proteína se pliega y el péptido señal es procesado por una proteasa.

En eucariontes, las proteínas pueden tener varios destinos:

Núcleo, mitocondria, peroxisomas, cloroplastos, retículo endoplásmico, aparato de Golgi, lisosomas.

Las proteínas contienen ciertas secuencias de aminoácidos que son reconocidas por receptores en el organelo blanco o por otras proteínas que las transportan.

Hay dos mecanismos generales:

Direccionamiento post-traduccional: núcleo, mitocondria, cloroplasto peroxisoma.

Direccionamiento co-traduccional: retículo endoplásmico, aparato de Golgi, lisosomas, membrana plasmática, secreción.

Transporte de proteínas al núcleo.

Proteínas del metabolismo del DNA y RNA requieren estar en el núcleo. También las histonas y otras proteínas que se unen a la cromatina.

El transporte de proteínas hacia adentro del núcleo ocurre por los poros nucleares donde hay proteínas que reconocen la secuencia de localización nuclear (NLS) en la proteína que se va a internalizar. Esta NLS es una secuencia rica en aminoácidos básicos. -PKKKRLV-

Hay proteínas que carecen del NLS pero son cotransportadas al núcleo junto con otra proteína.

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Direccionamiento cotraduccional. La vía secretora.

1. La proteína entra al RE conforme es sintetizada en el ribosoma.

2. Las proteína sale del RE en una vesícula

3. Las proteína viaja a través de la cisterna del aparato de Golgi

4. La proteína entra en una vesícula secretora que se fusiona a la membrana plasmática.

5. Las proteína es secretada.

Degradación y reciclaje de proteínas.

Las proteínas tienen una vida media determinada por lo que son hidrolizadas por varias vías.

Proteínas oxidadas

Proteínas mal plegadas

Proteínas que forman agregados

Proteínas de señalización o regulatorias

Degradación de proteínas por vía lisosomal que contienen muchas proteasas.

Degradación y reciclaje de proteínas.

Ubiquitinación.

La ubiquitina es una proteína de 76 a.a. que se une a proteínas que van a ser degradadas.

1. Una enzima activadora se une al extremo C-terminal de la ubiquitina(ATP)

2. La ubiquitina activada es transferida a una segunda enzima que reconoce a la proteína blanco

3. La ubiquitina activada se une covalentemente a residuos de Lys de la proteína blanco.

4. La proteína “marcada” con ubiquitina es reconocida por proteasas en el citosol que la degradan.

5. Estas proteasas forman un complejo de unas 28 subunidades que tiene un alto P.M. (proteasoma).

Degradación y reciclaje de proteínas.

Ubiquitinación.

Una enzima activadora se une al extremo C-terminal de la ubiquitina (ATP)

La ubiquitina activada es transferida a una segunda enzima que reconoce a la proteína blanco

La ubiquitinaactivadase une covalentementea residuos de Lys de la proteína blanco.

La proteína “marcada”con ubiquitina es reconocida por proteasas en el citosol que la degradan.

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Estas proteasas forman un complejo de unas 28 subunidades que tiene un alto P.M. (proteasoma)