Download Diapositiva 1 - Genética y Biología Molecular

Universidad Nacional
Autónoma de México
Facultad de Química
Curso Genética y Biología Molecular (1630)
Licenciatura
Químico Farmacéutico Biológico
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 particulares
El alumno...
1. Código genético,
universalidad,
características y el
tRNA como
molécula
adaptadora.
2. Componentes del
aparato de
traducción.
1.1. Definirá el concepto de codón, clases de codones y su
ubicación en la tabla del código genético
1.2. Interpretará al código genético como el conjunto de claves
que identifican a cada aminoácido en el marco de su
universalidad y degeneración.
1.3. Distinguirá la existencia de aminoácidos especiales como
formil-metionina y selenocisteína y su relación con los codones
que se han definido.
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.
1.5. Examinará las funciones que desempeña el RNAt como
molécula adaptadora entre el RNAm y las proteínas.
1.6. Definirá la hipótesis del bamboleo (Wobble) y su
importancia.
2.1. Describirá a los ribosomas procariontes y eucariontes, sus
componentes de RNA ribosomal y proteínas, sus
características estructurales y propiedades físicas.
2.2. Nombrará la función propia de cada una de las
subunidades ribosomales durante el proceso de traducción.
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).
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.
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.
Conoci- Compren- Aplicamiento
sión
ción
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Objetivos particulares
El alumno...
3. El proceso de
traducción.
4. Regulación de la
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.
3.2. Nombrará los factores de inicio de traducción en
procariontes y los pasos secuenciales que implica esta etapa.
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.
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.
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.
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.
4.1. Clasificará los diferentes niveles de regulación que
requiere una traducción fidedigna.
4.2. Distinguirá las diferencias entre la traducción procarionte y
eucarionte a nivel de temporalidad y localización respecto a la
transcripción del mRNA.
Conoci- Compren- Aplicamiento
sión
ción
X
X
X
X
X
X
X
X
CÓDIGO GENÉTICO Y TRADUCCIÓN
Características
del código
genético
1. Es universal
2. Es de tripletes
(codones)
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
Generalmente un aminoácido está codificado por codones
con secuencias similares en la primera y segunda posición
y 3 codones que no codifican aminoácidos, son señales de paro
5. El código genético es redundante
¿Cuál es la molécula encargada de equiparar el
código de nucleótidos al código de aminoácidos?
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.
3’
5’
5’
3’
Los tRNA
Se encargan de llevar los
aminoácidos a los ribosomas
tienen una longitud de aproximadamente 80 nucleótidos
Reconocimiento codón/anticodón:
“el bamboleo (wobble)”
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.
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
EL RIBOSOMA
Subunidad grande
tRNAs
30 nm
Subunidad pequeña
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
Elementos que regulan el destino de un
mRNA eucarionte
Genome Biology 2002
En eucariontes, el mRNA que se va a
traducir es reconocido por el CAP
(7mGpppG)
•Otras modificaciones del cap:
m2,3,7G en snRNP’s
Funciones:
Protección (5’ – 3’ exonucleasa)
Traducción
Splicing
Procesamiento
El ribosoma: máquina molecular
Ribosoma: 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
Aminoacilación del tRNA
1. Formación de
aminoacil-adenilato
2. Síntesis de aminoacil-tRNA
1 ATP!
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.
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
...continuación
Aminoacil tRNA sintetasas
Clase I
Aminoacil tRNA sintetasas
Clase II
¿Cómo está cargado el aminoácido en el tRNA?
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
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
RIBOSOMA
Sitios funcionales en el ribosoma
Centro peptidil transferasa (PTC)
A: aceptor
P: peptidil
E: salida (exit)
Centro activador
de GTPasa
Centro decodificador
Inicio
subunidades del ribosoma
mRNA
tRNAf-met
factores de inicio
GTP
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
Shine-Dalgarno
5’-AGGAGGU-3’
INICIO
Para el inicio de la traducción:
 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 procariontes
eIFs eucariontes
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
En la mitad de los casos, la
metionina es removida de
la proteína
Reconoce los codones AUG ó GUG
Inicio de la traducción en
procariontes
IF1
IF2
IF3
50S
30S
[Mg2+]
+
3
fMet
3
1
GDP
2
fMet
2
Shine-Dalgarno
fMet
3
1
3
AUG
+
GTP
fMet
2
2
1
AUG
complejo de inicio de
la traducción
GTP
3
1
GTP
Factores de inicio de la traducción en
procariontes
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
f-met
5’
aa-tRNA
IF3
IF1
E P A
3’
adición del 5’ 7mGpppG (cap)
terminación
splicing
poliadenilación
exportación
En eucariontes, el mRNA
debe ser procesado. El
procesamiento define su
destino.
- Capping
- Splicing
- Poliadenilación nuclear
- Exportación nuclear
- Poliadenilación citoplasmática
almacenaje
traducción
- Localización citoplasmática
Traducción
degradación
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
eIF2B
intercambia
GDP x GTP
en eIF2
eIF2•GDP
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 ShineDalgarno como en procariontes. El primer AUG que
permita pausar el ribosoma debe tener un entorno
adecuado
5’CAP
40S
C
C
A
G
C
consenso
C
A U G
G
Resumen del
inicio de la
traducción en
eucariontes
eIF3-eIF4G
La proteína eIF4G es una proteína de anclaje
PABP
2Apro
eIF4E
eIF4A
eIF4A
eIF3
132
1046
572 642
1201
1411 1560
Porción utilizada para la traducción
independiente de Cap
PABP
eIF4A
eIF4E
eIF4A
eIF3
132
Ya no funciona en
traducción
572
642
1046
1201
1411 1560
X TRADUCCIÓN DEPENDIENTE DE 5’ CAP
Apoptosis
Infeccion viral
Ciertos puntos del ciclo celular
Alargamiento
ribosoma
mRNA
tRNAs-aa
factores de alargamiento (elongation factors)
GTP
GTP
x aa
Entrada del aminoacil tRNA
Factores de alargamiento
Bacteria
EF-Tu
EF-Ts
EF-G
Eucariontes
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
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
ribosoma
mRNA
factores de terminación
GTP
proteína
subunidades ribosoma
mRNA
tRNA libre
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
traducción
Se hidrolizan 2 GTPs por cada aminoácido incorporado
La hidrólisis promueve cambios conformacionales
Cargado de tRNA con su aminoácido
1 ATP /aa
TRADUCCION
Iniciación
Elongación
Terminación
1 GTP (1er aminoácido)
2 GTPs /aa
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- Centro PTC subunidad 50S
rionte
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
eIF2  GTP
eIF4E
eIF4G
eIF2B
tRNAmet
2
Formación del
complejo ternario
PABP
1
Reconocimiento
del mRNA por
el complejo 43S