III c Código Genético

III. Material genético
c. Código genético.
EL CÓDIGO GENÉTICO
Para este 1960 se conocían ya las estructuras del ADN y ARN.
Se sabía que el ADN dirigía la síntesis del ARN (Trascripción).
Y que el ARN dirigía la síntesis de proteínas a través del RNAt
(Traducción).
También estaba demostrado que las mutaciones en el DNA restringían
la expresión de ciertas proteínas.
Se sabía que el DNA se encontraba en el núcleo, mientras que el RNA
era particularmente abundante en el citoplasma, donde se sintetizan
las proteínas.
HOW ???
Proteínas hechas de una combinación de 20 aminoácidos:
El ADN consta de 4 nucleótidos:
GCAT
EL RNA consta también de 4 nucleótidos:
GCAU
- George Gamow (1954): Primer
modelo basado en la reciente
descripción de le doble hélice de
Watson y Crick. En su propuesta
original, a la que llamó “código
diamante”, el DNA como tal
funcionaba como el molde sobre el
que
se
ensamblaban
los
aminoácidos para formar proteínas.
“cada aminoácido debería estar
codificado por un triplete específico
de nucleótidos” CODON
AAA, AAG, AAC, AAT
- Sol Spiegelman (1961):
AAA, AAG, AAC, AAU.
- Severo Ochoa y Marianne Grimberg-Manago (1955), Kornberg y Ochoa
Nóbel en 1959. Descubrieron la polinucleótido fosforilasa, con la cual
logró sintetizar un RNA in vitro sin necesidad de molde.
RNA poli-A, RNA poli-G, RNA poli-U
- Marshal Warren Nirenberg et al., 1961:
RNAm sintético constituido solamente por nucleótidos de uracilo poli-U.
la primera palabra del código: UUU = fenilalanina
64 combinaciones posibles de tripletes
-1 base/codón = 4 aa’s
-2 bases/codón = 16 aa’s
-3 bases/codón = 20 aa’s
Descifran el código genético en junio de 1966
Formando codones o tripletes del RNAm para todos los aminoácidos
1961-1966 Nirenberg, Khorana, Holley, Ochoa y Grunger-Manago
RNA polimerasa. Como se sospechaba cada triplete (codon) codificaba
para un aminoácido. Ya que hay 4 ribonucleótidos entonces hay 64
codones.
UUU-UUU-UUU-UUU
CCC-CCC-CCC-CCC
AAA-AAA-AAA-AAA
UAU-UAU-UAU-UAU
1
=
=
=
=
Phe-Phe-Phe-Phe
Pro-Pro-Pro-Pro
Lys-Lys-Lys-Lys
Tyr-Tyr-Tyr-Tyr
UUU-AAA-UAU = Phe-Lys-Tyr
2
UUU-AAA-UAU-UUU-AAA-UAU = Phe-Lys-Tyr-Phe-Lys-Tyr
UUU-AAA-UAA-UUU-AAA-UAU = Phe-Lys
3
UAA = Codon-STOP
Ver experimento « Cracking the genetic code »
Experimento desarrollado por Marshall Nirenberg y colaboradores
para descifrar el código genético
Código genético “universal”
•
Degenerado
43 = 64 codones:
61 para aa
3 nonsense
STOP:
UAA ("ocre")
UAG ("ambar")
UGA (“ópalo")
START: Met
ATG ó AUG
¾Hay excepciones al código restringidas a algunos procariotas y las mitocondrias
Excepciones al codigo
Las mitocondrias de animales y microorganismos (no
plantas) utilizan UGA para codificar triptofano y no como un
finalizador de síntesis.
La mitocondria animal utiliza AUA para metionina, no
isoleucina.
Las mitocondrias de vertebrados utilizan AGA y AGG para
finalizar síntesis (STOP).
En las levaduras, las mitocondrias, asignan todos los
codones que comienzan con CU para sintetizar treonina en
lugar de leucina.
En cambio, las mitocondrias de las plantas usan el código
universal, lo que ha permitido a las angiospermas transferir
genes mitocondriales al núcleo de manera muy natural.
En procariotas el codon de inicio también puede ser: GUG y UUG.
Por ejemplo, Escherichia coli,
Enterobacteriaceae, emplea en un
una
83% de los casos ATG (AUG en el ARN),
14% GTG (GUG en el transcrito)
3% TTG (UUG en el ARN) y aún algún otro.
The distribution of start codons is as follows:
ATG, 3542
GTG, 612
TTG, 130
There is also one ATT and possibly a CTG
bacteria
de
la
familia
Código secuencial, sin puntuación o traslape
El numero de codones para cada aminoacido no se
correlaciona con su frecuencia de uso en proteinas
Los aa mas sencillos son los mas representados → minimiza efecto por mutaciones
E.g. CUC por CUG es Leucina o bien CUU por AUU es isoleucina, un aa relacionado.
Aminoacil-RNAt-sintetasas (ARS): Activación del RNAt
Existen dos tipos de ARS que tienen diferentes puntos de anclaje sobre la
molécula de RNAt, dependiendo de la secuencia de esta última. Es así como la
conformación espacial del RNAt habilita a alguna de las dos clases de ARS a
unirse y pegar el aminoácido correspondiente.
Clase I: Incorpora el aminoácido en el carbono 2’ de la ribosa en la adenina terminal 3’
Clase II: Incorpora el aminoácido en el carbono 3’ de la ribosa en la adenina terminal 3’
3’
5’
ARS
Clase I
A
C
C
ARS
Clase II
9 Más de un tipo de RNAt puede acarrear el mismo aminoácido
Sitios
de
mayor
especificidad
involucrados en el reconocimiento y
acoplamiento de las ARS.
Sitios conservados que permiten que
diferentes tipos de RNAt puedan
portar el mismo aminoácido.
Secuencia consenso (común) a todos los RNAt
Si estas bases están en la primera
posición (tambaleante) del anticodon….
Entonces el RNAt
reconoce codones
con estas bases en
la tercera posición.
Si estas bases están en la tercera
posición (tambaleante) del codon….
Entonces el codon
puede ser reconocido
por un RNAt que tenga
estas bases en la
la primera posición del
anticodon.
Lectura de Prueba: Precisión RNAt-aa´s
El reconocimiento del RNAt correcto esta
pricipalmente controlado por la afinidad de la
aminoacil-RNAt-sintetasa por su RNAt específico y
además la aminoacilación del residuo de aa cuando
no es el correcto es muy lenta. En resumen, la
selección del aminoacido correcto esta favorecido
sobre alguno incorrecto en un orden promedio de
250:1
Tasa de error
Activación de la ARS con un aa incorrecto: 1/225
Incorporación del aa incorrecto al RNAt: 1/270
Tasa global de error: 1/60,000
Lectura de Prueba (Corrección mediante Proofreading)
Mediante un cambio de conformación espacial en la ARS se
promueve la hidrólisis del aa incorrecto o bien, una vez
formado el complejo ARS-aa-RNAt, el aa incorrecto es
hidrolizado
RNAt supresores
Cuando una mutación es capaz de restaurar otra
mutación se habla de supresión. Por tanto un
RNAt supresor es una molécula mutada de RNAt
que tiene anticodones que pueden leer nuevos
codones.
Una mutación cambia un codon en el RNAm, de
manera que el producto peptídico ya no es
funcional. La mutación supresora cambia el
anticodon en el RNAt de manera que reconoce el
codon mutado asi como el codon original en el
RNAm.
RNAt supersor sin sentido (nonsense): Restaura
mutaciones que hacen que un codon para un
aminoacido cambie por un codon de terminación.
RNAt supresor de sentido equivocado (missense):
Restaura mutaciones que hacen que un codon para un
aminoácido cambie por un codon para un aminoácido
distinto.
Supresores sin sentido (nonsense)
La tabla muestra las mutaciones
supresoras de los RNAt con el
que contrarrestan la mutación del
codon
silvestre
(wild
type)
evitando que la proteína deje de
sintetizarse.
Cuando el codon silvestre muta y
se convierte en una señal de
terminación, esta solo puede ser
reconocida por un factor de
liberación
que
separa
las
subunidades
ribosomales
y
termina la síntesis de la proteína.
El RNAt supresor compite con el factor de liberación y dada su mayor afinidad,
este se incorpora y permite que la síntesis continúe. Si el aminoácido incorporado
es el mismo que estaba antes no hay cambio en la función de la proteína. Si es un
aminoácido nuevo, la actividad de la proteína puede verse reducida o alterada.
Existe un tipo de RNAt supresor sin sentido
que modificando su conformación espacial, le
da mayor estabilidad a la hélice y esto hace
que puedan aparearse bases sin seguir las
reglas generales de la posición tambaleante
(wobbling position) en el complejo codonanticodon.
En algunos casos un RNAt supresor sin
sentido puede provocar que un codon
silvestre de terminación no sea reconocido.
Al incorporarse al sitio de terminación, el
RNAt supresor coloca un aminoácido
evitando que el factor de liberación de las
subunidades ribosómicas suspenda la
síntesis de la proteína. Como consecuencia
un supresor RNAt sin sentido puede
promover que se produzcan proteínas de
mayor longitud que las silvestres.
Supresores de sentido equivocado (missense)
• En este caso la mutación que genera que un codon coloque un
aminoácido que no corresponde con la secuencia nativa de la proteína
puede ser suprimida insertando un RNAt mutado que reconoce ese codon
mutado insertando el aminoácido nativo o bien un aminoácido que no
altere el funcionamiento de la proteína.
• En sentido estricto cualquier alteración en la secuencia de aminoácidos
constituye una mutación de sentido equivocado. Sin embargo, muchas de
estos cambios no son evidenciados pues la redundancia del código, las
supresiones con RNAt mutados y la potencial aceptación de un aminoácido
que no altere drásticamente la función de la proteína, oculta muchos de los
cambios y por tanto estos no pueden ser evidenciados.
**Un supresor de sentido equivocado muy probablemente puede
ser un promotor de mutaciones. Nada impide que un codon mutado
pueda reconocer otros sitios normales y que se inserte un
aminoácido incorrecto. La afinidad por los RNAt silvestres es mayor
y de esta manera se reduce el potencial incremento en errores de
incorporación por todos los supresores presentes.
RNAt y su influencia en el marco de lectura
El marco de lectura de un RNA mensajero es generalmente invariable,
comenzando con un codon AUG y terminando en alguno de los codones de
terminación. La lectura de este marco de lectura se realiza de corrido por lo que
si hay una inserción o una deleción se produce un cambio en el marco de
lecutra del punto de la mutación hacia delante. Esto produce que se traduzca el
mensajero a una proteína completamente distinta.
Un supresor de marco de lectura restablece el marco de lectura original
compensando las deleciones y las inserciones en un gen. Sin embargo,
tambien algunas moléculas de RNAt con propiedades aberrantes funcionan
como supresores extragénicos de errores en el marco de lectura.
Algunos errores originados del copiado del DNA quedan como repeticiones de
ciertas bases y esto puede ser solventado por la presencia de anticodones
aberrantes que reconocen 4 bases en lugar de 3.
• Otra forma de solventar estos
errores
de
desplazamiento
o
corrimiento del marco de lectura
(generadas por inserciones) es
mediante un mecanismo que se
conoce como “reconocimiento de
secuencias resbalosas” en las que el
ribosoma
puede
saltarse
o
regresarse una base mientras
incorpora aminoácidos a la cadena
polipéptidica.
• Esto quiere decir que la rara pero
predecible ocurrencia de eventos de
lectura
errónea
pueden
ser
considerados como necesarios para
la traducción normal de algunos
genes.
• En la figura se aprecia como en
ausencia del aminoácido raro
Arginina (Arg) el ribosoma se
resbala un ribonucléotido, leyendo
de nuevo los tripletes. Esto permite
la sintesís de un componente extra
del péptido, gen que no hubiera sido
traducido en presencia de arginina.
RNA polimerasa III
Membrana
nuclear
RNA polimerasa I
DNA
RNAt
RNAhn
RNA
Polimerasa II
aminoácidos
RNAr
Aminoacil-RNAt
anticodon
Riboproteína
Ribonucleótidos
Cadena polipeptídica
en síntesis
Poro
nuclear
codon
RNAm
Ribosoma
5
6
4
1
7
8
10
3
9
2
11
19
12
18
17
16
13
14
15