TEMA 9. CODI GENÈTIC I TRADUCCIÓ PDF

Preview

Summary

Download TEMA 9. CODI GENÈTIC I TRADUCCIÓ PDF

Description

TEMA 9: CODI GENÈTIC I TRADUCCIÓ CODI GENÈTIC El codi genètic determina com la seqüència de nucleòtids especifica la seqüència d’aminoàcids de les proteïnes. Quants nucleòtids fan falta per especificar un aminoàcid? Fa falta un triplet de nucleòtids, el que anomenem codó, que s’uneix al triplet de bases del tRNA, l’anticodó. Gràcies a que la unitat bàsica del codi genètic és el codó, hi pot haver diferents combinacions de tres bases, concretament 64, la qual cosa permet que amb només quatre bases diferents es puguin codificar 20 aminoàcids. Al principi això era només una hipòtesi. Després, experimentalment, es va demostrar que era així.

La traducció in vitro d’aquesta seqüència donava un pèptid que tenia repetit el mateix aminoàcid tota la seqüència. Si es modificava aquesta seqüència per l’addició o deleció d’una base, a partir del punt on es modificava canviava la seqüència d’aminoàcids, però un altre cop era repetitiva (excepte en un aminoàcid a vegades). Si la deleció o l’addició era de dues bases passava el mateix. Però si esl canvis eren de tres bases, la seqüència d’aminoàcids canviava només en un aminoàcid, i després es restablia la seqüència repetitiva inicial. Això és una demostració de que les seqüències es llegeixen en grups de tres bases.

TAULA DEL CODI GENÈTIC Hi ha dos aminoàcids codificats per un sol codó: metionina i triptòfan. La traducció de tots els polipèptids sempre comença per metionina, així que el codó AUG és el codó d’inici de traducció. La majoria dels aminoàcids venen codificats per 2, 3, 4 o 6 codons. Quan un aminoàcid està codificat per quatre codons, els dos primers nucleòtids sempre són iguals, i només varia el tercer (en cada codó té una de les quatre bases). Quan un aminoàcid està codificat per dos codons, les dues primeres bases són iguals, i la tercera és en els dos casos una purina o una pirimidina. Si un aminoàcid està codificat per sis codons, les dues primeres bases són en tots els casos purines o pirimidines, i la tercera és variable. Els codons stop marquen la finalització de la traducció. 61 codons són codificants, i 3 són sense sentit, els stop.

CARACTERÍSTIQUES DEL CODI GENÈTIC -

El codi es llegeix en triplets. És degenerat: diversos codons determinen el mateix aminoàcid (hi ha 61 codons per 20 aminoàcids). No és ambigu, perquè si tenim un codó sabem exactament quin aminoàcid codifica. En el missatge de al seqüència de nucleòtids no hi ha cam ambigüitat. Els codons no se solapen: un nucleòtid no pot pertànyer a dos codons. El missatge de la seqüència de nucleòtids es tradueix en un marc de lectura fix, establert pel codó d’inici. Hi ha tres codons stop, de terminació de la traducció (UAA, UAG, UGA). És quasi universal (és igual en bacteris i eucariotes).

MARC DE LECTURA Cada cadena de DNA té tres marcs de lectura. En una doble cadena, per tant, hi ha sis marcs de lectura. A una seqüència llarga sense cap codó stop se li diu ORF (Open Ridin Freim). El marc de lectura en el que es tradueix un ORF el determina el primer codó que es transcriu, AUG, el que codifica per metionina. A partir d’aquest, totes les altres bases ja estaran agrupades de tres en tres.

UNIVERSALITAT DEL CODI GENÈTIC La majoria dels organismes utilitzen el mateix codi. Però alguns organismes llegeixen codons stop. En mitocondris, alguns codons tenen un significat diferent.

HIPÒTESI DE TRONTOLL Hi ha 50 tRNAs diferents en la cèl·lula, però hi ha 60 codons codificants. Això vol dir que alguns anticodons han de reconèixer més d’un codó. La hipòtesi de trontoll plantejada per Crick diu que l’aparellament de la tercera base del codó amb la primera de l’anticodó no és rígida. Com hi ha 20 aminoàcids i 50 tRNAs, els tRNAs que carreguen el mateix aminoàcid són isoacceptors. En aquest cas la G de l’anticodó reconeix tant l’uracil com la citosina d’un codó. Per tant un mateix tRNA reconeix dos codons. Això és el que exposa la hipòtesi de trontoll. L’aparellament de les dues primeres bases sempre és estricte!!

En realitat, hi ha unes normes per la hipòtesi de trontoll, que mostren els possibles aparellament entre codons i anticodons:

En l’exemple, el trontoll de la tercera base permet que tres anticodons reconeguin sis codons.

TRADUCCIÓ És el procés pel qual la seqüència de nucleòtids d’un mRNA determina l’estructura primària d’una proteïna. L’aparell descodificador d’aquesta seqüència està format per: -

Ribosomes (rRNA + proteïnes): és el lloc de síntesi. tRNA: portador d’aminoàcids. mRNA: portador del missatge xifrat. Factors addicionals: IF (Initation Factor), EF (Elongation Factor), RF (factor de terminació), en llaços fosfats...

Les etapes de la traducció són: iniciació, elongació i terminació. La maquinària general de la traducció, però, està formada pels ribosomes, el tRNA i l’mRNA. Quan diversos ribosomes estan units a una sola molècula de mRNA traduint-la alhora, a aquesta estructura se l’anomena poliribosoma o polisoma, i es generen diversos polipèptids alhora.

Poliribosoma.

-

tRNA: la molècula adaptadora portadora d’aminoàcids

Com es carrega el tRNA? Per poder-se associar amb el mRNA el tRNA ha de portar un aminoàcid, i a més l’específic pel codó que toqui. Recordem que els tRNAs isoacceptors carreguen el mateix aminoàcid, però no són la mateixa molècula. El procés de càrrega el duen a terme els enzims aminoacil tRNA sintetases: s’encarreguen d’unir l’aminoàcid amb el tRNA. Aquests enzims són específics per cada aminoàcid, per tant n’hi ha 20. Cada un s’uneix a un aminoàcid i a qualsevol dels tRNAs isoacceptors per aquell aminoàcid. L’enzim té un lloc d’unió per l’aminoàcid i un altre pel tRNA, i a partir d’aquí es produeix la càrrega. La càrrega es fa en dos passos: 1. Activació de l’aminoàcid mitjançant ATP. Un cop l’aminoàcid està activat es diu aminoacil adenilat (AA + AMP). En aquest pas s’alliberen dos fosfats inorgànics. 2. L’aminoacil adenilat interacciona amb l’extrem 3’ acceptor del tRNA, hi ha una reacció i es produeix l’enllaç covalent entre els dos. El tRNA queda carregat.

Si un tRNA es carrega amb un aminoàcid equivocat, continuarà reconeixent el mateix codó, de manera que traduirà incorrectament la seqüència de l’mRNA, ja que posarà un aminoàcid erroni

a la seqüència polipeptídica. Això passa perquè el ribosoma no discrimina entre tRNAs carregats correctament i incorrectament. Ex: hi ha un tRNA específic per cisteïna. Però al cisteïna, per una dessulfuració, es pot convertir en alanina. Llavors ara el tRNA, en comptes de tenir cisteïna té una alanina. Això fa que tots (o parcialment) els codons cisteïna siguin llegits en la traducció com codons cisteïna però s’hi posi una alanina.

El tRNA té una funció dual: lectura de la seqüència de l’mRNA mitjançant el braç de l’anticodó i incorporació de l’aminoàcid mitjançant el braç acceptor. Aquestes funcions són independent una de l’altra: l’aminoàcid que afegeix el braç acceptor no depèn del braç de l’anticodó. Si els tRNAs estan mal carregats llavors el procés de traducció donarà un polipèptid erroni per molt que la lectura s’estigui fent bé. Això s’ha observat in vitro, in vivo no és tan freqüent. Les mutacions en la replicació es mantenen i s’hereten i es transmeten a les cèl·lules filles, els de transcripció es perden (perquè per un mRNA que estigui malament no passa res si la resta són correctes). Els errors en la càrrega del tRNA tampoc són importants si només hi ha un tRNA carregat malament, ja que només hi haurà un polipèptid incorrecte però molts altres correctes. Si tots els tRNAs que llegeixen un codó estan mal carregats, però, és un problema molt greu perquè pràcticament tots els polipèptids seran erronis. Si una tRNA aminoacil sintetasa fos errònia perquè el seu gen estigués alterat, llavors carregaria malament tots els tRNAs pels quals fos específica. Aquest és un problema molt greu.

-

Ribosoma: el lloc de síntesi de proteïnes

En aquest esquema podem observar la disposició dels llocs Aminoacil, Peptidil i Exit. I com es va sintetitzant la cadena polipeptídica.

Inici de la traducció en eucariotes La interacció entre els factors de al traducció i les subunitats del ribosoma sempre comença per la subunitat petita del ribosoma. En les cèl·lules els ribosomes amb les dues subunitats associades i els dissociats estan en equilibri, més o menys en les mateixes proporcions. A la subunitat petita dissociada se li uneix el factor 3, que no permet la re-associació, i per tant bloqueja l’equilibri. Aquest factor que la subunitat petita estigui accessible per començar el procés de traducció. Llavors, a la subunitat petita amb el factor 3 se li uneix el mRNA. Al mRNA que s’ha de traduir, s’hi uneixen una sèrie de factors al cap, el més important dels quals és el 4. És necessari que aquests factors interaccionin amb el cap del mRNA per permetre l’inici de la traducció, i si hi ha alguna estructura secundària en el mRNA la destrueixen. Llavors interaccionen l’mRNA, la subunitat petita del ribosoma i el primer tRNA. Tot aquest complex es desplaça fins a trobar el primer codó (AUG), és a dir, es desplaça al llarg de la regió 5’UTR. Quan el complex troba el codó AUG s’hi uneix per complementarietat el primer anticodó, i la majoria de factors se’n van. En aquest punt, interacciona la subunitat gran del ribosoma. Ara, el complex ja està preparat per començar a afegir aminoàcids. Aquest és un procés que requereix energia, ja que la majoria dels factors que interaccionen amb el ribosoma sempre van associats a GTP, i després de la interacció el GTP s’hidrolitza per permetre l’alliberació dels factors.

La cua polyA també intervé en el principi de la traducció. Aquesta interacciona amb el cap de l’mRNA abans d’interaccionar amb el complex de subunitat petita del ribosoma + tRNA. Com ho fa? La PolyA Bindig Protein interacciona amb els factors que s’unien al cap de l’mRNA, de manera que l’mRNA agafa una estructura circular, que és la que li permet interactuar amb la subunitat petita del ribosoma i el tRNA. És llavors quan el complex per desplaça per la 5’UTR fins a trobar el codó AUG. El lloc que ocupa el primer tRNA, amb l’anticodó CAU, és el lloc P, i el del segon tRNA és el lloc A. A partir d’aquí, durant tota l’elongació, els tRNAs carregats entraran al lloc A. Per tant, el primer tRNA és l’únic que entra directament al lloc P sense passar pel lloc A. En el moment que s’alliberen tots els factors, l’mRNA deixa d’estar en estructura circular, ja que és on la cua polyA s’unia.

Hi ha un tRNAmet especial per la metionina d’inici de traducció. És el tRNAimet, que té una estructura específica i és específic per l’inici de la traducció. La resta de codons AUG al llarg de la seqüència del mRNA són reconeguts per un tRNAmet diferent.

Elongació de la traducció -

-

-

Reconeixement del tRNA: el segon tRNA reconeix el codó de l’mRNA gràcies al seu anticodó i s’hi uneix per ponts d’hidrogen entre les bases. Aquest pas requereix GTP i dos factors d’elongació (EF-Ts i EF-Tu, Ts regenera Tu). El tRNA carregat només pot interaccionar amb el ribosoma si porta GTP i el factor Tu associats. Si el tRNA en si no és l’específic del lloc perquè no té l’anticodó complementari al codó, aquest tRNA no s’acaba situant en el lloc A correctament, i aquesta situació no permet avançar el procés, així que al final s’elimina el tRNA deixant lliure el lloc A, donant l’oportunitat a un altre tRNA d’unir-s’hi. Formació de l’enllaç peptídic: aquí és on intervé la subunitat gran del ribosoma. Aquesta té una mena de butxaca amb activitat peptidil transferasa (s’anomena centre actiu de la subunitat gran) que pot formar l’enllaç peptídic entre dos aminoàcids. La reacció es fa entre l’extrem carboxil (enllaç ric en energia) de l’aminoàcid del lloc P amb l’extrem amino de l’aminoàcid del lloc A. El tRNA buit es queda en el lloc P. Translocació: és el moviment del ribosoma respecte l’mRNA de manera que el tRNA amb la cadena polipeptídica que es trobava al lloc A passa al lloc P, i el lloc A queda lliure perquè hi entri un nou tRNA carregat. Aquest pas requereix GTP i EF-G (translocasa). Aquest factor és el que s’acobla al ribosoma i promou el seu avançament. La hidròlisi del GTP fa que s’alliberi el factor G.

Terminació de la traducció Durant l’elongació es van incorporant aminoàcids fins que en el lloc A apareix algun dels codons stop (UAG, UAA, UGA). Llavors no hi ha cap tRNA que s’hi pugui associar o acoblar. Per tant, en el lloc A s’associen factors de terminació, sobretot l’1 i el 3. RF1 (Factor de Terminació 1) s’associa al ribosoma i té una similitud que fa que es pugui acoblar bé al lloc A. RF1 allibera la cadena polipeptídica produint la hidròlisi de la seva unió covalent amb el tRNA. Quan la cadena polipeptídica s’allibera entra el factor 3, RF3, que va unit a GDP. Això provoca que s’alliberi el factor RF1, i entri GTP. El GTP substitueix el GDP activant el RF3, que s’associa al lloc A. La hidròlisi del GTP unit a RF3 provoca la dissociació de les dues subunitats del ribosoma, dels tRNA i del mRNA. Ara pot tornar a començar el procés.

RESULTAT DE LA TRADUCCIÓ EN PROCARIOTES I EUCARIOTES Els mRNA, en bacteris i eucariotes són molt diferents perquè provenen d’estructures gèniques molt diferents: en bacteris hi ha unitats transcripcionals policistròniques, i en eucariotes sempre són monocistròniques (un gen  una unitat transcripcional). En eucariotes la subunitat petita del ribosoma s’acobla al cap, i a partir d’aquí es reconeix el primer codó d’inici de síntesi del polipèptid, i s’elonga fins que s’arriba al codó stop. En bacteris es formen diferents proteïnes alhora, ja que en un mRNA hi ha diverses seqüències d’inici i finalització de traducció, cada una codificant per una proteïna diferent. Això vol dir que en un mateix mRNA es donen processos de traducció diferents. Només hi ha UTRs al principi i al final de tot el mRNA.

mRNAs DEFECTUOSOS Els mRNAs defectuosos són detectats durant la traducció. En eucariotes hi ha un control de la qualitat del mRNA.

DEGRADACIÓ DEL mRNA AMB UN CODÓ STOP PREMATUR Si hi ha un codó de terminació prematur, quan la seqüència es tradueixi, el procés de traducció acabarà abans. A més, l’mRNA es degrada i no es torna a produir més, perquè la cèl·lula ja ha detectat que era incorrecte. Després de l’splicing, els punts d’unió entre exons queden marcats per unes proteïnes que serveixen perquè s’hi uneixin unes proteïnes que porten l’mRNA madur del nucli al citoplasma. Si hi ha un codó de terminació prematur, la senyal per degradar aquest mRNA la produeixen les proteïnes Upf que s’uneixen a les zones d’unió entre els exons, que el que fan és eliminar el cap del mRNA, deixant-lo sense protecció davant les exonucleases, que degraden l’mRNA en sentit 5’ 3’. El control de qualitat s’encarrega de que aquest mRNA no es troni a produir.

mRNA SENSE CODÓ DE TERMINACIÓ Si no hi ha codó stop, el complexe de la traducció continua traduint també la cua polyA i la regió 3’UTR. La traducció de la cua polyA dóna lloc a moltes lisines seguides en el polipèptid. La traducció de la cua polyA provoca que unes proteïnes s’associïn al ribosoma (Sk7 i exosoma, un complex de proteïnes). Aquestes proteïnes degraden tot el complex de traducció, i a la vegada els exosomes degraden l’mRNA a partir de la cua polyA en sentit 3’5’. El polipèptid sintetitzat té al final una cua de poli-lisines. Això és una senyal per què aquest polipèptid vagi al proteosoma a ser degradat.

MODIFICACIONS POST-TRADUCCIONALS DE LES PROTEÏNES Tots els polipèptids han de patir un procés de modificacions per convertir-se en proteïnes funcionals. Han de patir plegaments a nivell d’estructura secundària (hèlix α o làmina β), d’estructura terciària, poden tenir metilacions, acetilacions, se’ls pot addicionar lípids, glúcids... Algunes proteïnes poden ser funcionals per si mateixes, però la majoria s’ha d’unir amb altres polipèptids per formar una proteïna funcional. Tots aquests passos són mecanismes de control, ja que si el polipèptid té una modificació a nivell de seqüència que fa que no es pugui plegar bé, o no pugui unir-se a un complex, les xaperones faran la seva funció (ajuden a agafar els plegaments correctes) i sinó poden fer que agafin l’estructura correcte les portaran al proteosoma, on es degradaran.

BLOQUEIG DE LA TRADUCCIÓ La traducció és un procés molt important. Si s’inhibeix o es bloqueja un pas, ja queda tot el procés bloquejat. Hi ha una sèrie de compostos químics que poden interferir amb la traducció. Són molècules que actuen com a antibiòtics (també poden actuar en procariotes). Molts antibiòtics tenen el seu punt d’acció en el procés de traducció. Totes les modificacions que provoquen en el procés de traducció són letals. La tetraciclina és específica de bacteris. Actua sobre la subunitat petita del ribosoma. Inhibeix la unió al lloc A del tRNA carregat amb l’aminoàcid. En el següent esquema podem veure com diferents antibiòtics actuen en punts molt diferents de la traducció, però sempre provoquen un bloqueig total i letal.

La puromicina s’acobla al lloc A del ribosoma. A més, té un grup amino que permet que es creï un enllaç peptídic amb la cadena polipeptídica del lloc P. Llavors el polipèptid passa a estar unit a la puromicina. El ribosoma avança un lloc i deixa el lloc A lliure, però quan entra el següent tRNA no pot formar un altre enllaç peptídic. La traducció s’acaba amb la puromicina....