Código Genético y Biosíntesis de Proteínas: Procesos Clave en Biología

BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS EN PROCARIOTAS

mRNA procariotico LEADER CODIFICANTE TRAILER TER PPP-5' AGGAAG AUG UGA 3 Secuencia Shine-Dalgarno Codon INICIO Codon STOP Lectura desde el triplete de iniciación (AUG) en sentido 5'-> 3' NO solapado, es secuencial y sin saltos Un primer codón específico determina el 'marco' de lectura: secuencia lineal de tripletes contiguos *Zonas Leader y Trailer NO se traducen Nonoverlapping code 1 2 3 AUACGAGUC. L Reading frame 1 5'- UUCUCGGACCUGGAGAUUCACAGU 3' Reading frame 2 -UUCUCGGACCUGGAGACCUGGAGAUUCACAGU - Reading frame 3 -- UUCUCGGACCUGGAGAUUCACA GU --- Sólo es válido un marco de lectura

La biosíntesis de proteínas a partir del molde de mRNA requiere : mRNA aa tRNAS Ribosomas ATP y GTP (energía) Mg2+ Factores proteicos Enzimas no ribosomales

Apareamiento codón-anticodón

Aminoácido Aminoacil A Brazo Aceptor 5'T ... Brazo TTC ... ... A Y ( G R A ... ... Brazo Variable Brazo Anticodon ... Y U R- 1 2 3 Anticodon .. MRNA 321 5' Codon Enlace de ALTA ENERGÍA La energía del ATP usada en la primera reacción queda depositada en la unión química entre el aminoácido y la Adenina 3' del brazo aceptor -CCA-3' 3'end of tRNA Adenine -H 2' Enlace ester que activa el aa H- OH H O H- 0-C -C-R 3' CH2 I O Ī +NH 3 0 Aminoacyl group "O-P=0 -O O Aminoacilación tRNA: 5' pG Amino acid arm El grupo aminoacilo está esterificado en 3' de A terminal. D TựC arm arm Anticodon arm ... Brazo D R G ...

El "balanceo" hace posible que algunos tRNA reconozcan más de un codón 3' 5' tRNA Anticodon 32 1 UAG mRNA 5' 3' AUC 123 Codon -Existen 20 amínoacil-tRNA sintetasas diferentes, cada una reconoce a un aa y a los tRNAs compatibles (une el aa con el tRNA correspondiente) -Existen 31 tipos de tRNA (+1 de inicio: tRNA-iniciador) y cada aminoacil-tRNA sintetasa identifica los tRNA por su anticodón, permitiendo la unión del aa correcto al tRNA correcto. -Las aminoacil-tRNA sintetasas poseen 'capacidad autocorrectora', rompiendo el enlace aa-A en 3' si no son compatibles. Las primeras dos posiciones de cada anticodón son más específicas (responsables mayor parte especificidad) es la última la que se 'balancea'

Las primeras dos posiciones de cada anticodón son más específicas (responsables mayor parte especificidad) que la 3 que se 'balancea' Cuando un aa es especificado por varios codones, los codones que difieren en cualquiera de las 2 primeras bases requieren tRNA diferentes 20 a.a. 43=64 Tripletes Codones SIN SENTIDO (stop): UAA, UGA, UAG DEGENERADO: 1 a.a. -+Más de 1 codón Balanceo de la tercera base

Degeneración del Código Genético

TABLE 27-4 How the Wobble Base of the Anticodon Determines the Number of Codons a tRNA Can Recognize 1. One codon recognized: Anticodon (3') X-Y-C (5') (3') X-Y-A (5') Codon (5') Y-X-G (3') (5') Y-X-U (3') 2. Two codons recognized: Anticodon (3') X-Y- U (5') (3') X-Y-G (5') 11 Codon (5') Y-X-4 (3') (5') Y-X-G (3') 3. Three codons recognized: Anticodon (3') X-Y-1 (5') Codon (5') Y-X- (3') Note: X and Y denote bases complementary to and capable of strong Watson-Crick base pairing with X' and Y', respectively. Wobble bases- in the 3' position of codons and 5' position of anticodons-are shaded in pink. First letter of codon (5' end) Second letter of codon CODIGO GENÉTICO U C A G UUU Phe UCU Ser UAU UAC Tyr Tyr UGU Cys UGC Cys U UUA UUG Leu UCA UCG Ser UAG Stop UGG UGA Stop Trp CUU Leu CCU Pro CAU His His CGU Arg CUC Leu CCC Pro CAC CGC Arg C CUA Leu CCA Pro CUG Leu CCG Pro CAA CAG Gln Gln CGA CGG Arg Arg AUU Ile ACU Thr AAU Asn Asn AGU Ser AUC Ile ACC Thr AAC AGC Ser A AUA Ile ACA AUG Met ACG Thr Thr AAA AAG Lys AGA AGG Arg GUU Val GCU Ala GAU GAC Asp Asp GGC GGU Gly Gly GUA Val GCA Ala GUG Val GCG Ala GAA GAG Glu Glu GGA GGG Gly Gly UUC Phe UCC Ser Ser UAA Stop Lys Arg GUC Val GCC Ala G Leu

DEGENERADO: 1 a.a. Más de 1 codón Balanceo de la tercera base TABLE 27-3 Degeneracy of the Genetic Code Number Amino acid Number of codons Amino acid of codons 2 aa de los más infrecuentes Met 1 Tyr 2 Trp 1 lle 3 Asn 2 Ala 4 Asp 2 Gly 4 Cys 2 Pro 4 Gln 2 Thr 4 Glu 2 Val 4 His 2 Arg 6 Lys 2 Leu 6 Phe 2 Ser 6

Síntesis de proteínas en Ribosomas

El ribosoma es una compleja máquina supramolecular Ribosoma diámetro entre 10-30 nm SubUnidad Grande SubUnidad Pequeña ARN Bacterial ribosome 70S Mr 2.7 x 106 Eukaryotic ribosome 80S Mr 4.2 × 106 50S 60S L Mr 1.8 x 106 Mr 2.8 x 106 5S rRNA (120 nucleotides) 23S rRNA (3,200 nucleotides) 36 proteins 5S rRNA (120 nucleotides) 28S rRNA (4,700 nucleotides) 5.8S rRNA (160 nucleotides) ~ 49 proteins 30S 40S S Mr 0.9 x 106 16S rRNA (1,540 nucleotides) 21 proteins Mr 1.4 x 106 18S rRNA (1,900 nucleotides) ~ 33 proteins

Los ribosomas tienen 3 lugares de unión para los tRNA (A) (B) 50S subunit x 70S ribosome 30S E site P site A site E site P site mRNA A site -La subU menor o S o 30S : se fija al mRNA situando el codon de inicio AUG en posición correcta para el ensamblaje con la subU grande del ribosoma. -La subU mayor o L o 50S: posee actividad peptidil-transferasa. Tres sitios de unión: -Sitio P o Peptidil: donde se localiza la cadena de proteína en formación. -Sitio A o Aminoacil: donde entraría el siguiente aminoacil-tRNA para ser añadido a la cadena. Ambas con tRNA unido al mRNA (codón-anticodón) -Sitio E (de Exit) Las proteínas ribosómicas formarían una especie de "túnel" por el que saldría la cadena polipeptídica a medida que se sintetiza.

Formación del complejo de iniciación

IMet IMet Subunidad grande 3º UAC 5 UAC 5' 3 P A P A Subunidad pequeña mRNA Val [Met P A ÚÁC AUG P A Ribosoma entero -Se inicia con el reconocimiento de la sec "Shine-Dalgarno" por la subU pequeña del ribosoma y la fijación del mRNA situando el codón de inicio AUG en posición correcta. -Se produce la unión del formil-metionil-tRNA(i) al codón de inicio AUG (primer apareamiento codón-anticodón), y, mediante gasto de GTP, el ensamblaje de la "subunidad grande" del ribosoma. / 3' AUGI

Elongación de la cadena proteica

fMet-tRNA, en lugar P EF-Tu Guanine nucleotide 50S Tunnel Aminoacyl- tRNA E Sitio A A vacio P E P A 30S Apareamiento codon de inicio AUG con anticodon de la fMet-tRNA; Comienzo de un ciclo de elongación EF-Tu Aminoacyl-tRNA binding Entrada de un nuevo aa-tRNA (lugar A) unido al factor de alargamiento EF-Tu activo (con GTP)

Elongación de la cadena proteica: formación del enlace peptídico EF-Tu Peptide-bond formation Apareamiento del siguiente codon con anticodon del aa-tRNA entrante Actividad PEPTIDIL-TRANSFERASA Comprobación que la lectura es correcta

E site P site A site fMet-tRNAfMet C=O H NH2 R -H R2- C-H O o= -U-O 5' 5' UAC mRNA 5' AUG 3' P A peptide bond formation * E site site A site I-U - H R1- = NH R2-D-H Dipeptidyl- tRNA2 OH O= C 5' 5 1 UAC E 5' AUG 3' P i A Actividad PEPTIDIL-TRANSFERASA Actividad peptidil-transferasa, existente en la subunidad grande, cataliza la ruptura enlace éster (rico energético) entre el aa1 y el tRNA del sitio P (inicialmente f-Met), y la formación del enlace peptídico entre este aa1 y el aa- tRNA del sitio A, obteniéndose un peptidil-tRNA (localizado en A por muy poco tiempo)* I-U-Z-U-U-O H Aminoacyl- tRNA2 1 E Deacylated tRNAfMet 0 Z-U-UMa&6 aa ~ 1RNA Adición nuevo aa-tRNA (EF-Tu) Resumen de la elongación 5 1886 aas P A E سسسـ 3' aas P site E site - -A Sh. Peptidyl-tRNA LAW-WWW_3. 5' mRNA Codon 5 | Codon 7 Codon 4 Codon 6 5 Cycle complete: ready to start again to add amino acid corresponding to codon 7 Has * A E 5 4 5 6 EF-G Translocación Ribosome is ready to start another cycle 2.85 -GDP EF-G + P GTF EF-G E P A M GTF tRNA 5 5 6 4 5 6 4 Enlace peptídico + Peptide bond formation; chain transfer from peptidyl tRNA to aminoacyl tRNA 82.5 P O 3 Translocation of peptidyl tRNA from A site to P site. Ribosome moves one codon to the right, and the now uncharged tRNA (still bound to codon 5) moves from P site to E site Ribosome

Destino de las proteínas

Las proteínas destinadas a secreción, integración en membranas o lisosomas comparten, generalmente, los primeros pasos de una ruta que empieza en el retículo endoplásmico (RE) Luego utilizan mecanismo distintos, determinados por una corta secuencia de aa denominada péptido señal: dirige a la proteína hacia su localización apropiada en la célula A menudo es eliminada durante el transporte o al alcanzar destino final Se han identificado centenares de estas secuencias de destino final (N-terminal) ARE Péptidos señal de varias proteínas Punto de escisión Hormona de crecimiento humana MATGSRTSLLLAFGLLCLPWLQEGSA FPT MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAA FVN Proinsulina humana Prealbúmina bovina Cadena pesada de anticuerpos de ratón Lisozima de pollo Promelitina de abeja Proteína de la gelatina de Drosophila Proteína 19 del maíz Invertasa de levadura Virus A de la gripe humana ML LOAFLFLLAGFAAKISA MKAKLLVL LYAFVAG MKWVTFISLL LFSSAYS RG V MKVLSLLYLLTAIPHIMS MRSLL ILVLCFLPKLAALG DVQ KVF APE CKD MKFLVNVALVFMVVYISYIYA MK LLVVAVIACML IG FADPASG MAAK IFCLIMLLGL SASAATA SIF SMT DQ I

MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES

• Ruptura proteolítica de cadenas polipeptídicas: p. ej .: Activación de Zimógenos: Inhibidor Inactiva Pepsinógeno A Pepsina A Pepsina A Tripsinógeno Enteropeptidasa Tripsina Activa Quimotripsinógeno Tripsina Quimotripsina
• Modificación de cadenas laterales de aminoácidos: -Formación de PUENTES DISULFURO ( Cys). -FOSFORILACIÓN (Ser, Thr, Tyr + P-Ser, P-Tyr). -Ubiquitina o SUMO ( moléculas señalizadoras de degradación) Cytoplasm mRNA Protein Ribosome Phosphorylation

Carbohydrate Protein Glycosylation Protein Ubiquitin Protein SUMOylation - CARBOHIDRATOS: glicosilación de (Asn, Ser, Thr, ó Hyl) con mono o disacáridos. - LÍPIDOS: -Acidos grasos (Mirístico y Palmítico). -Fosfolípidos (Fosfatidil inositol). -Isoprenoides (Farnesilo y Geranilo). - Phosphate Nucleus Protein Ubiquitylation -Adición de grupos voluminosos a residuos específicos: