capítulo 7 usando o código genético. 7.1 - introdução códons – trios de nucleotídeos...
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Capítulo 7Capítulo 7
Usando o Código GenéticoUsando o Código Genético
7.1 - Introdução7.1 - Introdução
• Códons – trios de nucleotídeos organizados do 5’ para o 3’. Correspondem à seqüência de aminoácidos do N-terminal para o C-terminal
• Estudo do código:
Uso de ácido poliuridílico (poliU) polifenilalanina
Uso de um trinucleotídeo, que se liga ao ribossomo e a um tRNA.
7.1 - Introdução7.1 - Introdução
• Há mais códons (61) do que aminoácidos
• Códons representando o mesmo ou aminoácidos similares tendem a ter seqüência similar
• Normalmente a terceira base não é significante. Algumas vezes distingue-se purina de pirimidina.
7.1 - Introdução7.1 - Introdução
• O pareamento dos trinucleotídeos é potencializado pelo ambiente do sítio A ribossomal
Reações adicionais são permitidas na terceira base
Um mesmo tRNA pode reconhecer mais de um cédon
7.1 - Introdução7.1 - Introdução
Aminoácidos similares
Códons similares
Efeitos de mutações são diminuídos
7.1 - Introdução7.1 - Introdução
Universalidade do código Estabelecimento no começo da evolução
Pequeno número de códons representava pequeno número de aminoácidos
Códons mais específicos e maior número de aminoácidos
• Há exceções para o código universal
7.2 – Reconhecimento códon-anticódon7.2 – Reconhecimento códon-anticódon
• Há 8 famílias de códons onde códons que tenham as duas primeiras bases têm o mesmo significado.
• Há sete pares de códons onde o significado é o mesmo independente de qual pirimidina está na terceira posição
• Há cinco pares de códons a purina na terceira posição não altera o aminoácido
• Há três casos em que uma base na terceira posição dá um significado único para um códon:
AUG – metionina
UGG – triptofano
UGA - terminação
7.2 – Reconhecimento códon-anticódon7.2 – Reconhecimento códon-anticódon
Códon 5’ C A U 3’
Anticódon 3’ G U A 5’
1º 2º 3º
3º 2º 1º
7.2 – Reconhecimento códon-anticódon7.2 – Reconhecimento códon-anticódon
Normalmente um tRNA reconhece mais de um códon
A base na primeira posição do anticódon pode parear com mais de uma base
Isso é chamado de wobbling, e ocorre porque a conformação do arco do anticódon dá flexibilidade à primeira base do anticódon
7.2 – Reconhecimento códon-anticódon7.2 – Reconhecimento códon-anticódon
• É possível distinguir códons únicos apenas quando G e U estão na terceira posição
7.3 – tRNAs são feitos a partir 7.3 – tRNAs são feitos a partir de precursores maioresde precursores maiores
• tRNAs são sintetizados como cadeias precursoras com material adicional nos dois lados
• O fim 5’ é gerado pela clivagem de uma enzima chamada ribonuclease P
• O fim 3’ começa a ser degradado por uma endonuclease que cliva o precursor. A essa seguem várias exonucleases que degradam no sentido 3’ – 5’.
• O CCA é adicionado como um processo meramente enzimático
• Quando um tRNA não é propriamente processado ele é degradado por um sistema de controe de qualidade.
7.4 tRNAs contém bases modificadas
• tRNAs contém mais de 50 bases modificadas.
• Modificações a partir das bases A, G, C, U.
• mRNAs e rRNAs também sofrem modificações de
base, mas as alterações dos RNAs transportadores são
mais acentuadas.
• Modificações: metilação, reestruturação do anel...
• Regiões com bases modificadas: resíduos D braço D ψ seqüência TψC
• Outras modificações específicas
para diferentes grupos:
bactérias, leveduras,
mamíferos, etc.
7.4 tRNAs contém bases modificadas
• As enzimas modificadoras de tRNA variam amplamente em tipos e especificidade dentre os diferentes grupos de organismo.
• aparatos enzimáticos diferentes conjuntos de tRNAs diferentes
7.4 tRNAs contém bases modificadas
7.5 Bases modificadas afetam o pareamento anticodon-codon
• Modificações de base em quaisquer partes do tRNA afetam sua especificidade.
• Quando as bases do anticodon são modificadas, tem-se novos padrões de pareamento entre as diferentes bases criadas e as bases A, C, U e G.
• Inosina(I) pode ser pareada com A, C e U
Assim, a existência de I no anticodon de um tRNA permite o reconhecimento de codons de aminoácidos diferentes.
Degeneração do código genético
7.5 Bases modificadas afetam o pareamento anticodon-codon
• Padrões de modificação:
Inosina, geralmente, é originada de Adenina. A primeira Uridina do anticodon, geralmente, tem suas
propriedades de pareamento alteradas.
7.5 Bases modificadas afetam o pareamento anticodon-codon
• Modificações criam leituras preferenciais de alguns codons
• Codons utilizados freqüentemente tendem a serem lidos de modo mais eficiente
7.5 Bases modificadas afetam o pareamento anticodon-codon
• Padrões de modificação diferentes diferentes famílias de tRNAs dentre os organismos.
7.5 Bases modificadas afetam o pareamento anticodon-codon
LGCM URLGA
7.6- Há alterações esporáticas no código universal
Tipos de mudanças que podem ocorrer no código genético bacteriano ou no genoma nuclear de eucariotos:
1) Xaa YaaEx: CUG Leu Ser
Não é comum mudança de um aminoácido para outro. Esta mudança sofre uma forte seleção negativa.
2) Códon de terminação aaEx: UGA Stop Trp, Cys, Sel
Maioria das mudanças são deste tipo, pois não há troca de aminoácido. É necessário modificações no tRNA e nos fatores de terminação para que essa mudança possa acontecer.
3) aa nenhumEx:AGA Arg nenhum
Todas as mudanças são esporáticas.
Fig. 7.10
Devido as mitocôndrias sintetizarem um pequeno número de proteínas mudanças no seu código genético não seriam fortemente selecionadas.
Fig.7.11
A variedade de mudanças encontradas nas mitocôndrias de diferentes espécies sugerem que essas ocorreram separadamente e não em um descendente comum de um código mitocondrial ancestral.
7.7 Novos aminoácidos podem ser inseridos no lugar de alguns códons de terminação
1- UGA seleno-cisteínasOcorrência: procariotos e eucariotosCondições para ocorrer: Presença de seleno-cys-tRNA Estrutura em forma de loop após o códon UGA
Fig.7.12
2- UAG pyrrolysineOcorrência: archaea e bactérias
7.8- tRNA são modificados com aminoácido por sintetases
Fig. 7.13
1º aa reage com ATP, formando aminoacil-AMP e liberando pirofosfato2° aa ativado é transferido para o tRNA, liberando AMP
Há 20 tipos de tRNA
7.9 Aminoacyl.tRNA synthetases fall into two groups
Grande variedade de enzimas:
Subunidades de 40-100 kD;
Monoméricas, diméricas ou tetraméricas.
Separação em dois grupos:
De acordo com a estrutura do domínio que contém o sítio ativo
Domínio catalítico: sítios de ligação para o ATP e aminoácido;
Interrompido por um domínio de ligação à hélice aceptora do tRNA
Domínio de ligação a região do anticódon do tRNA;
Enzimas multiméricas possuem o domíno de formação do oligômero.
Variável (depende da enzima)
N.terminal C-terminal
Folhas- e -hélices.
Fig. 7.14 – Aminoacil-tRNA sintetase
Especula-se que as sintetases ligam-se aos tRNAs pela lateral em
L da molécula, principalmente pelas extremidades e que a maior
parte da sequência do tRNA não é reconhecida pela enzima.
Fig. 7.15 – Aminoacil-tRNA sintetase (estrutura cristalina)
Fig. 7.16 – tRNA sintetase classe I. Fig. 7.17 – tRNA sintetase classe II.
Ligações de hidrogênio(proteína-tRNA)
O contato com a enzima altera a estrutura do tRNA
7.10 Synthetases use proofreading to improve accuracy
Cada sintetase deve ser capaz de distinguir 1 entre 20 aminoácidos e
associar-se a 1 tRNA (1-3) em um grupo de cerca de 100 tRNAs.
É especialmente difícil distinguir aminoácidos que diferem
entre si apenas pelo tamanho da cadeia de carbono
A discriminação entre tRNAs é mais fácil já que eles
oferecem uma maior superfície de contato.
A especificidade de reconhecimento tanto de aminoácidos quanto de tRNAs é
controlada pelas aminoacil-tRNA sintetases por reações de prova de leitura que
revertem as reações de catálise se um componente incorreto for incorporado.
As reações de ligação de aminoácidos e tRNAs ocorrem em
vários estágios, sendo que os passos evoluem somente se os
substratos corretos estiverem ligados à enzima.
Fig. 7.18 –Reconhecimento do tRNA pela sintetase.
tRNA se liga ao sítio ativo da enzima
tRNA correto tRNA incorreto
Mudança conformacional
Aminoacilação
Fig. 7.19 –Reconhecimento do tRNA pela sintetase.
A especificidade por aminoácidos varia de acordo com a enzima.
Algumas enzimas são altamente
específicas para a ativação dos
aminoácidos enquanto outras não.
Quando a sintetase liga um aminoácido
incorreto, a revisão requer a ligação do tRNA
correto. Pode ocorrer uma mudança
conformacional que causa a hidrólise do
aminoacil-adenilato incorreto ou então uma
transferência do aminoácido para o tRNA,
seguido de hidrólise.
Exemplo: Discriminação entre aminoácidos dependente de tRNA em E. coli
Ile-tRNA sintetase pode ligar valina com AMP, mas hidrolisa o valil-adenilato quando tRNAIle é ligado.
A taxa de erro global depende da especificidade de passos individuais.
1,5 x 10-5
Taxa bem menor que a de substituição de valina por isoleucina.
Isto significa que erros de ligação de aminoácidos são responsáveis por uma fração muito pequena dos erros que
na verdade ocorrem durante a síntese protéica.
Fig. 7.21- Sítios ativos da Ile-tRNA sintetase.
Fig. 7.22 – Ile-tRNA sintetase.
Ile-tRNA sintetase usa o tamanho como forma de discriminação entre
os aminoácidos.
Sítio de ativaçãoSítio de hidrólise
O aminoácido é tranportado do sítio de ativação para o de hidrólise da Ile-tRNA
sintetase por uma mudança de conformação do tRNA.
7.11 - tRNAs supressores7.11 - tRNAs supressores
tRNAs supressores revertem o efeito de códons mutados
Possuem uma mutação no anticódon que altera o códon ao qual esse tRNA responde.
Reconhecendo-o como o códon original
Restaurando a função protéica
tRNAs supressores
Nonsense Missense
7.12 – Existem supressores nonsense para cada 7.12 – Existem supressores nonsense para cada códon de terminaçãocódon de terminação
Os supressores nonsense são divididos em 3 classes, uma para cada tipo de códon de terminação.
Supressores âmbar
Reconhecem UAGSupressores ocre
Reconhecem UAA ou UAG
Supressor UGA
Seqüência do anticódon não muda
Mutação permite o pareamento não usual de
C com A
O pareamento códon-anticódon tanto de tRNAs selvagens quanto de mutantes não pode ser predito inteiramente da seqüência tripla relevante, mas é influenciado por outras
características da molécula.
7.13 – Supressores competem com tRNA selvagem7.13 – Supressores competem com tRNA selvagem
Célula selvagem
Códon
Aminoácido particular
Sinal de terminação
Célula com mutação supressora
Códon mutante
tRNA supressor
Significado usual
Competição
Extensão dessa competição vai influenciar a eficiência da supressão
Eficiência de um supressor vai depender:- Afinidade entre seu anticodon e o codon alvo;- Concentração na célula
A eficiência de leitura de um códon é influenciada pela sua localização
Bases vizinhas ao códon podem mudar a freqüência com a qual um códon é reconhecido por um tRNA particular
Supressão nonsnese de terminações
naturais
Proteínas alteradas
Supressores nonsense serão mais eficientes, quando o codon de terminação reconhecido por ele for relativamente infreqüente no sistema em questão
- Supressores âmbar em E. coli – códon (UAG) pouco frequente – 10-50% de eficiência
- Supressores ocre – códon (UAA) usado mais frequentemente – eficiência abaixo de 10%
- UGA – lido pelo Trp-tRNA com freqüência de 1 a 3% - usado mais comumente que o códon âmbar nos sistemas bacterianos
Supressores missense
Dilema para a célula: suprimir o que é um códon mutante em um lugar e não alterar extensivamente seu significado normal em outros lugares
Mutações de uma cópia de um grupo redundante de tRNA
Não elimina o reconhecimento dos códons usuais
7.14 – O ribossomo influencia a precisão da tradução
- A falta de variações detectáveis quando a sequência de uma proteína é analisada demonstra que a síntese proteica é bem precisa.
- Os poucos erros ocorrem como substituições de um aminoácido por outro.
- Existem dois estágios na síntese proteica onde erros podem aparecer:
1- ligação do t-RNA com o aminoácido correto
2- reconhecimento códon-anticódon
Existem dois modelos básicos para explicar como o ribossomo discrimina entre pareamento correto ou incorreto entre aminoacil-tRNA:
1- A estrutura do ribossomo reconhece aminoacil-tRNAs que paream corretamente. Ou seja, o pareamento correto leva a pequenas mudanças conformacionais que possibilitam a tradução.
2- Existiria dois estágios nesse processo, assim o aminoacil-tRNA teria várias oportunidades de se desligar do ribossomo. Um pareamento errôneo impediria a passagem de um estado para o outro.
O modelo atual incorpora elementos dos dois outros modelos propostos:
7.15 – Recoding changes codon meanings
-A fase de leitura é geralmente invariável. Começa em AUG e continua em triplets até o códon de terminação.
- A leitura não reconhece senso. Ou seja, a inserção ou a deleção leva a um “frameshift”.
- Existem algumas exceções dos padrões de tradução que possibilitam que uma janela de leitura com interrupções – códon sem sentido ou frameshift – possa ser traduzida em uma proteína inteira.
- Mundando o sentido de um códon permite-se colocar um aminoácido em um códon de terminação, ou inserir um aminoácido no lugar de outro.
Uma mutação em um tRNA (geralmente no anticódon) pode suprimir o sentido original do códon. Em um caso especial, um tRNA específico é acoplado por um fator de elongação para reconhecer um códon de terminação adjacente a um loop em grampo
7.16 Frameshift ocorre em seqüências “escorregadias”
• Frameshifting está associado com tRNAs específicos:
– Supressores de tRNAs mutantes reconhecem um códon de 4 bases
– certas seqüências permitem o tRNA mover-se ao longo do mRNA no sítio A
• Mutações por frameshift ocorrem pela inserção ou deleção de uma
base e podem ser suprimidas restaurando a fase de leitura original
• O tipo mais simples de supressor de frameshift corrige a fase de
leitura quando houve uma inserção em um trecho de bases
repetidas
• Em fagos e vírus, ocorrem
situações em que
frameshifting é um evento
normal
– esses eventos podem causar
a terminação ou continuação
da síntese protéica
– Ex. tradução em retrovírus
• Frameshifting programado ocorre com freqüências 100-1000 x maiores
• seqüências escorregadias permitem o aminoacil-tRNA mover-se 1 base para frente ou para trás
• o ribossomo é atrasado para permitir o rearranjo
7.17 Ultrapassagem envolve movimentação do ribossomo
• Algumas seqüências promovem evento de ultrapassagem
• evento mais raro, apenas 3 exemplos (Ex.: gene60 do fago T4)
• códons idênticos nas extremidades da seqüência omitida
• Também depende de pausa do ribossomo
• maior probabilidade de dissociação do peptidil-tRNA quando há atraso na entrada de aminoacil-tRNA
• Gene 60 do fago T4: estrutura do mRNA reduz eficiência da terminação