Capítulo 7 Usando o Código Genético. 7.1 - Introdução Códons – trios de nucleotídeos organizados do 5 para o 3. Correspondem à seqüência de aminoácidos

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.


• 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.


• 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


Aminoácidos similares

Códons similares

Efeitos de mutações são diminuídos


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


Códon 5’ C A U 3’

Anticódon 3’ G U A 5’

1º 2º 3º

3º 2º 1º


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


• 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.


• As enzimas modificadoras de tRNA variam amplamente em tipos e especificidade dentre os diferentes grupos de organismo.

• aparatos enzimáticos diferentes conjuntos de tRNAs diferentes


7.5 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


• Padrões de modificação:

Inosina, geralmente, é originada de Adenina. A primeira Uridina do anticodon, geralmente, tem suas

propriedades de pareamento alteradas.


• Modificações criam leituras preferenciais de alguns codons

• Codons utilizados freqüentemente tendem a serem lidos de modo mais eficiente


• Padrões de modificação diferentes diferentes famílias de tRNAs dentre os organismos.


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

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Capítulo 7 Usando o Código Genético. 7.1 - Introdução Códons – trios de nucleotídeos organizados do 5 para o 3. Correspondem à seqüência de aminoácidos