Em formação

13: Código genético - Biologia


Uma vez que a transcrição e o processamento de rRNAs, tRNAs e snRNAs são concluídos, os RNAs estão prontos para serem usados ​​na célula - montados em ribossomos ou snRNPs e usados ​​em splicing e síntese de proteínas. Mas o mRNA maduro ainda não é funcional para a célula. Deve ser traduzido na proteína codificada. As regras para traduzir da "linguagem" dos ácidos nucléicos para a das proteínas é a Código genético.

Introdução

Experimentos testando os efeitos de mutações de frameshift mostraram que a deleção ou adição de 1 ou 2 nucleotídeos causou uma perda de função, enquanto a deleção ou adição de 3 nucleotídeos permitiu a retenção de função considerável. Isso demonstrou que a unidade de codificação é de 3 nucleotídeos. O tripleto de nucleotídeos que codifica um aminoácido é chamado de códon. Cada grupo de três nucleotídeos codifica um aminoácido. Uma vez que existem 64 combinações de 4 nucleotídeos tomados três por vez e apenas 20 aminoácidos, o código é degenerar (mais de um códon por aminoácido, na maioria dos casos). A molécula adaptadora para tradução é tRNA. Um tRNA carregado tem um aminoácido em uma extremidade e, na outra, um anticódon para combinar um códon no mRNA; ou seja, ele "fala a linguagem" dos ácidos nucléicos em uma extremidade e a "linguagem" das proteínas na outra. A maquinaria para sintetizar proteínas sob a direção do mRNA modelo é a ribossomo.

Figura 3.4.1. Os tRNAs servem como um adaptador para a tradução do ácido nucleico para a proteína

A. Tamanho de um códon: 3 nucleotídeos

1. Três é o número mínimo de nucleotídeos por códon necessários para codificar 20 aminoácidos.

uma. 20 aminoácidos são codificados por combinações de 4 nucleotídeos

b. Se um códon fosse dois nucleotídeos, o conjunto de todas as combinações poderia codificar apenas

4x4 = 16 aminoácidos.

c. Com três nucleotídeos, o conjunto de todas as combinações pode codificar

4x4x4 = 64 aminoácidos (isto é, 64 combinações diferentes de quatro nucleotídeos tomados três de cada vez).

2. Os resultados das combinações de mutações frameshift mostram que o código está em tripletos. As mutações que alteram o comprimento que adicionam ou excluem um ou dois nucleotídeos têm um fenótipo defeituoso grave (elas alteram o quadro de leitura, portanto, toda a sequência de aminoácidos após a mutação é alterada). Mas aqueles que adicionam ou deletam três nucleotídeos têm pouco ou nenhum efeito. No último caso, a fase de leitura é mantida, com uma inserção ou deleção de um aminoácido em um local. As combinações de três deleções (ou inserções) de nucleotídeo único diferentes, cada uma das quais com um fenótipo de perda de função individualmente, podem restaurar a função substancial de um gene. O quadro de leitura de tipo selvagem é restaurado após o 3rd exclusão (ou inserção).

B. Experimentos para decifrar o código

1. Vários sistemas livres de células diferentes foram desenvolvidos que catalisar a síntese de proteínas. Essa capacidade de realizar a tradução in vitro foi um dos avanços técnicos necessários para permitir que os investigadores determinassem o código genético.

uma. Reticulócitos de mamíferos (coelho): ribossomos que produzem ativamente uma grande quantidade de globina.

b. Extratos de germe de trigo

c. Extratos bacterianos

2. A capacidade de sintetizar polinucleotídeos aleatórios foi outro desenvolvimento fundamental para permitir que os experimentos decifrassem o código. S. Ochoa isolou a enzima polinucleotídeo fosforilase, e mostrou que era capaz de ligar o nucleosídeo difosfatos (NDPs) em polímeros de NMPs (RNA) em uma reação reversível.

nNDP n + nPi

A função fisiológica da polinucleotídeo fosforilase é catalisar a reação reversa, que é usada na degradação do RNA. No entanto, em um sistema livre de células, a reação direta é muito útil para fazer polímeros de RNA aleatórios.

3. Os homopolímeros programam a síntese de homopolipeptídeos específicos (Nirenberg e Matthei, 1961).

uma. Se você fornecer apenas UDP como substrato para polinucleotídeo fosforilase, o produto será um homopolímero poli (U).

b. A adição de poli (U) a um sistema de tradução in vitro (por exemplo, lisados ​​de E. coli), resulta em um polipeptídeo recentemente sintetizado que é um polímero de polifenilalanina.

c. Assim, UUU codifica Phe.

d. Da mesma forma, síntese programada de poli (A) de poli-Lys; AAA codifica Lys.

Síntese programada de Poly (C) de poly-Pro; CCC codifica Pro.

Síntese programada de Poly (G) de poly-Gly; GGG codifica Gly.

4. Uso de copolímeros mistos

uma. Se dois NDPs forem misturados em uma proporção conhecida, o polinucleotídeo fosforilase formará um copolímero misto no qual o nucleotídeo é incorporado a uma frequência proporcional à sua presença na mistura original.

b. Por exemplo, considere uma mistura 5: 1 de A: C. A enzima usará ADP 5/6 das vezes e CDP 1/6 das vezes. Um exemplo de um produto possível é:

AACAAAAACAACAAAAAAAACAAAAAACAAAC ...

Tabela 3.4.1. Frequência de tripletos em um copolímero aleatório poli (AC) (5: 1)

Composição

Número

Probabilidade

Frequência relativa

3 A

1

0.578

1.0

2 A, 1 C

3

3 x 0,116

3 x 0,20

1 A, 2 C

3

3 x 0,023

3 x 0,04

3 C

1

0.005

0.01

c. Portanto, a frequência com que AAA ocorrerá no copolímero é

(5/6)(5/6)(5/6) = 0.578.

Este será o códon de ocorrência mais frequente e pode ser normalizado para 1,0 (0,578 / 0,578 = 1,0)

d. A frequência com que ocorrerá um códon com 2 A's e 1 C é

(5/6)(5/6)(1/6) = 0.116.

Existem três maneiras de ter 2 A's e 1 C, ou seja, AAC, ACA e CAA. Portanto, a frequência de ocorrência de todos os códons A2C é 3 x 0,116.

Normalizando para AAA com uma frequência relativa de 1,0, a frequência dos códons A2C é 3 x (0,116 / 0,578) = 3 x 0,2.

e. Lógica semelhante mostra que a frequência esperada de códons AC2 é 3 x 0,04 e a frequência esperada de CCC é 0,01.

Tabela 3.4.2. Incorporação de aminoácidos com poli (AC) (5: 1) como modelo

Radioativo

Cpm precipitável

Observado

Teórico

aminoácido

- modelo

+ template

incorporação

incorporação

Lisina

60

4615

100.0

100

Treonina

44

1250

26.5

24

Asparagina

47

1146

24.2

20

Glutamina

39

1117

23.7

20

Proline

14

342

7.2

4.8

Histidina

282

576

6.5

4

Esses dados são de Speyer et al. (1963) Cold Spring Harbor Symposium in Quantitative Biology, 28: 559. A incorporação teórica é o valor esperado dado o código genético conforme foi posteriormente determinado.

f. Quando esta mistura de copolímeros mistos é usada para programar a tradução in vitro, Lys é incorporado com mais frequência, o que pode ser expresso como 100. Isso confirma que AAA codifica Lys.

g. Em relação à incorporação de Lys como 100, Thr, Asn e Gln são incorporados com valores de 24 a 26, muito próximos da expectativa para os aminoácidos codificados por um dos códons A2C. No entanto, esses dados não mostram qual dos códons A2C codifica cada aminoácido específico. Agora sabemos que ACA codifica Thr, AAC codifica Asn e CAA codifica Gln.

h. Pro e His são incorporados com valores de 6 e 7, que está próximo do esperado 4 para aminoácidos codificados pelos códons AC2. Por exemplo. CCA codifica Pro, CAC codifica His. ACC codifica Thr, mas esta incorporação é ofuscada pelas unidades de incorporação de “26,5” na ACA. Ou, mais precisamente, “26,5” @ 20 (ACA) + 4 (ACC) para Thr.

5. Códons de trinucleotídeos definidos estimulam a ligação de aminoacil ‑ tRNAs aos ribossomos

uma. Em altas concentrações de Mg2+ cátions, o mecanismo de iniciação normal, exigindo f-Met-tRNAf, pode ser substituído, e trinucleotídeos definidos podem ser usados ​​para direcionar a ligação de aminoacil-tRNAs marcados aos ribossomos.

b. Se os ribossomos forem misturados com UUU e Phe ‑ tRNAphe radiomarcado, sob essas condições, um complexo ternário será formado que se fixará na nitrocelulose ("ensaio Millipore" em homenagem ao fabricante da nitrocelulose).

c. Pode-se então testar todas as combinações possíveis de nucleotídeos tripletos.

Figura 3.4.2. Dados de Nirenberg e Leder (1964) Science 145: 1399.

6. Polinucleotídeos sintéticos de sequência de repetição (Khorana)

uma. Copolímeros alternados: por ex. (UC) n programa a incorporação de Ser e Leu. Portanto, UCU e CUC codificam Ser e Leu, mas não podem dizer qual é qual. Mas em combinação com outros dados, por ex. os copolímeros mistos aleatórios na seção 4 acima, pode-se fazer algumas determinações definitivas. Tal trabalho subsequente mostrou que UCU codifica Ser e CUC codifica Leu.

b. programas de poli (AUG) que incorporam poli-Met e poli-Asp em altas concentrações de Mg. AUG codifica Met, UGA é uma parada, então GUA deve codificar Asp.

C. O código genético

Compilando observações de experimentos como os descritos na seção anterior, a capacidade de codificação de cada grupo de 3 nucleotídeos foi determinada. Isso é conhecido como Código genético. Ele está resumido na Tabela 3.4.4. Isso nos diz como a célula se traduz da "linguagem" dos ácidos nucléicos (polímeros de nucleotídeos) para aquele de proteínas (polímeros de aminoácidos).

Tabela 3.4.4. O Código Genético

Posição no Codon

VOCÊ .

C.

UMA .

G.

você

UUU

Phe

UCU

Ser

UAU

Tyr

UGU

Cys

você

UUC

Phe

UCC

Ser

UAC

Tyr

UGC

Cys

C

UUA

Leu

UCA

Ser

UAA

Prazo

UGA

Prazo

UMA

UUG

Leu

UCG

Ser

UAG

Prazo

UGG

Trp

G

C

CUU

Leu

CCU

Pró

CAU

Seu

CGU

Arg

você

CUC

Leu

CCC

Pró

CAC

Seu

CGC

Arg

C

CUA

Leu

CCA

Pró

CAA

Gln

CGA

Arg

UMA

CUG

Leu

CCG

Pró

CAG

Gln

CGG

Arg

G

UMA

AUU

Ile

ACU

Thr

AAU

Asn

AGU

Ser

você

AUC

Ile

ACC

Thr

AAC

Asn

AGC

Ser

C

AUA

Ile

ACA

Thr

AAA

Lys

AGA

Arg

UMA

AGO *

Conheceu

ACG

Thr

AAG

Lys

AGG

Arg

G

G

GUU

Val

GCU

Ala

GAU

Asp

GGU

Gly

você

GUC

Val

GCC

Ala

GAC

Asp

GGC

Gly

C

GUA

Val

GCA

Ala

GAA

Glu

GGA

Gly

UMA

GUG *

Val

GCG

Ala

MORDAÇA

Glu

GGG

Gly

G

* Às vezes usado como códons iniciadores.

2. Do total de 64 códons, 61 codificam aminoácidos e 3 especificam o término da tradução.

3. Degenerescência

o degeneração do código genético refere-se ao fato de que a maioria dos aminoácidos é especificada por mais de um códon. As exceções são metionina (AUG) e triptofano (UGG). A degenerescência é encontrada principalmente na terceira posição. Consequentemente, as substituições de um único nucleotídeo na terceira posição podem não levar a uma alteração no aminoácido codificado. Estes são chamados silencioso ou sinônimo substituições de nucleotídeos e não alteram a proteína codificada. Isso é discutido com mais detalhes abaixo.

O padrão de degenerescência permite organizar os códons em "famílias" e "pares". Em 9 grupos de códons, os nucleotídeos nas duas primeiras posições são suficiente para especificar um único aminoácido, e qualquer nucleotídeo (abreviado N) na terceira posição codifica esse mesmo aminoácido. Estes compreendem 9 "famílias" de códons. Um exemplo é a treonina com codificação ACN.

Existem 13 "pares" de códons, nos quais os nucleotídeos nas duas primeiras posições são suficientes para especificar dois aminoácidos. Um nucleotídeo de purina (R) na terceira posição especifica um aminoácido, enquanto um nucleotídeo de pirimidina (Y) na terceira posição especifica o outro aminoácido.

Estes exemplos somam mais de 20 (o número de aminoácidos) porque leucina (codificada por UUR e CUN), serina (codificada por UCN e AGY) e arginina (codificada por CGN e AGR) são codificadas por uma família de códons e um par de códons. Os códons UAR que especificam o término da tradução foram contados como um par de códons. Os três códons que codificam a isoleucina (AUU, AUC e AUA) estão a meio caminho entre uma família de códons e um par de códons.

4. Os aminoácidos quimicamente semelhantes geralmente têm códons semelhantes.

5. O códon principal que especifica o início da tradução é AUG

As bactérias também podem usar GUG ou UUG, e muito raramente AUU e possivelmente CUG. Usando dados dos 4.288 genes identificados pela sequência completa do genoma de E. coli, a seguinte frequência de uso de códons na iniciação foi determinada:

  • AUG é usado para 3542 genes.
  • GUG é usado para 612 genes.
  • UUG é usado para 130 genes.
  • AUU é usado para 1 gene.
  • CUG pode ser usado para 1 gene.

Independentemente de qual códon é usado para iniciação, o primeiro aminoácido incorporado durante a tradução é f-Met em bactérias.

6. Três códons especificam o término da tradução: UAA, UAG, UGA.

Destes três códons, UAA é usado com mais frequência em E. coli, seguido por UGA. UAG é usado com muito menos frequência.

  • UAA é usado para 2705 genes.
  • UGA é usado para 1257 genes.
  • UAG é usado para 326 genes.

7. O código genético é quase universal

Nas raras exceções a essa regra, as diferenças do código genético são bastante pequenas. Por exemplo, uma exceção é o RNA do DNA mitocondrial, onde tanto UGG quanto UGA codificar Trp.

D. Uso diferencial de códons

1. Várias espécies têm padrões diferentes de uso de códons: por exemplo, pode-se usar 5 'UUA para codificar Leu 90% do tempo (determinado por sequências de nucleotídeos de muitos genes). Ele nunca pode usar CUR, e a combinação de UUG mais CUY pode representar 10% dos códons.

2. A abundância de tRNA se correlaciona com o uso de códons em mRNAs naturais: Neste exemplo, o tRNALeu com 3 'AAU no anticódon será o mais abundante.

3. O padrão de uso do códon pode ser um preditordo o nível de expressão do gene: Em geral, os genes mais expressos tendem a usar códons que são freqüentemente usados ​​em genes no resto do genoma. Isso foi quantificado como um "índice de adaptação de códon". Assim, ao analisar genomas completos, um gene anteriormente desconhecido cujo perfil de uso de códon corresponde ao uso de códon preferido para o organismo teria pontuação alta no índice de adaptação de códon, e alguém poderia propor que é um gene altamente expresso. Da mesma forma, um com uma pontuação baixa no índice pode codificar uma proteína de baixa abundância.

A observação de um gene com um padrão de uso de códon que difere substancialmente do resto do genoma indica que esse gene pode ter entrado no genoma por transferência horizontal de uma espécie diferente.

4. O uso de códon preferido é uma consideração útil em "genética reversa": se você conhece até mesmo uma sequência de aminoácidos parcial para uma proteína e deseja isolar o gene para ela, a família de sequências de mRNA que podem codificar esta sequência de aminoácidos pode ser determinado facilmente. Por causa da degeneração do código, essa família de sequências pode ser muito grande. Uma vez que provavelmente se usará essas sequências como sondas de hibridização ou como iniciadores de PCR, quanto maior for a família de sequências possíveis, mais provável será que se possa obter a hibridização para uma sequência alvo que difere da desejada. Assim, alguém deseja limitar o número de sequências possíveis e, referindo-se a uma tabela de preferências de códons (assumindo que sejam conhecidas para o organismo de interesse), pode-se usar os códons preferidos em vez de todos os códons possíveis. Isso limita o número de sequências que precisam ser feitas como sondas ou iniciadores de hibridização.

E. Wobble no anticódon

Essa flexibilidade na posição "oscilante" permite que alguns tRNAs emparelhem com dois ou três códons, reduzindo assim o número de tRNAs necessários para a tradução. As seguintes regras de “oscilação” significam que os 61 códons (para 20 aminoácidos) podem ser lidos por apenas 31 anticódons (ou 31 tRNAs).

Além dos pares de bases usuais, pode-se ter pares G-U e I na 1ª posição do anticódon pode emparelhar com U, C ou A (regras de oscilação).

5 'base do anticódon = 3' base do códon =

primeira posição no tRNA terceira posição no mRNA

CG

A U

U A ou G

G C ou U

I U, C ou A

F. Tipos de mutações

Substituições de base

Isso já foi abordado na Parte Dois, Reparo do DNA. Apenas como um lembrete, existem dois tipos de substituições de bases.

  1. Transições: Uma purina substitui uma purina ou uma pirimidina substitui outra pirimidina. A mesma classe de nucleotídeos permanece. Os exemplos são A substituindo G ou C substituindo T.
  2. Transversões: Uma purina substitui uma pirimidina ou uma pirimidina substitui uma purina. Uma classe diferente de nucleotídeo é colocada no DNA, e a hélice será distorcida (especialmente com um par de bases purina-purina). Os exemplos são A substituindo T ou C, ou C substituindo A ou G.

Ao longo do tempo evolutivo, a taxa de acúmulo de transições excede a taxa de acúmulo de transversões.

Efeito das mutações no mRNA

  1. Mutações Missense causar a substituição de um aminoácido. Dependendo da substituição específica, posso ou não posso têm uma consequência fenotípica detectável. Algumas substituições, por exemplo uma valina para uma leucina em uma posição que é importante para manter uma alfa-hélice, pode não causar uma mudança detectável na estrutura ou função da proteína. Outras substituições, como valina para um glutamato em um local que faz com que a hemoglobina polimerize no estado desoxigenado, causam patologia significativa (anemia falciforme neste exemplo).
  2. Mutações sem sentido causar o encerramento prematuro da tradução. Eles ocorrem quando uma substituição, inserção ou deleção gera um códon de parada no mRNA dentro da região que codifica o polipeptídeo no mRNA de tipo selvagem. Elas quase sempre têm sérias consequências fenotípicas.
  3. Mutações de frameshift são inserções ou deleções que alteram o quadro de leitura do mRNA. Elas quase sempre têm sérias consequências fenotípicas.

Nem todas as substituições de base alteram os aminoácidos codificados

  1. A substituição de base pode levar a uma alteração na sequência polipeptídica codificada, caso em que a substituição é chamada não sinônimo ou não silencioso.
  2. Se a substituição de base ocorre em um local degenerado no códon, de modo que o aminoácido codificado não seja alterado, é chamada de sinônimo ou silencioso substituição.

Exemplo:

UMACU -> AUMAU é uma substituição não-sinônima que resulta em Thr → Asn

enquanto,

ACvocê -> ACC é uma substituição sinônima que resulta em Thr → Thr

  1. O exame dos padrões de degenerescência no código genético mostra que as substituições não sinônimas ocorrem principalmente na primeira e na segunda posições do códon, enquanto as substituições sinônimas ocorrem principalmente na terceira posição. No entanto, existem várias exceções a esta regra.
  2. Em geral, a taxa de fixação de substituições sinônimas em uma população é significativamente maior do que a taxa de fixação de substituições não sinônimas. Este é um dos mais fortes argumentos a favor do modelo de evolução neutra, ou deriva evolutiva, como causa principal das substituições observadas em populações naturais.


Assista o vídeo: SÍNTESE DE PROTEÍNAS - TRADUÇÃO - Código Genético - Parte 01 (Dezembro 2021).