Aula de Bioquímica II
Tema:
O Código Genético
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: [email protected]
O Código Genético
Decifrado na década de 1960
Alfabeto de 4 Letras no DNA
Alfabeto de 20 Letras
nas Proteínas
O código é Redundante ou Degenerado
41 =
4 combinações possíveis
42 = 16 combinações possíveis
43 = 64 combinações possíveis
3 bases no DNA
3 bases no mRNA
1 CÓDON
1 aminoácido na proteína
- 61 códons
- 3 códons
20 Aminoácidos
terminação da cadeia polipeptídica
É variável em espécies diferentes
O Código Genético
Relação de orientação das cadeias de DNA
de mRNA
de Proteína
O Código Genético
Fases de leitura do mRNA
- A fase de leitura correta é informada na sequência do mRNA
O Código Genético
- A fase de leitura correta é informada na sequência do mRNA
Fases de leitura
-O código não é sobreposto e não
tem “pontuação”
ALI VEM MEU PAI COM MEU TIO
ALI EMM EUP AIC OMM EUT IO
ALI EMM EUX PAI COM MEU TIO
O Código Genético
O arranjo na tabela não
é aleatório
- XYC e XYU
- XYA e XYG
= geralmente códons para
os mesmos aminoácidos:
Sinônimos
Existe 1 códon de
iniciação
Existem 3 códons de
terminação – stop codons
O Código Genético
A redundância do Código
Diferentes códons para mesma informação
mesmos aminoácidos
A redundância do Código
genético evita que mutações
pontuais alterem
drasticamente a sequência de
aminoácidos e que existem 44
“stop códons” que levariam a
interrupção da síntese
A frequência de códons
reflete a presença do AA
codificado nas proteínas
O Código Genético
Pareamento complementar Códon-Anticódon
O Aminoácido não reconhece o códon por si só!!! Ele necessita de uma molécula
adaptadora (tRNA) para reconhecer o códon por Pareamento complementar.
Anticódon
(tRNA)
Códon
(mRNA)
Anticódon
Representa a sequência
localizada no tRNA que
faz o pareamento
complementar com o
Códon
O Código Genético
A redundância do Código
A primeira base do anti-códon - 3º base do códon - permite pareamentos variáveis.
O código genético é degenerado porque a 1o base do anti-códon permite
complementaridade menos restritiva
Apresentam especificidade para 1º e 2º base e toleram oscilações na 3º base no códon
O Código Genético
A redundância do Código
O Código Genético
O Código genético é, praticamente, UNIVERSAL
A Linguagem do código genético é, praticamente, a mesma em todos os
organismos.
- Portanto, é possível expressar proteínas de forma heteróloga
- Existem pequenas variações no código genético de protozoários e das mitocôndrias
Códon
Código Padrão
Código Mitocondrial
UGA
Stop
Trp
UGG
Trp
Trp
AUA
Ile
Met
AUG
Met
Met
AGA
Arg
Stop
AGG
Arg
Stop
>gi|34783338|gb|BC024242.2| Homo sapiens GrpE-like 1, mitochondrial (E.
coli), mRNA (cDNA clone MGC:33210 IMAGE:4823476), complete cds
GCTGGGTGCGTGCGCGGCGACTGCGACGGGCAGTGGCAGTCATGGCGGCTCAGTGCGTGAGGTTGGCGCG
GCGCAGTCTTCCTGCTTTGGCGTTGTCTCTCAGGCCATCTCCCCGGTTGTTGTGCACAGCCACGAAACAA
AAGAACAGTGGCCAGAACCTGGAAGAGGACATGGGTCAGAGTGAACAGAAGGCAGATCCTCCTGCTACAG
AGAAGACCCTCCTGGAAGAGAAGGTCAAGTTGGAGGAACAGCTGAAGGAGACTGTGGAAAAATATAAACG
AGCTTTGGCAGACACTGAGAACTTACGGCAGAGGAGCCAGAAATTGGTGGAGGAGGCAAAATTATACGGC
ATTCAAGCCTTCTGCAAGGACTTGTTGGAGGTGGCAGACGTTCTGGAGAAGGCAACACAGTGTGTTCCAA
AAGAAGAAATTAAAGACGATAACCCTCACCTGAAGAACCTCTATGAGGGGCTGGTCATGACTGAAGTCCA
GATCCAGAAGGTGTTCACAAAGCATGGCTTGCTCAAGTTGAACCCTGTCGGAGCCAAGTTCGACCCTTAT
GAACATGAGGCCTTGTTCCACACACCGGTTGAGGGGAAGGAGCCAGGCACAGTGGCCCTAGTTAGCAAAG
TGGGGTACAAGCTGCATGGGCGCACTCTGAGACCCGCCCTGGTGGGGGTGGTGAAGGAAGCTTAGCTGCT
GTTGATGGGGTGGGTGTTTTTAAACTCACTTGATGTAACTCTCAAGGCTGGTTCATTGTTTCTCATCTAT
GAGTACGTGTGACCTTTTCCCAAACCTTATTGGAAACCTTAAGTAACCAGTGGCTAAACAGAAAAGCCGG
TTGCCCAACTGCATTAATGAACTCTAATTCGGGAGTCTGTTCCCTTTTAGTGCCACGCGTTGAATAGTTC
CACATACTTTCAGAAGAGCTCAGCAGGGCCCTGCCTGGTCTCCCGAGCATCATGAGTAACGTGTCTGCTC
AGACTCTGCTGACACCAAAGTATTTTAAACAAATAAAAGGTCTTGGGGAATTCTGTTTGGCTACCTGGGC
ACGCCAGTCTGCACCATGTGTCCCTGCGGCGCATGAGTGACTGGCGTATTTAGCCCGTCACATTTCATTC
GCTGAAGGAAAGGCAAGAGAGTTGAAACATTTTTCTTACTTAAAAAAAATGATCTTTGTGAAGAACATAG
TGAGTTCGTTTGTCTTCAGTCAACAGCGGCTGAAACTGACCACTGAGAAATGGGTGTGGGCACTGACAGT
TCTCCCCCATTATTTGGCCAGGAATTGAGCTTGGCTTGGCAAAGTTCCTTTTACCCTGTTCTGTTCATCT
AAATGCAGACATATTTAAATCATATTCAACTAGTTACTAATGACCTCAAGTTGTATTCCCTGGCAAAATG
GACTTTCTCAAAATAGGACTGCACGCTTGGTGTACTTTAAATGTTAATGTTTAATTTAAAATTTTTATTT
AAGAGGATTAAAGCCCTAATGTTTATTTTCCTACAAAAAAAAAAAAAAA
>gi|34783338|gb|BC024242.2| Homo sapiens GrpE-like 1, mitochondrial (E.
coli), mRNA (cDNA clone MGC:33210 IMAGE:4823476), complete cds
tRNAs
Os tRNAs funcionam como adaptadores
moléculas de RNA que transportam um AA correspondente a um códon
- Interpretam a informação e transportam o AA correspondente ativado
- 73 a 93 pb
25 kDa
- Tamanho e forma similar para encaixar no Ribossoma
tRNAs
Contêm ribonucleotídeos
não-usuais
- Bases não usuais
modificar
o padrão de Ligações de H
- Metilação
Reduz potencial
polar da superfície e evita
algumas ligações de H
- Aumenta possibilidades de
seleção específica
tRNA
Os tRNAs são moléculas adaptadores
- Todos os tRNA possuem enovelamento de L
- Alça DHU
- possuem um loop em fita simples
- alça TΨC
Adaptável ao Ribossoma
formam a curva do L
Alça anti-códon
complementar à sequência do
códon
- possui uma extremidade CCA 3’OH livre
sítio de ligação do AA correspondente
tRNA
Os tRNAs funcionam como adaptadores
Exemplos de estruturas tridimensionais de tRNAs
Apesar da forma similar
Possuem informações na superfície que especificam qual o AA
deve ser ligado pelas Aminoacil-tRNA sintetases
Mimetismo molecular
tRNA-TFu
EF-G
tRNA
Forças que estabilizam o tRNA
-Ligações de Hidrogênio tipo Watson-Crick
- Empilhamento de bases
- Dupla-hélice em A-DNA
- Ligações de H não Watson-Crick
O Código Genético
- A redundância do código genético ocorre justamente na adaptação do tRNA
1) mais de um tRNA especifica e transporta um mesmo AA
2) um mesmo tRNA identifica diferentes códons no mRNA
Frequência de erro de síntese de proteínas
p = (1-ε)n
Frequência de erro menor do que 10-4 é adequada
tRNAs
Aminoacil-tRNA sintetases
Participam diretamente do processo de decodificação
- Responsáveis pelo reconhecimento do par: AA e o tRNA correspondente
Catalisam o acoplamento covalente do COOH do AA no 3’OH do tRNA
- Ligação altamente energética
- Necessita de acoplamento energético
Muitas são específicas
aminoácido adenilado
Acoplam 1 AA em seus respectivos tRNAs
Em bactérias, porém algumas acoplam mais de um AA em diferentes tRNAs
- Modificação posterior do AA
O AA-tRNA formado carrega Energia Livre para a síntese protéica
Ativação do AA pela ligação com AMP
liberação de pirofosfato
- Reação catalisada pelas AA-tRNA sintetases
Aminoacil-tRNA sintetases
Enzimas responsáveis pelo acoplamento do AA ao tRNA correspondente
Correspondem às únicas moléculas Biológicas que conhecem o Código Genético
O Reconhecimento preciso do AA e
tRNA correspondente para o
acoplamento correto.
Corresponde a uma etapa essencial
para o Dogma Central da Biologia
Depende do reconhecimento correto
tanto do AA como do tRNA
correspondente executado pela
Aminoacil tRNA-sintetase
tRNAs
Reconhecimento do tRNA pelas Aminoacil-tRNA sintetases
Dois mecanismo principais
1) Reconhecimento direto do anti-códon
2) Reconhecimento do braço aceptor do AA
Treonil-tRNA Sintetase
Glutaminil-tRNA Sintetase
tRNAs
Reconhecimento do tRNA pelas Aminoacil-tRNA sintetases
- Envolve muitos outros contatos entre a enzima e o tRNA
- Participação de ribonucleotídeos modificados
tRNAs
Aminoacil-tRNA sintetases
Duas Classes de enzimas
Implicações
evolutivas
tRNAs
Aminoacil-tRNA sintetases
As enzimas das diferentes classes interagem com o tRNA por lados opostos
Permite diferentes formas de identificação do tRNA correto
1) Ligam ATP de maneira diferente
2) Acilação das hidroxilas 3’ e 2’
3) Monômeros e dímeros
Hidroxilas 2’
Monômeros
Hidroxilas 3’
Dímeros
tRNAs
Reconhecimento do AA pelas Aminoacil-tRNA sintetases
Classe 1 (Monômero)
Classe 2 (Dímero)
Aminoacil-tRNA sintetases
A reação ocorre em duas etapas
1o
Ativação
Hidrólise do PPi dirige a
termodinâmica da Reação
- Duas ligações “ricas” em energia
são consumidas
O Produto da 1º Etapa da reação
está ativado
termodinamicamente para a 2º
etapa da reação
Aminoacil-tRNA sintetases
A reação ocorre em duas etapas
2o
Transacetilação
Aminoacil-tRNA sintetases
2o
Transacetilação (Continuação)
tRNAs
Reconhecimento do AA pelas Aminoacil-tRNA sintetases
As enzimas exploram as propriedades dos aminoácidos
Treonil-tRNA sintetase
tRNAs
Reconhecimento do AA pelas Aminoacil-tRNA sintetases
1 erro a cada 104-105 reações
A Edição assegura a exatidão da reação
1) O AA correto apresenta maior afinidade pelo sítio ativo
2) As Aminoacil-tRNA sintetases possuem mecanismos de autocorreção
evitam
acoplamento incorreto de AA à tRNAs
- após ligação do AA a um tRNA, a enzima checa a identidade do AA em outro sítio ativo
sítio de Edição
- Alça 3’OH do tRNA é Flexível
- Se ocorre o encaixe
AA errado
permite trocar de sítio
hidrólise do AA-tRNA formado
Em geral: Seleção por tamanho
- AA maiores do que o sítio de acilação são rejeitados por este
- AA menores do que o sítio de acilação interagem com o sítio de Edição
tRNAs
Sítio de Edição das Aminoacil tRNA-Sintetases
A averiguação da acilação ocorre sem a dissociação da Aminoacil tRNA-sintetase do tRNA