Bioquímica del Metabolismo

tRNA y ribosomas

Contenido de esta página:Revisión de estructuras de ácido nucleico 
ARNt 
Amino Acil ARNt sintetasas 
ribosoma Estructura

Nota a los estudiantes RPI: se asume familiaridad con los conceptos básicos de la biología molecular. Estos incluyen la naturaleza del código genético, el mantenimiento de genes a través de la replicación del ADN, la transcripción de la información del ADN a ARNm, y la traducción del ARNm en proteína.Nuestra discusión se iniciará con el material de la estructura del ARN . Información básica se resume en la primera parte de estas notas, y se explica con más detalle en los capítulos 29 a 31 y las páginas 1285-1291 de Bioquímica, tercera edición por Voet y Voet.

Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos. Cada nucleótido comprende una base de , o bien una purina(adenina, guanina) o una pirimidina (citosina, uracilo, timina). Vea el diagrama en p derecho y en la Tabla 5-1. 86. Algunos ácidos nucleicos contienen bases modificadas. Ejemplos de estos se dan a la derecha y en la p. 1294.

En un nucleótido , por ejemplo, monofosfato de adenosina (AMP), la base (por ejemplo, adenina) está unido a un azúcar ribosa, que a su vez tiene un enlace éster fosfato en al hidroxilo 5 ', como se muestra a la derecha.

Los ácidos nucleicos que tienen una columna vertebral de fosfato alterna y ribosa restos. fosfodiéster vínculos forma que el 5 'fosfato de un nucleótido forma un enlace éster con el hidroxilo 3' del nucleótido adyacente de la cadena. Un corto tramo de ARN se muestra a la derecha.

Los enlaces de hidrógeno enlazan dos bases de nucleótidos complementarios en cadenas de ácidos nucleicos separados, o en las partes complementarias de la misma cadena. Los convencionales pares de bases son entre A & U (o T) y entre C y G, como se muestra en la Fig. 12.05 p.88 y por debajo.

En el diagrama de la izquierda, H-bonos se muestran en rojo. Longitudes de enlace relativos son inexactas.  La imagen de la derecha se basa en la cristalografía de rayos X de tRNA Gln (AP archivo 1GTR) . No se muestran los átomos de H.

Estructura secundaria: El apareamiento de bases en tramos largos de secuencias de bases complementarias en dos cadenas de ácido nucleico se estabiliza la estructura secundaria, tales como la doble hélicede ADN (p 87, 1108.).  interacciones de apilamiento entre las bases hidrofóbicas adyacentes en la doble hélice, contribuir a la estabilización de tales estructuras secundarias. Cada base interactúa con sus vecinos arriba y abajo, en la disposición de escalera de pares de bases de la doble hélice, por ejemplo, de ADN. 
El código genético se basa en la secuencia de bases a lo largo de un ácido nucleico. El código genético estándar se resume en la Tabla siguiente. Cada codón , que consiste en una secuencia de 3 bases en el ARNm, los códigos para un aminoácido particular, o para la terminación de cadena. Algunos aminoácidos son especificados por dos o más codones. sinónimos (múltiples codones que especifican el mismo aminoácido) en la mayoría de los casos sólo se diferencian en la tercera base. Codones similares tienden a codificar para aminoácidos similares (por ejemplo, los codones para los dos aminoácidos ácidos Asp y Glu). De este modo se minimizan efectos de la mutación.

1 st de base	2 nd de base				3 rd de base
	U	C	La	G
U	UUU Phe	UCU Ser	UAU Tyr	UGU Cys	U
	UUC Phe	UCC Ser	UAC Tyr	UGC Cys	C
	UUA Leu	UCA Ser	UAA Detener	UGA Detener	La
	UUG Leu	UCG Ser	UAG Detener	UGG Trp	G
C	CUU Leu	CCU Pro	CAU Su	CGU Arg	U
	CUC Leu	CCC Pro	Su CAC	CGC Arg	C
	CUA Leu	CCA Pro	CAA Gln	CGA Arg	La
	CUG Leu	CCG Pro	CAG Gln	CGG Arg	G
La	AUU Ile	ACU Thr	AAU Asn	AGU Ser	U
	AUC Ile	ACC Thr	AAC Asn	AGC Ser	C
	AUA Ile	ACA Thr	AAA Lys	AGA Arg	La
	Agosto Met *	ACG Thr	AAG Lys	AGG Arg	G
G	GUU Val	GCU Ala	GAU Asp	GGU Gly	U
	GUC Val	GCC Ala	GAC Asp	GGC Gly	C
	GUA Val	GCA Ala	GAA Glu	GGA Gly	La
	GUG Val	GCG Ala	GAG Glu	GGG Gly	G

* Se reunió también códigos para la iniciación.

Se lee el código genético durante la traducción a través de moléculas adaptadoras, ARNt (ARN transferir) que tienen 3-base anticodones complementarios a los codones en el ARNm. 
" Wobble "durante la lectura del ARNm permite que algunos tRNAs para leer múltiples codones que difieren sólo en la tercera base (p. 1307-1308). Hay 61 codones que especifican 20 aminoácidos. Se requieren mínimamente 31 tRNAs para la traducción, sin contar el tRNA que codifica para la iniciación de la cadena. Las células de mamíferos producen más de 150 ARNt.

RNA estructura: La mayoría de las moléculas de ARN por lo general tienen estructura secundaria , que consiste en dominios madre y bucle. Doble helicoidales s tem dominios surgen de la base de sincronización entre tramos complementarios de bases dentro de la misma cadena. Estas estructuras madre se estabilizan por interacciones de apilamiento, así como el apareamiento de bases, como en el ADN. Dominios Loop ocurren donde la falta de complementariedad , o la presencia de bases modificadas , impide el apareamiento de bases.

La " hoja de trébol modelo "de ARNt hace hincapié en los dos grandes tipos de estructura secundaria, tallos y bucles . ARN de transferencia suelen incluir muchas bases modificadas , en particular en los dominios de bucle.ARN t estructura ertiary depende de las interacciones de bases a sitios distantes . Estas interacciones implican generalmente no estándar emparejamiento y / o interacciones que implican base de tres o más bases.  Unpaired adenosinas (que no participan en el apareamiento de bases convencional) predominan en participar en interacciones no estándar que estabilizan las estructuras de ARN terciario.

ARNt tienen una forma de L- estructura terciaria. A la derecha es la estructura de tRNA Phe , determinado por análisis cristalográfico (PDB file1TRA) . Ver también pág. 1295-1296.Extendiéndose desde el " tallo aceptor ", el extremo 3 ' de cada ARNt tiene la secuencia CCA . La apropiado ácido amino está unido a la ribosa del residuo de adenina terminal ( A ) en el extremo 3 'del ARNt, que se muestra en rojo. El bucle con el anticodón es en el extremo opuesto de la forma L.

Un ejemplo de n on-estándar interacciones de bonos H que ayudan a estabilizar la estructura terciaria en forma de L de un ARNt se muestra en la bola y palillo (izquierda) y spacefill (derecha) muestra (basado en el archivo de base de datos de ácidos nucleicos 1TN2) . No se muestran los átomos de H. Para otros ejemplos véase p. 1118, 1296. Algunos otros ARN, incluyendo ARN virales y segmentos de ARN ribosomal, se pliegan en pseudoknots , estructuras terciarias que imitan la estructura 3D de tRNA. Pseudoknots se estabilizan de manera similar por interacciones no estándar H-bonos.

Explorar tRNA Phe (1TRA archivo PDB) con Chime.Haz clic derecho y cambiar la pantalla a palos . Arrastre la imagen para visualizar el emparejamiento de bases que estabiliza la estructura secundaria de madre dominios. Tenga en cuenta la doble hélice estructura de dominios madre. Vea cómo las bases apilan una encima de la otra. Pulse Mayús y arrastre para hacer un zoom para ver de cerca. Tenga en cuenta la ubicación del esqueleto fosfodiéster en la periferia de dominios dobles helicoidales. Identificar el tallo aceptor , que termina en residuo # 76. Para ver una de las bases modificadas más inusuales, designado Y , seleccione hetero-ligando y cambiar la pantalla, por ejemplo, a labola y palo . Este guanina altamente modificado es adyacente al anticodón . Mg ++ estabiliza la estructura terciaria de tRNA, cuyo fosfodiéster columna vertebral incluye múltiples cargas negativas. hidratado Mg ++ iones puede contribuir a la carga de compensación en la superficie de una molécula de ARN. (Tenga en cuenta que en una estructura cristalina no todas las moléculas de agua pueden ser resueltos.) Busque ejemplos en aguas de hidratación pueden ser desplazados, por ejemplo, cuando quelado Mg ++ interactúa directamente con los átomos de oxígeno de fosfato ARN.

C O N S P Mg

Aminoacil-ARNt sintetasas catalizan la vinculación del aminoácido apropiado a cada tRNA. La reacción de 2 pasos se resume a la derecha y abajo. ácido amino + ATP aminoacil ampere + PP i aminoacil ampere + ARNt aminoacil -tRNA + AMP En el paso 1, un átomo de oxígeno del aminoácido un carboxilo ataca el fósforo del fosfato inicial de ATP. En la etapa 2, la 2 'o 3' hidroxilo de la adenosina terminal del tRNA ataca el átomo de carbono del carbonilo de aminoácidos. Esta reacción 2-paso catalizada por la aminoacil-tRNA sintetasas es espontánea en general, porque la concentración de PP i se mantiene baja por su hidrólisis, catalizada por Pyrophosphatase. En general, hay una diferente aminoacil-tRNA sintetasa (aaRs) para cada aminoácido. Traducción exacta del código genético depende de la unión de cada aminoácido a un tRNA apropiado. Cada aaRs reconoce su especial de aminoácidos y tRNAs que codifican para ese aminoácido.

Dominios de tRNA reconocidas por un aaRs se denominan elementos de identidad (ver Fig. 32-14 p. 1299). La mayoría de los elementos de identidad se encuentran en el tallo aceptor y bucle anticodón .Aminoacil-tRNA sintetasas se levantó temprano en la evolución. Temprano aaRSs probablemente tRNAs reconocido sólo por su aceptador de tallos.
Hay dos familias de aminoacil-ARNt sintetasa (aaRSs), designado de Clase I y Clase II. Dos proteínas ancestrales diferentes evolucionaron en las dos clases de enzimas aaRS, que difieren en las arquitecturas de sus dominios de sitios activos. Se unen a los lados opuestos del tallo aceptor tRNA, resultando en aminoacilación de un hidroxilo diferente de la tRNA. Ver también la Fig. 32-20 p. 1303.

Clase I aaRSs (por ejemplo, GlnRS): elementos de identidad por lo general incluyen residuos del bucle anticodón, así como el tallo aceptor. Clase I aaRSs aminoacylate la de 2'-OH de la adenosina en su extremo 3 '. Clase II aaRSs : elementos de identidad de algunas enzimas de clase II no incluyen el dominio anticodón. AaRSs Clase II aminoacylate el 3'-OH de la adenosina en su extremo 3 '. Explore a la derecha una sintetasa aminoacil-ARNt con su sustrato unido ARNt Gln .

GlnRS tRNA Gln

Corrección de control / calidad:

• Algunos aminoacil-tRNA sintetasas se sabe que tienen sitios catalíticos separados que liberan por hidrólisis inapropiado aminoácidos que se misacylated o mis-transferidas a ARNt. Por ejemplo, el aminoacil-tRNA sintetasa para isoleucina (IleRS) un pequeño porcentaje del tiempo activa el aminoácido valina estrechamente relacionado a la valina-AMP. Después de valina se transfiere a tRNA ^Ile , para formar Val-tRNA ^Ile , la valina se elimina por hidrólisis a un sitio activo separado de IleRS que acomoda valina isoleucina pero no el más grande. Diagrama p. 1304.

• En algunas bacterias, edición de algunos tRNAs misacylated se lleva a cabo por proteínas separadas que pueden ser precursores evolutivos a dominios de edición de aminoacil-tRNA sintetasas.

Algunos aminoácidos son modificados después de haber sido vinculado a un tRNA.

• Por ejemplo, en procariotas el iniciador tRNA ^fMet primero se carga con metionina . Metionil-tRNA formiltransferasa cataliza entonces formilación del resto de metionina, utilizando tetrahidrofolatodonante como formilo, para producir formilmetionil-tRNA ^fMet .
• En algunos procariotas, a no discriminar aaRS cargas aspartato en ARNt ^Asn . El resto de aspartato es entonces convertida por una enzima amidotransferasa a asparagina , obteniéndose Asn-tRNA^Asn .
  Glu-tRNA ^Gln se forma de manera similar y convertidos a Gln-tRNA ^Gln en tales organismos.

Algunas enzimas contienen el aminoácido inusual selenocisteína ( Sec ), con selenio sustituyendo el átomo de azufre en cisteína. Hay un tRNA selenocisteína que difiere de otros tRNAs, por ejemplo, en tener un tallo aceptor ligeramente más largo y una base modificada único en el anticodón bucle. Este tRNA Sec primera secarga con serina a través de Seryl-tRNA sintetasa. El resto de serina es luego convertido a selenocisteína por otra enzima, en una reacción que implica selenophosphate. Sec-tRNA Sec utilización durante la síntesis de proteínas requiere especiales factores de elongación porque el codón para selenocisteína es UGA , que normalmente es un codón de parada.

Otros papeles de aminoacil-tRNA sintetasas:

• En algunos organismos, A sintetasas minoacyl-ARNt ( aaRSs ) han evolucionado para asumir funciones de señalización , además de la función catalizadora de unirse a un aminoácido al ARNt correcto. Ejemplos Se han identificado en particular de aaRSs que regulan la transcripción , traducción o de empalme intrón través de la unión a ADN o ARN.
• Proteolítica escisión de la humana aaRs ^Tyr produce una citocina que estimula la angiogénesis , mientras que una forma truncada de la humana aaRs ^Trp inhibe la angiogénesis.
• Regulación de la apoptosis por el humano aaRs ^Gln   es dependiente de la concentración de glutamina su sustrato.
• Varios mamíferos aminoacil-tRNA sintetasas asociarse con otras proteínas para formar grandes complejos macromoleculares cuyas funciones están siendo activamente investigados.

Los ribosomas

A continuación se muestra un resumen de la composición de E. coli ribosomas y ribosomas citoplasmáticos de mamíferos. (Ver también pág. 1310, 1317.) Los valores S se refieren a coeficientes de sedimentación. Ribosomas citoplasmáticos eucariotas son más grandes y más complejos que los ribosomas procariotas. Mitocondriales y del cloroplasto ribosomas eucariotas difieren de ambos de los ejemplos mostrados.

Ribosoma Fuente	Todo el ribosoma	Subunidad pequeña	Subunidad grande
E. Coli	70S	30S 16S RNA 21 proteínas	50S 23S y 5S ARN 31 proteínas
Citoplasma Rata	80S	40S 18S RNA 33 proteínas	60S 28S, 5.8S, y 5S ARN 49 proteínas

Estructuras de las grandes y pequeñas subunidades de los ribosomas bacterianos y eucariotas se han determinado, por cristalografía de rayos X y por crio-microscopía electrónica con reconstrucción de la imagen.En consonancia con predicho apareamiento de bases, estructuras cristalinas de rayos X indican que los ARN ribosomal (ARNr) tienen una ampliaestructura secundaria (p. 1311 y de la derecha).

A la derecha están las imágenes de la E. ribosoma coli , reconstruido a partir de mapas de densidad de electrones obtenidos por tridimensional crio-microscopía electrónica .

La subunidad grande es de color cian, mientras que la subunidad pequeña es de color amarillo pálido. A la izquierda es una vista de la superficie. A la derecha es una vista en corte que muestra la posición del ARN mensajero (representado esquemáticamente como perlas de naranja), así como P y E-site ARNt (basado en estructuras de rayos X, que se muestra en verde y amarillo). El factor de elongación EF-G (que se discutirá en la próxima clase) es de color azul. Esta cifra fue proporcionada por el Dr. Joachim Frank, cuyo laboratorio en el Centro Wadsworth del Departamento de Salud del Estado de Nueva York, llevó a cabo la crio-ME y reconstrucción de imágenes en 3 dimensiones.
Pequeño subunidad del ribosoma: En el complejo de traducción, los ARNm de las discusiones a través de un túnel dentro de la subunidad pequeña ribosomal. Los sitios de unión para ARNt están en una hendidura en la subunidad pequeña (ver diagrama anterior). El extremo 3 ' del 16S rRNA de E. coli de la subunidad pequeña está involucrada en la unión de ARNm .
La subunidad pequeña ribosomal es relativamente flexible, asumiendo diferentes conformaciones. Por ejemplo, la subunidad 30S de un ribosoma bacteriano fue encontrado por crio-EM y el análisis cristalográfico a sufrir cambios conformacionales específicos al interactuar con un factor de iniciación de la traducción (ver notas en la síntesis de proteínas ).

A la derecha de la subunidad ribosomal 30S de una bacteria termófila se muestra por RasMol en spacefill y cintas, con rRNA en monocromo y proteínas cadenas en diferentes colores. (Para más detalles ver el artículo por BT Wimberly et al., 2000)La forma general de la subunidad ribosomal 30S está determinada en gran medida por el rRNA. El rRNA compuesta principalmente de hélices dobles (tallos) conectados por lazos de cadena sencilla. Las proteínas generalmente tienen dominios globulares, así como extensiones largas que interactúan con rRNA y puede estabilizar las interacciones entre las hélices de ARN.

Subunidad ribosómica grande: A la derecha es la estructura cristalina de la subunidad grande de un ribosoma bacteriano. Ver también Diagramas p. 1314-1316.El interior de la subunidad grande es principalmente ARN . Las proteínas se distribuyen principalmente en la superficie. Algunas proteínas tienen colas largas que se extienden en el interior del complejo. Estas colas, que son altamente básico , interactúan con el ARN cargado negativamente. El sitio activo de dominio para la formación de enlace peptídico es esencialmente desprovisto de proteínas. La peptidil transferasa función se atribuye a la 23S rRNA , haciendo de este un ARN " ribozima ".

La síntesis de proteínas tiene lugar en una cavidad dentro del ribosoma, entre las subunidades pequeñas y grandes. Polipéptidos nacientes emergen a través de untúnel en la subunidad grande del ribosoma. El lumen de túnel es alineados con hélices rRNA y algunas proteínas ribosomales. Catálisis de la síntesis de proteínas y el movimiento del ribosoma en relación con ARN mensajero son acompañados por cambios en la conformación ribosoma .Crio-microscopía electrónica y estudios cristalográficos de rayos X, llevado a cabo en presencia y ausencia de factores de iniciación y elongación, así como inhibidores de la síntesis de proteínas, han revelado cambios conformacionales en rRNA . Por lo tanto rRNA participa en acoplamiento conformacional además de sus funciones estructurales y catalíticas. tRNAs también se someten a sustanciales cambios conformacionales dentro de sus sitios de unión ribosomal durante la síntesis de proteínas. Explore a la derecha de la subunidad grande del ribosoma. El archivo de datos es muy grande, por lo que el equipo puede ser lento para responder a los comandos.