BIOSÍNTESIS DE LAS PROTEÍNAS: TRADUCCIÓN
21.1 PRINCIPIOS GENERALES DE LA TRADUCCIÓN La síntesis de las proteínas, o traducción, es una etapa importante dentro del proceso global de la expresión génica, ya que permite, en último término, que la información genética almacenada en las moléculas de los ácidos nucleicos se plasme en forma de proteínas, que son los componentes estructurales y funcionales básicos para la organización y el funcionamiento de la célula (proteoma). La estructura tridimensional de una proteína depende, en gran medida, de la secuencia u orden lineal de los aminoácidos dentro de la cadena polipeptídica. Este orden se establece de manera rigurosa en el momento de su síntesis, por lo que el mecanismo que consigue el ordenamiento de los aminoácidos es de vital importancia para la célula. La información que determina la secuencia proteica está especificada en el ADN, en forma de secuencia de las cuatro bases nitrogenadas (A, T, C, G) características de este tipo de ácido nucleico. La unidad de codificación o codón viene determinada por una secuencia de tres bases que se corresponden con un determinado aminoácido. La estructura primaria de un polipéptido, es decir, su secuencia de aminoácidos, está escrita en un segmento concreto de ADN denominado gen, en el que las bases nitrogenadas de una de las dos cadenas del ADN forman una sucesión de bases que se leen en forma de tripletes y en el sentido 5’A3’ (pauta o fase abierta de lectura, u ORF). La relación existente entre los diferentes tripletes y los aminoácidos proteicos se conoce como código genético. Esta información, cifrada en el ADN, no se transmite de manera directa a las proteínas, sino que se comunica a través de moléculas intermediarias de ARN, que ejercen un papel importantísimo, no sólo en el transporte de la información genética, sino también en el descifrado de la misma y en la constitución de la maquinaria celular que va a llevar a cabo el proceso de síntesis proteica, en la que desempeñan un papel fundamental los ribosomas. Existen tres tipos principales de ARN que participan activamente en el proceso de síntesis de las proteínas y que, de acuerdo con su función, se clasifican en ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia
21
(ARNt) y ARN ribosomal o ribosómico (ARNr). Aunque estas moléculas son muy similares desde un punto de vista químico (polinucleótidos monocatenarios), presentan estructuras tridimensionales y funciones diferentes. La molécula de ARN, resultado de la transcripción de un gen codificador de una cadena polipeptídica determinada y que lleva la información correspondiente al gen, se denomina ARN mensajero, ARNm. Existen tantas moléculas de ARNm distintas como genes, y en unas proporciones que reflejan, fundamentalmente, la frecuencia de transcripción de los distintos genes. Estas moléculas de ARNm son de un tamaño mucho menor que el de las moléculas de ADN, y portan una sucesión de codones a lo largo de su secuencia, equivalente a la del gen a partir del cual se han copiado. La lectura o descifrado de este mensaje, utilizando la molécula de ARNm como molde o plantilla, por la maquinaria biosintética de proteínas, va a dar lugar a la unión de aminoácidos por medio de enlaces peptídicos, en una ordenación determinada. El ARNm, a diferencia del ADN u otros tipos de ARN, presenta en general una gran inestabilidad metabólica, por lo que su vida en el interior de la célula es limitada. Esta inestabilidad del mensajero implica que para la síntesis continua de una determinada proteína debe existir una síntesis permanente de su ARNm, lo que requiere una transcripción activa del gen correspondiente. Los ARNm bacterianos suelen tener una vida media muy corta (del orden de minutos), mientras que los mensajeros de los eucariotas suelen tener una supervivencia mayor. Ésta no es la única diferencia entre los ARNm de procariotas y eucariotas: así, los ARNm de los procariotas sufren procesos de síntesis mucho más sencillos que los de los eucariotas. El transcrito primario resultante de la transcripción de un gen bacteriano codificador de proteínas se puede utilizar directamente como ARNm, sin ninguna modificación ulterior, mientras que los ARNm de los eucariotas se sintetizan bajo la forma de moléculas de mayor tamaño, que necesitan sufrir una serie de procesos postranscripcionales hasta poder ser utilizados como ARNm. Estas diferencias están determinadas fundamentalmente por la dispar organización de las células procarióticas y eucarióticas, así como por la mayor
362
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La información genética
ARN polimerasa
Subunidades ribosomales Traducción
ADN Nm
AR
5’
Proteína
Célula procariótica
21.2 CÓDIGO GENÉTICO
ADN
Núcleo
ARNhn 5’ cap
Citoplasma 5’ cap
5’ cap
proteínas (Fig. 21-1). El ARNm utilizado por los ribosomas del citosol eucariótico ha tenido que atravesar la membrana nuclear y ha sufrido una serie de modificaciones químicas (véase el Cap. 20), tanto de adición y modificación de bases, como de recorte o eliminación de secuencias no codificadoras, que se encontraban separando secuencias codificadoras. Por ello, el precursor nuclear del ARNm maduro posee un tamaño considerablemente mayor y constituye el denominado ARN heterogéneo nuclear (ARNhn). Esta maduración compleja del ARNm eucariótico es reflejo de la sorprendente organización intragénica de la mayor parte de los genes de los eucariotas (véase el Cap. 18).
3’ Poli(A)
3’ Poli(A)
ARNm
3’ Poli(A)
Proteína
Célula eucariótica
Figura 21-1. Comparación de los procesos de expresión génica entre los procariotas y eucariotas.
complejidad de la información de los genes eucarióticos. En las células procarióticas, al encontrarse el ADN y los ribosomas en el mismo compartimento, el ARNm naciente puede ser utilizado como molde para la síntesis de las proteínas, produciéndose un acoplamiento entre los procesos de transcripción y traducción. En las células eucarióticas, la existencia del núcleo celular hace que el ARN primario producto de la transcripción de un gen no pueda utilizarse como molde hasta que no se procese y exporte al citoplasma, lugar de la síntesis de las
La secuencia de ARNm está escrita en un alfabeto compuesto por cuatro letras (las bases nucleotídicas A, U, C, G) y se lee de forma unidireccional por el ribosoma en «palabras» de tres letras (codones o tripletes) formadas por tres bases consecutivas. Existen 64 combinaciones diferentes de las cuatro bases para formar tripletes (43), por lo que es posible establecer una relación entre los 20 aminoácidos diferentes que participan en la síntesis de las proteínas y los 64 codones. Esta relación se conoce como código genético. Así pues, se puede considerar que el código genético es como una especie de diccionario que sirve para traducir la información escrita en el lenguaje de las cuatro bases nucleotídicas de los ácidos nucleicos al lenguaje de los 20 aminoácidos que participan en las proteínas. Un código formado por palabras de una base (41 = 4 palabras diferentes) o de dos bases (42 = 16 palabras o dobletes diferentes) no sería suficiente para establecer una correlación con los 20 aminoácidos proteicos. En la Tabla 21-1 se muestran los 64 codones y su relación con los aminoácidos. Como se puede apreciar, 61 de los 64 codones codifican aminoácidos, mientras que tres de ellos (UAA, UAG y UGA) no codifican ningún aminoácido; estos últimos se denominan codones sin sentido y se utilizan como señales de terminación del mensaje (codones de terminación). Una característica del código (conocida como degeneración) hace referencia al hecho de que la mayor parte de los aminoácidos está codificada por más de un codón, conociéndose como codones sinónimos el conjunto de codones diferentes que codifican un mismo aminoácido. La mayor parte de los codones sinónimos comparte las dos primeras bases del triplete, por lo que las mutaciones de una base en el ADN en las posiciones que corresponden a la tercera base pueden no afectar a la secuencia de la proteína codificada. Esta propiedad permite atenuar el efecto deletéreo de las mutaciones puntuales.
Biosíntesis de las proteínas: traducción
|
363
Tabla 21-1. Código genético 2.a letra U U
C
a
1. letra A
G
UUU
C Phe
A
UCU
Ser
UAU
G Tyr
UGU
Cys
U
UUC
Phe
UCC
Ser
UAC
Tyr
UGC
Cys
C
UUA
Leu
UCA
Ser
UAA
stop
UGA
stop
A
UUG
Leu
UCG
Ser
UAG
stop
UGG
Trp
G
CUU
Leu
CCU
Pro
CAU
His
CGU
Arg
U
CUC
Leu
CCC
Pro
CAC
His
CGC
Arg
C
CUA
Leu
CCA
Pro
CAA
Gln
CGA
Arg
A
CUG
Leu
CCG
Pro
CAG
Gln
CGG
Arg
G
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
A
AUG
Met
ACG
Thr
AAG
Lys
AGG
Arg
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
A
GUG
Val
GCG
Ala
GAG
Glu
GGG
Gly
G
El mensaje cifrado en la secuencia del ARNm se lee a partir del denominado triplete de iniciación (AUG), en el sentido 5’A3’, y de manera no solapada, de tres en tres bases, y finaliza cuando aparece en la pauta de lectura alguno de los tres tripletes de terminación (Fig. 21-2). La secuencia comprendida entre el triplete de iniciación y el de termi-
3.a letra
nación se suele denominar como cistrón o pauta abierta de lectura (ORF). Los ARNm bacterianos pueden ser policistrónicos, poseyendo varias ORF diferentes. Los ARNm eucarióticos son monocistrónicos, estando formados por un ORF principal, aunque en algunos casos puede existir un ORF corto, entre el principal y el extremo 5’ (uORF). Entre
ARNm Triplete de terminación
Triplete de iniciación
5’
3’
A U G
p
OH 1
Secuencia 5’ no traducida (5’UTR o líder)
2
3
4
5
Secuencia codificante (ORF)
Figura 21-2. Organización de tripletes en la secuencia del ARNm.
n
Secuencia 3’ no traducida (3’UTR o trailer)
364
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La información genética
Recuadro 21-1. RECODIFICACIÓN TRADUCCIONAL La secuencia de la cadena polipeptídica que se sintetiza en los ribosomas, mediante la lectura de un ARNm, refleja la ordenación de los diferentes codones dentro de la secuencia codificante del mismo. Sin embargo, en determinados casos, se han apreciado ligeras diferencias entre las mismas, como consecuencia de lo que podría denominarse recodificación traduccional. Una de las causas de este fenómeno está relacionada con ciertas excepciones referentes a la universalidad del código genético. Así, por ejemplo, en el patógeno humano Candida albicans, el codón CUG codifica serina, mientras que en la gran mayoría de los organismos codifica leucina. El código genético utilizado por las mitocondrias también muestra una serie de desviaciones, en relación con el código estándar: los codones para arginina AGA y AGG en la mitocondria de determinadas especies significan codones de terminación; el codón de terminación UGA se tradu-
ce como codificante de triptofano y el AUA, que en el código nuclear corresponde a isoleucina, es interpretado en la mitocondria de mamíferos como metionina. Se desconocen las causas que han generado estas diferencias, así como la significación biológica que puedan tener. Otro ejemplo lo constituye la presencia del aminoácido selenocisteína en determinadas enzimas. Este aminoácido, en el que el azufre de la cisteína se ha sustituido por selenio, no se genera por modificación postraduccional de un residuo aminoacídico presente en la cadena polipeptídica, sino que se incorpora en la síntesis de ésta a través de un aminoacil-ARNt específico capaz de aparearse con el codón de terminación AUG de ciertos ARNm. El ARNt de selenocisteína (ARNtsc) es reconocido por la seril-ARNt sintetasa dando lugar a la formación de seril-ARNtsc, compuesto que por modificación enzimática se transforma en selenocisteinil-ARNtsc. Este aminoacil-ARNt es capaz de entrar en el sitio A del ribosoma y aparearse con el triplete AUG solamente en presencia de un factor extrarribosomal
la primera base del extremo 5’ y el triplete de iniciación existe una secuencia más o menos larga denominada secuencia líder, que no se traduce, por lo que es también conocida como secuencia 5’ no traducida (5’UTR), pero que es importante para que el ARNm interaccione con la maquinaria de síntesis de las proteínas. De igual manera, entre el triplete de terminación y la última base del extremo 3’ existe otra secuencia no traducida (3’UTR), y en el caso de los mensajeros eucarióticos esta secuencia 3’ terminal se prolonga con la denominada cola de poli (A)n (donde n puede ser superior a 200), que tiene gran importancia en cuanto a la estabilidad metabólica del ARNm. El código genético es universal, es decir, funciona por igual en todos los sistemas biológicos, de modo que es el mismo para los virus, las bacterias y las células eucarióticas. Sin embargo, se ha constatado la existencia de algunas excepciones, referentes al uso de unos pocos codones, en mitocondrias, cloroplastos y en ciertos protozoos (Recuadro 21-1).
específico que requiere GTP, cuando en la zona 3’ contigua al triplete de terminación existe una secuencia específica, incorporándose el residuo selenocisteinilo a la cadena polipeptídica creciente. En determinadas moléculas de ARNm y como consecuencia de la existencia de estructuras secundarias concretas en el entorno de un triplete de terminación, éste puede ser ignorado debido a un corrimiento en la pauta de lectura en el entorno de dicho triplete, lo que da lugar a un desplazamiento de un nucleótido de dicha pauta (frameshifting) y a la extensión de la cadena polipeptídica más allá del punto teórico de terminación. Este fenómeno ha sido observado en retrovirus y en determinados ARNm de mamíferos, como el de la antizima, proteína inhibidora de la ornitina descarboxilasa, enzima limitante de la síntesis de las poliaminas. Niveles elevados de estos policationes ejercen un control negativo de la enzima, pero no a través de un mecanismo de retroinhibición, sino estimulando la traducción de la antizima, por medio de un proceso de frameshifting de la lectura de su ARNm.
21.3 PROCESO DE BIOSÍNTESIS DE LAS PROTEÍNAS EN LOS PROCARIOTAS El proceso de biosíntesis de las proteínas requiere la presencia de los 20 aminoácidos proteicos y un aporte de energía, ya que la formación de los enlaces peptídicos entre los diferentes aminoácidos es un proceso endergónico. Los aminoácidos que van a reaccionar para formar la secuencia polipeptídica no lo hacen directamente, sino bajo la forma de especies activadas de mayor reactividad, formadas con la participación de la hidrólisis de moléculas de ATP. Además, el proceso de formación de los enlaces peptídicos requiere la participación de los ribosomas, que van a catalizar la formación de las uniones entre aminoácidos, con el concurso de otras proteínas extrarribosomales, y del ARNm, que va a determinar el orden en que los diferentes aminoácidos activados van a ir reaccionando de manera secuencial para formar una determinada cadena polipeptídica. La maquinaria biosintética es pues compleja, necesitando el concurso de
Biosíntesis de las proteínas: traducción
aminoácidos, ribosomas, ARNm, ARNt, ATP, GTP, iones magnesio, factores proteicos no ribosomales y enzimas no ribosomales.
3’
a) 5’
365
Brazo aceptor
1 2
21.3.1 Formación de los aminoacil-ARNt Los 20 aminoácidos proteicos participan en la síntesis de las proteínas bajo la forma de aminoacil-ARNt, es decir, en forma de complejos binarios en los que la molécula de aminoácido se encuentra unida de forma covalente a un tipo de ARN de pequeño tamaño denominado ARN de transferencia (ARNt). Las moléculas de ARNt están formadas por una sola hebra de ARN de alrededor de 80 nucleótidos de longitud y de secuencia característica. Esta secuencia permite predecir apareamientos intracatenarios mediante enlaces por puentes de hidrógeno, que originan una estructura secundaria formada por una sucesión de brazos (zonas bicatenarias) y asas o bucles (zonas monocatenarias), que se denominan de manera concreta en función de ciertas características comunes a todos los tipos de ARNt (Fig. 21-3a). En algunos casos, se conoce la estructura terciaria de estas moléculas, que se asemeja en la forma a una L, y en cuya formación y estabilización participan diferentes enlaces por puentes de hidrógeno entre distintas partes de la cadena polinucleotídica (Fig. 21-3b). Las moléculas de ARNt desempeñan funciones de moléculas adaptadoras, ya que, por una parte, debido a su carácter polinucleotídico y con bases sin aparear, pueden llevar a cabo interacciones específicas mediante enlaces por puentes de hidrógeno con las bases del ARNm, y por otra, reaccionan de forma covalente, mediante reacciones catalizadas por enzimas específicas, con aminoácidos, estableciendo la conexión entre las unidades del código de los ácidos nucleicos y de las proteínas. Cada molécula de ARNt une enzimáticamente a su extremo 3’ terminal (que en todos los ARNt es -CCA) un determinado aminoácido. Esta molécula de ARNt posee en su asa intermedia, o asa anticodón, una secuencia de tres bases complementarias (de acuerdo con el apareamiento de Watson y Crick) del codón codificador del aminoácido. La interacción codón-anticodón se produce por apareamiento antiparalelo, mediante la formación de enlaces por puentes de hidrógeno entre las cadenas de ARNm y de ARNt, con la ayuda de factores de traducción (Fig. 21-4a). No existen, sin embargo, 61 moléculas de ARNt distintas, que aportarían los 61 anticodones para el apareamiento estricto con los 61 codones diferentes, ya que un determinado anticodón puede interaccionar con más de un codón diferente (que se diferencian en la tercera base) mediante la formación de enlaces heterodoxos entre la primera base del anticodón y la tercera del codón (balanceo) (Fig. 21-4b). A pesar de ello, la mayor parte de los aminoácidos suele unirse
A C C
|
Brazo TsC
Brazo D
T
Unión a aminoácido
b)
s
C
Brazo extra (variable)
Anticodón
Figura 21-3. Estructura del ARNt. a) Estructura en hoja de trébol del ARNt. b) Estructura terciaria del ARNt.
a dos o tres ARNt diferentes, pero específicos de ese aminoácido, denominados ARNt isoaceptores. Existen 20 enzimas diferentes que se encargan de unir de manera específica cada aminoácido con su(s) ARNt correspondiente(s) y que se denominan aminoacil-ARNt sintetasas. Una aminoacil-ARNt sintetasa determinada reconoce un solo aminoácido proteico (AAx) y su ARNt, o sus ARNt isoaceptores (ARNtx), emparejándolos por medio de la formación de un enlace covalente entre el grupo carboxilo del aminoácido y el hidroxilo 3’ del residuo adenílico terminal del ARNt, lo que da lugar a la formación del aminoacilARNt [(AA-ARNt)x]. La reacción consta de dos etapas y consume el equivalente a dos enlaces ricos en energía, aportados por el ATP (Fig. 21-5). Las aminoacil-ARNt sintetasas poseen capacidad autocorrectora o de lectura de pruebas, rompiendo el enlace formado si la relación aminoácidoARNt no es la correcta.
366
|
La información genética
1)
Aminoacil
a) 3’
H2N CH
A
5’
E Aminoacil-ARNt
2)
E
. .
COOH + ATP
Rx
E Aminoacil-ARNt sintetasa
H2N CH
CO
AMP
CO
AMP
+ 2 Pi
Rx
H2N CH Rx
OH 5’ 3’
ARNt Anticodón 3´ 2´ 1´
H2N CH 1
5’
2
3
E
3’
+
CO
+
Rx
ARNm
O AMP
Codones Aminoacil-ARNt
b)
Figura 21-5. Reacciones de formación de los aminoacil-ARNt.
ARNt 1´
1´
C
A
U
3
3
G
U
A G
G
I
21.3.2 Síntesis de las proteínas en los ribosomas 5’
3’
C
U
U
C
A
ARNm
Figura 21-4. Apareamiento codón-anticodón. a) Interacción entre el ARNm y el ARNt (nótese el alineamiento antiparalelo de las cadenas). b) Balanceo entre codón-anticodón: posibilidades de apareamiento.
Los ribosomas desempeñan un papel fundamental en el proceso de unión de los aminoácidos para formar la cadena polipeptídica. Estas partículas están formadas por la interacción compleja de diferentes cadenas de ARNr y proteínas ribosomales, cuya composición más detallada se especifica en la Tabla 21-2. Los ribosomas están formados por dos subuni-
Tabla 21-2. Composición de los ribosomas procarióticos 50 S P
70 S P
A
E
A
E
+ Unión a ARNm
30 S
Subunidad 50 S
Subunidad 30 S
ARNr
Proteínas ribosomales L
ARNr
Proteínas ribosomales S
ARNr 23 S (2904 nucleótidos) ARNr 5 S (120 nucleótidos)
31 proteínas diferentes (L1, L2, …, L31)
ARNr 16 S (1541 nucleótidos)
21 proteínas diferentes (S1, S2, …, S21)
Biosíntesis de las proteínas: traducción
dades funcionales de tamaño diferente (L, o mayor, y S, o menor), que se asocian y disocian a lo largo del proceso biosintético. Aparte de los ribosomas, también participa en el proceso una serie de factores proteicos de traducción, que interaccionan con moléculas de aminoacil-ARNt, con los ribosomas y con el ARNm para llevar a cabo con precisión el proceso de traducción. El proceso biosintético se puede dividir en tres etapas: iniciación, elongación y terminación. En la Figura 21-6 se representa un esquema del proceso de síntesis de las proteínas en los procariotas. En la etapa de iniciación y mediante una serie de pasos sucesivos, en los que se necesita el concurso de tres factores de iniciación diferentes (FI) y GTP, el ribosoma se ensambla alrededor de la zona 5’ del ARNm, que contiene el triplete de iniciación AUG, con la unión del primer aminoacil-ARNt al sitio P (peptidilo) del ribosoma y formación del primer apareamiento codón-anticodón. En los ARNm de los procariotas existe en la región 5’UTR, y precediendo unos nucleótidos al triplete de iniciación, la secuencia AGGAGGU, denominada secuencia de Shine-Dalgarno, que sirve como sitio inicial de anclaje del ARNm al ribosoma, a través de su interacción con parte del extremo 3’ de la molécula de ARNr 16S. En los ARN policistrónicos existe una secuencia de Shine-Dalgarno por cada cistrón. El triplete de iniciación AUG codifica metionina, por lo que es este aminoácido, unido a un ARNt específico denominado ARNt iniciador (ARNtMetf o ARNtMeti) el primero que se incorpora al complejo de iniciación por medio del factor de iniciación 2 (FI-2). La entrada del segundo aminoacilARNt al sitio A (aminoacilo) del ribosoma viene dictada por el codón adyacente hacia el extremo 3’ del codón de iniciación, requiriendo la actuación del factor de elongación T y de GTP. Cuando las dos moléculas de aminoacil-ARNt se encuentran localizadas sobre el ribosoma, se produce la formación del enlace peptídico entre los dos aminoácidos, reacción catalizada por la actividad peptidiltransferasa existente en la propia subunidad mayor del ribosoma, mediante el ataque del grupo amino del segundo aminoacil-ARNt al enlace éster, rico en energía, del primer aminoacil-ARNt, con la formación de un dipeptidil-ARNt unido al sitio A del ribosoma, y un ARNti descargado unido al sitio P. La actividad peptidiltransferasa reside en la molécula de ARNr 23S, que se comporta como una ribozima. Con el concurso del factor de elongación G y del GTP se produce la translocación o avance del ribosoma sobre el ARNm, quedando el ARNt descargado sobre el sitio E (de salida), el peptidil-ARNt sobre el sitio P y el sitio A vacío, lo que posibilita la entrada de una nueva molécula de aminoacil-ARNt y la formación secuencial de un nuevo enlace con el consiguiente crecimiento de la cadena polipeptídica naciente en una unidad (Fig. 21-6a).
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367
El ciclo de elongación se repite de forma continua, deslizándose gradualmente el ribosoma sobre el ARNm en el sentido 5’A3’, hasta llegar a encontrar un triplete de terminación. Ello permite la interacción del complejo con alguno de los factores proteicos de terminación (RF), que unen al sitio A gracias a su parecido estructural con los ARNt, y la molécula de agua asociada hidroliza el peptidil-ARNt, facilitando la liberación de la cadena polipeptídica sintetizada y la disociación del complejo biosintético tras la actuación del FI-3 (Fig. 21-6b). Durante este proceso se hidrolizan al menos dos moléculas de GTP por cada enlace sintetizado. Este gasto energético unido a los dos enlaces ricos en energía que se consumen en la activación de cada molécula de aminoacil-ARNt suponen un costo energético de al menos 4 enlaces ricos en energía por aminoácido de la cadena sintetizada, energía que es unas 5 veces superior a la energía de hidrólisis de un enlace peptídico. La cadena polipeptídica crece en el sentido que va desde el extremo amino al extremo carboxilo terminal, a una velocidad aproximada de 20 aminoácidos por segundo. Además, una molécula de ARNm puede ser leída simultáneamente por varios ribosomas (polirribosomas o polisomas), lo que favorece la eficacia del proceso de traducción (Fig. 21-7).
21.4 BIOSÍNTESIS DE LAS PROTEÍNAS EN LOS EUCARIOTAS En las células eucarióticas existen diversos sistemas de traducción que operan en compartimentos celulares diferentes: citosol, mitocondria y cloroplastos. El sistema de traducción más importante es el que opera en el citosol, que está formado por los ribosomas citosólicos y por una maquinaria de traducción similares a las descritas en las bacterias, aunque con diferencias en lo que se refiere a determinadas características de los ribosomas, factores proteicos de traducción y ARNm (Fig. 21-8 y Tabla 21-3). Los sistemas de traducción mitocondrial y cloroplástico son más parecidos al bacteriano que al propio citosólico. En las células de mamíferos, aparte de los ribosomas libres existentes en el citosol y de los de menor tamaño presentes en las mitocondrias, se pueden observar ribosomas ligados al retículo endoplásmico, formando el retículo endoplásmico rugoso. Estos ribosomas no son diferentes a los citosólicos y se encuentran interaccionando con la membrana del retículo, no por causa de alguna diferencia intrínseca, sino en función de la proteína que están sintetizando, ya que determinadas proteínas, al sintetizarse, poseen una secuencia específica en la región amino terminal (secuencia señal) que hace que la proteína naciente interaccione de manera indirecta con la membrana del retículo endoplásmico, por medio de una partícula de reconocimiento de la señal (PRS) (véase el Cap. 26).
368
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La información genética
a)
f-Met
30 S + ARNm
5’
3’ AUG
2
3
n
4
stop
FI-1, FI-2, FI-3 GTP
INICIACIÓN
f-Met
ARNm
3’
5’ AUG 2
3
4
n
stop
f-Met P
A
50 S
GDP+Pi + FI-1, FI-2, FI-3 ARNm
5’
3’ AUG 2
3
4
n
stop GTP FE-T
ELONGACIÓN
GDP+P f-Met
ARNm
aa2
5’
3’ AUG 2
3
4
n
stop
ELONGACIÓN
f-Met aa2
ARNm
Peptidil transferasa 3’
5’ AUG 2
3
4
n
stop GTP
f-Met
GDP+P
aa2
ARNm
FE-G
5’
3’ AUG 2
3
4
n
stop
f-Met aa2
Nuevo ciclo
aa3
ARNm
5’
aa3
3’ AUG 2
3
4
n
stop
Más ciclos
Figura 21-6. a) Etapas de iniciación y elongación de la síntesis de las proteínas en los procariotas. b) Terminación de la traducción en los procariotas.
Biosíntesis de las proteínas: traducción
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369
f-Met---aa2---aa3
b)
aan
ARNm
5’
3’ AUG 2
3
4
n
stop
H2O RF
f-Met---aa2---aa3
aan
Factores de terminación
H2O RF
ARNm
5’
3’ AUG 2
3
4
n
stop
50 S RF
f-Met---aa2---aa3 Proteína
30 S
aan -COOH 5’
3’
ARNm AUG 2
3
4
n
stop ARNt
Figura 21-6. (Continuación).
5’ ARNm 3’
Figura 21-7. Polirribosomas. El número de ribosomas por molécula de ARNm depende de la longitud del mismo. La cadena polipeptídica naciente tiene un tamaño mayor cuanto más próximo esté el ribosoma al extremo 3’ del ARNm.
370
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La información genética
L 80 S
Ribosomas citosólicos
S Disociación
Subunidad 60 S
L
S
Subunidad 40 S
ARNr 28 S 30-33 proteínas S
45-50 proteínas L ARNr 5 S
ARNr 18 S
Ribosomas mitocondriales (60-70 S)
Figura 21-8. Componentes de los ribosomas eucarióticos. La cadena de ARNr 5.8 S está apareada con el ARNr mayor para dar la molécula de ARNr 28 S.
Una de las diferencias más claras entre la traducción en los procariotas y en el citosol de los eucariotas se encuentra en el proceso de iniciación, que es más complejo en los eucariotas, ya que participa un mayor número de factores de iniciación y con un mecanismo de unión del ribosoma con el ARNm ligeramente diferente. Aquí, la interacción de la subunidad menor del ribosoma 40S y el metionil-ARNti no se produce directamente con el primer triplete de iniciación próximo al extremo 5’ del ARNm, sino que se unen primero a la caperuza por medio de un factor de iniciación específico (eFI-4E o CBP), y
el complejo ternario formado con la ayuda de otros factores de iniciación realiza un desplazamiento o barrido variable sobre el extremo 5’ hasta encontrar el triplete AUG, que suele estar formando parte de la secuencia GCCA/GCCAUGG o secuencia de Kozak, para formar el complejo de iniciación 80S tras unir a la subunidad mayor 60S (Fig. 21-9). Mientras que en los procariotas, el ribosoma puede unirse al extremo 5’ del ARNm aunque no esté íntegro el extremo 3’ (como ocurre durante el acoplamiento transcripción-traducción), en los eucariotas, la unión del ribosoma al extremo 5’ requiere la existencia de un extremo 3’ funcional, ya que debe producirse una interacción entre ambos extremos del ARNm a través de factores proteicos extrarribosomales para un inicio y una traducción eficiente (Fig. 21-10). Una vez formado el complejo de iniciación, la elongación requiere de factores eucarióticos de elongación (eFE-1_ y eFE-1`a, equivalentes al FE-T procariótico, y eFE-2, equivalente al FE-G) que actúan de manera similar a los procariotas, mientras que en la terminación, a diferencia de los procariotas, participa un único factor de terminación (eRF) que reconoce a los tres tripletes de terminación. La cadena polipeptídica recién liberada del ribosoma no suele ser funcional y requiere de procesos de plegamiento y procesamiento postraduccional que se estudian con más detalle en el Capítulo 26. En algunos ARNm eucariotas el proceso de iniciación es diferente al descrito anteriormente, ya que no se produce la interacción del ribosoma con la caperuza y el barrido de la zona 5’UTR hasta encontrar el triplete de iniciación. En estos casos existen secuencias internas de entrada del ribosoma (IRES) alejadas del extremo 5’, a las que se asocia el ribosoma con el concurso de determinados factores de iniciación, para iniciar la traducción en ese punto.
Tabla 21-3. Sistemas de síntesis de las proteínas en los procariotas y eucariotas Procariotas
Eurocariotas
Ribosomas
70 S (50 S+30 S)
80 S (60 S+40 S)
ARNm
Policistrónicos
Monocistrónicos Caperuza y cola de poli(A)
ARNt iniciador
ARNti-formilMet
ARNti-Met
Factores de iniciación
FI-1, FI-2, FI-3
eFI-2, eFI-2B, eFI-3, eFI-4A, eFI-4B, eFI-4C, eFI-4E, eFI-4G, eFI-5, eFI-6
Factores de elongación
FE-T (Ts y Tu), FE-G
eFE-1_, eFI-1`a, eFI-2
Factores de terminación
RF-1, RF-2, RF-3
eRF
Inhibidores
Puromicina, eritromicina, estreptomicina, cloranfenicol, gentamicina, kanamicina, neomicina, etcétera
Puromicina, cicloheximida, pactamicina, abrina, ricina, toxina diftérica, etcétera
Biosíntesis de las proteínas: traducción
Cap 80 S
ARNm
5´
eIF-4E eIF-4A (Helicasa) eIF-4B
6 4C
371
3´ (A)n
AUG
3
|
Met 2
3 4C
40 S
GTP
nATP Met
6
60 S
nADP + nPi 2
GTP 3 4C
3´ (A)n
AUG
Complejo de iniciación 40 S Barrido del 5´UTR
Met
2
5´ Cap
GTP AUG
3 4C
3´ (A)n
eIF-5 Met
GDP + Pi eIF-2, eIF-3, eIF-4C, eIF-5, eIF-6 Complejo de iniciación 80 S
5´ Cap
AUG
3´ (A)n
Detalles 2. eIF-2 3. eIF-3 4C. eIF-4C 6. eIF-6
Figura 21-9. Iniciación de la traducción en los ribosomas citosólicos 80 S.
3´
AA PABP
AAA
AAA
eIF-4G
eIF-4E 5´
ARNm
Figura 21-10. Esquema de la posible interacción entre la caperuza y la cola de poli(A) de los ARNm traducidos (PABP: proteína de unión a la cola de poli(A)).
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La información genética
21.5 INHIBIDORES DE LA SÍNTESIS DE LAS PROTEÍNAS Habida cuenta de la complejidad y variabilidad estructural de los diferentes componentes que participan en el proceso de síntesis proteica, no es de extrañar que existan muchos compuestos diferentes que inhiban el proceso de traducción. Muchos de ellos inhiben etapas concretas del proceso, tales como la formación de algún aminoacil-ARNt, la iniciación o la elongación, no conociéndose, sin embargo, inhibidores de la terminación. Algunos inhibidores, como la estreptomicina, aumentan la tasa de errores del proceso de descodificación, dando lugar a proteínas anormales no funcionales, mientras que otros, como la puromicina, abortan el proceso de síntesis e inducen la formación de cadenas polipeptídicas incompletas. Las diferencias entre los sistemas de síntesis de las proteínas en las bacterias y los organismos eucarióticos quedan claramente marcadas en lo que respecta a su sensibilidad frente a los inhibidores del proceso de síntesis de las proteínas: así, mientras que algunos de ellos inhiben la traducción, tanto en los procariotas, como en los eucariotas (caso de la puromicina), otros muestran una gran especificidad para cada uno de estos sistemas. Sustancias como el cloranfenicol, la eritromicina, la estreptomicina, etcétera, son inhibidores del proceso en los procariotas, pero no producen efectos inhibitorios en los ribosomas citosólicos 80 S de los eucariotas, mientras que inhibidores en los eucariotas, como la cicloheximida, no tienen efecto sobre los ribosomas bacterianos. Los inhibidores de la síntesis de las proteínas en las bacterias pueden, en teoría, ser utilizados como fármacos antibacterianos. Sin embargo, no hay que olvidar que en las células animales, aparte del sistema de biosíntesis de las proteínas existentes en el citosol, hay otro sistema operante en el interior de la mitocondria, que se asemeja más en sus propiedades al bacteriano que al del propio citosol eucariótico, por lo que determinados inhibidores, como el cloranfenicol, pueden tener efectos indeseables sobre la función mitocondrial. Por otra parte, se conoce que la inhibición de la síntesis de proteínas puede ser la causa de la acción de diferentes agentes patógenos sobre las células humanas, como es el caso de la toxina diftérica, que produce la inactivación del eEF-2 por medio de una modificación covalente del mismo (ADP-ribosilación) y la paralización de la síntesis proteica.
21.6 REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS PROTEICA La síntesis de las proteínas se regula, tanto en las células procariotas, como en las eucariotas, a través de diferentes mecanismos entre los que se puede destacar la regulación de los niveles de ARNm (control pretraduccional) y el control de la
eficacia de lectura de un determinado ARNm (control traduccional). Aparte de estos procesos generales, la traducción en células eucarióticas de determinados tipos de ARNm presenta mecanismos específicos de control, como la compartimentación citoplasmática de determinados tipos de ARNm o el silenciamiento de la expresión de determinados genes, por degradación de sus ARNm específicos mediante interacción con moléculas pequeñas de ARN (ARNsi o ARN pequeño de interferencia) (véase el Cap. 22). 21.6.1 Regulación de los niveles de ARNm La concentración de un determinado tipo de ARNm se relaciona con diferentes procesos: su velocidad de síntesis o procesamiento postranscripcional, su transporte al citosol en el caso de los ARNm eucarióticos y su estabilidad metabólica o vida media. El ARNm eucariótica que madura en el núcleo es transportado a través de los poros nucleares hasta el citosol, donde se inicia su traducción por los ribosomas. En este proceso de transporte participan proteínas de transporte nucleares, como las exportinas, así como determinadas proteínas citosólicas, como la proteína de unión a la caperuza (o eIF-4G). Los niveles de ARNm alcanzados en el citosol dependen, pues del balance entre los procesos de suministro y de degradación. La estabilidad de un determinado ARNm depende, tanto de su propia estructura como de la presencia de proteínas y factores que regulan su velocidad de degradación. Los ARNm bacterianos suelen ser muy inestables, con vidas medias de alrededor de 3 minutos, siendo degradados por exonucleasas que actúan en la dirección 3’A5’. Los ARNm eucarióticos suelen ser más estables, alcanzando vidas medias de varias horas, aunque los que codifican para ciertas proteínas reguladoras tienen vidas medias inferiores a 30 minutos. Uno de los factores que regula la estabilidad del ARNm es la longitud de su cola de poli(A). En el citosol, la cola de poli(A) es degradada lentamente por la exonucleasa DAN, que va recortando la cola de poli(A) en la dirección 3’A5’. Cuando la longitud de la cola de poli(A) desciende por debajo de 30 nucleótidos se acelera la degradación, tanto del extremo 3’, como del 5’ mediante la eliminación de la caperuza por medio de la enzima Dcp y posterior degradación del extremo 5’ (Fig. 21-11a). El proceso degradativo puede verse afectado por la unión al segmento 3’UTR de proteínas específicas que disminuyen o aumentan la velocidad de degradación de la cola de poli(A). Igualmente, la presencia de factores proteicos de traducción asociados al ARNm disminuye su degradación, por lo que la degradación de un ARNm se correlaciona inversamente con su tasa de traducción. Para algunos ARNm existe una variante del proceso de degradación mediado por la
Biosíntesis de las proteínas: traducción
5´UTR
ORF
3´UTR
Exonucleasa 5´
3´
5´UTR
Exonucleasa 3´
3´UTR
n
200
n
30
ARNm
5´
Exonucleasa 3´
Rápido
ORF
373
poli(A)n
a)
Lento
|
5´
poli(A)n
b) Caperuza Endonucleasa (Secuencia diana
) poli(A)n
Exonucleasa
Degradación
5´
3´ ARNm receptor de transferrina
c) 3´UTR
Fe Presencia de hierro
Ausencia de hierro
IREBP
IRE 5´
IRE 3´
ARNm estable
5´
3´
Degradación ARNm
Detalles IRE. Elemento de respuesta al hierro IREBP. Proteína de unión a IRE
Figura 21-11. Estabilidad de las moléculas de ARNm eucarióticos. a) Degradación de la cola de poli(A). b) Ataque a la región 3’UTR. c) Influencia de la unión de proteínas a elementos estructurales de la zona 3’UTR, en la degradación de ARNm específicos.
existencia de secuencias nucleotídicas específicas en la región 3’UTR que son reconocidas por endonucleasas, que cortan la molécula de ARNm desproveyéndola de la cola de poli(A), lo que acelera su degradación por exonucleasas (Fig. 21-11b).
Un ejemplo interesante del control de la síntesis de una proteína a través del control de la estabilidad de su ARNm es el del receptor de la transferrina, proteína de membrana necesaria para la captación del hierro por la célula. Este mensajero posee en su región 3’UTR secuencias específicas que, por
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La información genética
apareamiento complementario parcial, forman horquillas específicas denominadas IRE (elementos de respuesta a hierro). En ausencia de hierro, estas estructuras son reconocidas por una proteína específica, IREBP (proteína de unión a IRE) que se une a ellas y disminuye la degradación del ARNm. En presencia de hierro, éste se une a la proteína, evitando que ésta se una al ARNm y, por tanto, favoreciendo la degradación del ARNm y disminuyendo la síntesis del receptor de transferrina (Fig. 21-11c).
na (proteína almacenadora de hierro), en ausencia de hierro, la proteína IREBP se une a un elemento IRE existente en la región 5’UTR, impidiendo la traducción del mensajero. En presencia de hierro la afinidad de la proteína por el IRE disminuye en gran medida, quedando el IRE libre y desapareciendo el bloqueo de la traducción del mensajero y el aumento de la síntesis de ferritina (Fig. 21-12). La cantidad y actividad de los diferentes factores de iniciación y elongación también afecta la síntesis de las proteínas, aunque no afecta por igual a todos los tipos de ARNm. Se conocen diferentes ejemplos en los que la disponibilidad de factores proteicos afecta al proceso de síntesis proteica. Así, el interferón estimula la fosforilación del eFI-2, lo que hace disminuir, en su conjunto, la síntesis proteica (véase el Cap. 28). Durante la mitosis se produce un descenso en la síntesis de las proteínas, que está relacionada con un descenso en los niveles del eFI-4E. En las células que sufren apoptosis se produce la disminución de la síntesis de un gran número de proteínas por disminuir los niveles del eFI-4G, mientras que no se afecta la síntesis de aquéllas codificadas por mensajeros que poseen secuencias internas de entrada de ribosomas. En los reticulocitos, donde tiene lugar la síntesis de la globina, se produce la inactivación del eFI-2 por fosforilación, por medio de una proteína quinasa controlada por hemo. La presencia de hemo inhibe la fosforilación, por lo que los niveles de síntesis de las globinas van asociados a la disponibilidad del hemo necesario para la formación de hemoglobina.
21.6.2 Control traduccional El control traduccional viene mediado fundamentalmente por la eficacia del proceso de iniciación. Éste, a su vez, depende de la disponibilidad de los factores de iniciación y la actividad de los mismos como de la estructura del ARNm, en especial de la zona 5’UTR. En las bacterias existe un control traduccional negativo mediado por proteínas que, al unirse a la secuencia de Shine-Dalgarno, disminuyen la unión del ribosoma al ARNm. Algunos ARNm bacterianos tienen represores específicos, como en el caso de los ARNm de las proteínas ribosomales, en las que la unión de algunas de éstas al ARNm policistrónico disminuye la traducción del mismo (véase el Cap. 22). En los ARNm eucarióticos, la estructura de la región 5’UTR puede afectar la eficacia del proceso de iniciación, así como la unión de proteínas que pueden actuar como represores traduccionales. Así, en el caso del ARNm de la ferriti-
IRE
ARNm de ferritina 3´
5´ 5´UTR
Presencia de hierro
Ausencia de hierro IREBP
Fe 3´
5´
Traducción bloqueada
5´
3´
Síntesis de ferritina
IRE = Elemento de respuesta al hierro IREBP = Proteína de unión a IRE
Figura 21-12. Control traduccional, mediado por hierro, de la síntesis de ferritina.
Biosíntesis de las proteínas: traducción
21.7 MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES La cadena polipeptídica resultante del proceso biosintético en los ribosomas da lugar a su correspondiente proteína nativa, tras una serie de modificaciones (modificaciones postraduccionales) que incluyen la eliminación de residuos terminales o internos, modificaciones químicas de las cadenas laterales de determinados aminoácidos y el plegamiento de la cadena para formar las estructuras secundaria y terciaria apropiadas. A veces, las modificaciones son cotraduccionales, es decir, se producen a medida que la cadena se va sintetizando. En cualquier caso, estas modificaciones están relacionadas con la actividad y la funcionalidad de la proteína. En la Tabla 21-4 se muestran algunas de las modificaciones más habituales. En cada una de ellas se modifica un determinado aminoácido, o secuencia de la cadena polipeptídica, por medio de enzimas de modificación específicas.
• Desformilación de formilmetionina y eliminación de la metionina amino terminal • Proteólisis parcial de las cadenas polipeptídicas
– Formación de puentes disulfuro – Hidroxilación – Entrecruzamientos – Carboxilación – Fosforilación – Metilación – Acetilación – Sulfatación
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Cada una de las modificaciones desempeña un papel concreto en el funcionamiento de una proteína: así, la proteólisis parcial y la formación de puentes disulfuro son procesos importantísimos para la adquisición de la estructura tridimensional activa, la fosforilación-desfosforilación afecta considerablemente a la actividad de un buen número de enzimas, mientras que la glicosilación hace cambiar las propiedades de otras muchas. Determinadas proteínas periféricas de membrana interaccionan con la bicapa lipídica por medio de enlaces iónicos entre residuos aminoacídicos cargados y la cabeza polar de los fosfolípidos. En otros casos, las proteínas se unen de forma covalente al fosfolípido de la membrana, por medio de su aminoácido C-terminal, o bien se anclan a la membrana por medio de cadenas de ácido graso (palmítico, mirístico) o mediante grupos isoprenoides (geranilo, farnesilo) unidos a una cisteína C-terminal (prenilación). En el Recuadro 21-2 se comentan las transformaciones desde preproinsulina a proinsulina e insulina.
Tabla 21-4. Modificaciones postraduccionales de las proteínas
• Modificaciones de las cadenas laterales de los aminoácidos
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Aminoácidos implicados – Cys – Pro, Lys – Lys, OH-Lys, Gln – Glu – Ser, Thr, Tyr – Ala, Arg, Met, Pro – Lys – Tyr
• Adición de grupos voluminosos a residuos específicos – Hidratos de carbono: glicosilación con monosacáridos y oligosacáridos de Asn, Thr, Ser, OH-Lys – Lípidos: • Ácidos grasos (mirístico, palmítico, etc.) • Fosfolípidos (fosfatidilinositol) • Isoprenoides (farnesilo, geranilo, etc.) – Otros: • ADP-ribosilación • Ubiquitinación
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La información genética
Recuadro 21-2. BIOSÍNTESIS DE LA INSULINA La insulina es sintetizada y secretada por las células ` de los islotes de Langerhans del páncreas endocrino. En dichas células, a partir del ARNm de insulina se inicia la síntesis de un precursor inactivo, la preproinsulina. La presencia de una secuencia señal en el extremo amino terminal de la cadena polipeptídica en la vía de síntesis, encamina al precursor hacia el retículo endoplásmico, en donde se forma el verdadero precursor, la proinsulina, tras la eliminación del péptido señal de la cadena de preproinsulina. La proinsulina se transforma en insulina mediante proteólisis limitada en el retículo endoplásmico y en el aparato de Golgi, siendo en este compartimento donde la hormona activa va acumulándose en vesículas o gránulos de secreción, los cuales se liberan al exterior cuando la célula recibe los estímulos adecuados, especialmente en respuesta a concentraciones elevadas de glucosa en la sangre. Durante la transformación de proinsulina a insulina, la cadena polipeptídica se fragmenta en tres péptidos A, B y C, quedando unidos los dos primeros por dos puentes disulfuro, constituyendo la insulina, y liberándose el tercero. La secuencia de insulina presenta pocas variaciones entre especies de
mamíferos, estando muy conservadas las posiciones que incluyen los tres puentes disulfuros, ambos extremos de la cadena A y los residuos del extremo carboxilo de la cadena B. Esta analogía de secuencia determina que la estructura tridimensional de las diferentes insulinas animales sea muy parecida y que, por tanto, la insulina de un animal sea biológicamente activa en otras especies. Las moléculas de insulina tienen tendencia a formar dímeros en disolución, a través de la formación de enlaces por puentes de hidrógeno entre los extremos carboxilos de las cadenas B. La presencia de cinc favorece la asociación de los dímeros en hexámeros.
Los monómeros y dímeros difunden bien por la sangre, mientras que los hexámeros dan problemas. Aunque la insulina de cerdo ha sido muy eficaz para el tratamiento de la diabetes mellitus tipo I, las técnicas biotecnológicas a base de ADN recombinante han permitido obtener insulina recombinante humana. Esta tecnología posibilita además la obtención de análogos de insulina, como la insulina lispro, en la que la inversión de la secuencia prolina-lisina del extremo C-terminal de la cadena humana, no altera su capacidad para unirse a su receptor, pero hace que tenga menor tendencia a formar agregados. Preproinsulina
-1
--24 1
30 31
63 64
85
Eliminación del péptido señal
Proinsulina
Proteólisis por convertasas B 30
Insulina A
21
Figura 21-13. Secuencia en la síntesis de insulina.
C
Biosíntesis de las proteínas: traducción
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377
RESUMEN • La traducción es el proceso mediante el cual la información existente en las moléculas de ARNm queda plasmada en la síntesis de una cadena polipeptídica con una secuencia aminoacídica determinada, en función del ordenamiento de las bases en el mensajero. • El código genético marca la relación existente entre las unidades de codificación del ARNm (tripletes de bases o codones) y cada uno de los 20 aminoácidos proteicos. • De los 64 tripletes posibles, tres son tripletes de terminación (UAA, UAG, UGA), mientras que el resto codifica los diferentes aminoácidos, siendo el triplete AUG, codificante de metionina, un codón de iniciación. • El código genético es degenerado (varios codones denominados sinónimos codifican un mismo aminoácido) y universal, leyéndose de forma no solapada (cada base de la secuencia codificante forma parte de un solo codón). • En el proceso de descodificación del mensaje, las moléculas de ARNt participan como moléculas adaptadoras, uniéndose por su extremo 3’ a un aminoácido concreto e interaccionando a través de una secuencia intermedia específica (anticodón) con las moléculas de ARNm. • La síntesis de las proteínas tiene lugar en los ribosomas, participando aparte de estos orgánulos, moléculas de ARN (ARNm y ARNt), proteínas y enzimas extrarribosomales, aminoácidos, ATP, GTP, fundamentalmente. • Los ribosomas están formados por varias decenas de proteínas ribosomales y tres moléculas de ARNr diferentes que, ademas de estructurar la partícula, desempeñan funciones importantes como la interacción con el ARNm y los ARNt y la actividad ribozima de la peptidil transferasa. • Para su participación en la síntesis proteica, los aminoácidos necesitan ser activados mediante su unión a las correspondientes moléculas de ARNt con la intervención en dicho proceso de ATP, que aporta la energía necesaria para la obtención del aminoacil-ARNt y de una familia de enzimas, las aminoacil-ARNt sintetasas. • El proceso de síntesis proteica es similar en los organismos procarióticos y eucarióticos, pudiendo dividirse en tres etapas fundamentales: iniciación, elongación y terminación. • En el proceso de iniciación tienen lugar la interacción del ribosoma con el extremo 5’ terminal del ARNm y la localización del metionil-ARNt iniciador sobre el triplete de iniciación AUG. En el caso de los ARNm procarióticos, la secuencia de Shine-Dalgarno existente en la región 5’UTR es fundamental para la interacción con el ribosoma. En la mayoría de los ARNm eucarióticos la
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caperuza del extremo 5’ juega un papel importante en el proceso de iniciación, aunque en determinados casos existen secuencias internas de unión a ribosomas. Durante el proceso de elongación tiene lugar el crecimiento de la cadena polipeptídica desde el extremo amino hasta el carboxilo terminal, con la participación de los factores proteicos de elongación (FE-T y FE-G en los procariotas, y eFE-1 y eFE-2, en los eucariotas), y de la actividad peptidil transferasa responsable de la formación de los enlaces peptídicos que unen unos aminoácidos con otros a lo largo de la cadena. La finalización de la cadena ocurre cuando en la pauta de lectura aparece uno de los tripletes de terminación, lo que facilita la entrada de un factor de terminación (RF) al sitio A vacío del ribosoma y la hidrólisis del peptidilARNt del sitio P, con la subsiguiente liberación de la cadena polipeptídica del ribosoma. La traducción es un proceso endergónico, en el que se consumen al menos cuatro enlaces ricos en energía por cada aminoácido incorporado en la cadena polipeptídica. La cadena polipeptídica sintetizada en el ribosoma sufre una serie de modificaciones cotraduccionales y postraduccionales, que son de importancia fundamental para el funcionamiento de la proteína. La síntesis de las proteínas es un proceso regulado tanto a nivel pretraduccional (disponibilidad de ARNm), como traduccional (eficacia de la lectura). La concentración de un ARNm depende, tanto de la velocidad de su síntesis, como de su degradación, estando mediada esta última fundamentalmente por la longitud de la cola de poli(A) y por la unión de proteínas a la zona 3’UTR. El control traduccional viene mediado fundamentalmente por la eficacia del proceso de iniciación, la cual depende de la disponibilidad y actividad de los factores de iniciación y de la estructura de la zona 5’UTR del ARNm. En la mitocondria existe un sistema específico de síntesis proteica, que se asemeja más al sistema de los procariotas que al existente en el citosol de las células eucarióticas. Existen numerosos inhibidores del proceso de biosíntesis proteica que actúan bloqueando acontecimientos de las etapas de iniciación o elongación, presentando muchos de ellos especificidad de acción sobre los eucariotas o los procariotas, lo que permite la utilización de los últimos como fármacos antibacterianos.
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La información genética
EVALUACIÓN 1. (A). En relación a la pauta de lectura: a. En el ARNm viene delimitada por las tres primeras bases del extremo 5’. b. La zona 5’UTR forma parte de la misma. c. Cada base de la misma forma parte de tres codones diferentes. d. En la mitocondria viene definida por el codón de inicio de selenocisteína. e. Todo lo anterior es falso. 2. (B). Estructura y función de los ribosomas: 1. Se desplazan sobre la molécula de ARNm en la dirección 3’A5’. 2. En la subunidad mayor, el ARNr actúa como ribozima. 3. Un ribosoma no puede unirse al ARNm si sobre éste ya hay unido otro ribosoma. 4. Los del citoplasma eucariótico son de mayor tamaño que los mitocondriales. a b c d e 3. (A). Código genético: a. Todos los aminoácidos tienen el mismo número de codones sinónimos. b. En las mitocondrias sólo existen dos codones de terminación. c. El codón interacciona formando enlaces por puentes de hidrógeno con el anticodón. d. Los virus animales utilizan un código específico. e. Hay más de una respuesta correcta.
6. (B). Interacciones moleculares durante la traducción: 1. La subunidad 40S interacciona con la caperuza del ARNm y se desplaza por el 5’UTR hasta encontrar el triplete AUG de iniciación. 2. Los factores de terminación impiden el avance del ribosoma sobre el ARNm. 3. Entre la tercera base del codón y la primera del anticodón se pueden formar apareamientos de bases diferentes a los del tipo Watson y Crick. 4. El eFE-1 participa en la translocación. a b c d e 7. (A). Inhibidores de la síntesis proteica: a. La estreptomicina se usa como agente antibacteriano, ya que inhibe la síntesis proteica en los ribosomas 70 S. b. La toxina diftérica produce la degradación del ARNm. c. No se conoce ningún inhibidor que afecte al proceso tanto en los procariotas, como en los eucariotas. d. Los más efectivos son los que afectan los factores de terminación. e. Hay más de una respuesta correcta. 8. (C). Los ARNm eucarióticos son más estables que los bacterianos PORQUE su unión a los ARN citosólicos de pequeño tamaño los protege de la degradación por las ARNasas. a b c d e
4. (B). Activación de los aminoácidos: 1. Se consumen dos enlaces ricos en energía por cada aminoacil-ARNt formado. 2. Cada uno de los 20 aminoácidos proteicos es unido a su ARNt por una enzima específica. 3. Las aminoacil-ARNt tienen actividad correctora. 4. Se unen por su grupo amino al extremo 3’ de la molécula de ARNt. a b c d e
9. (A). Traducción de ARNm: a. La existencia de la caperuza en el extremo 5’ de los ARNm eucarióticos dificulta su traducción. b. En las bacterias pueden comenzar la traducción, aunque el extremo 3’ esté incompleto. c. El ARN puede ser traducido eficientemente en el núcleo antes de su transformación en ARNm. d. Los ARNm eucariotas suelen ser policistrónicos. e. Hay más de una respuesta correcta.
5. (B). Etapas de la biosíntesis proteica: 1. En los procariotas, en la iniciación participan 3 factores proteicos diferentes. 2. Durante la formación del enlace peptídico hay dos moléculas de ARNt unidas al ARNm. 3. El FE-T es requerido para la incorporación del aminoacil-ARNt al sitio A del ribosoma. 4. En los eucariotas, el primer aminoácido incorporado a la cadena es cisteína, en lugar de metionina. a b c d e
10. (B) Control de la síntesis proteica: 1. La unión de las proteínas al extremo 3’ suele disminuir la traducción. 2. El hierro controla la síntesis de las proteínas relacionadas con este metal. 3. Todos los ARNm eucarióticos se leen con la misma eficacia. 4. La estructura secundaria de la zona 5’UTR influye en la traducción del mensajero. a b c d e
Biosíntesis de las proteínas: traducción
BIBLIOGRAFÍA • Abbott CM, Proud CG: Translation factors: in sickness and in health. TiBS 2004; 29: 25-31. • Brosius J: tRNAs in the spotlight during protein biosynthesis. TiBS 2001; 26: 653-656. • Brown BS: An A-B-C of protein biosynthesis. Biochem Mol Biol Educ 1993; 21: 37-39. • Daggett V, Fersht AR: Is there a unifying mechanism for protein folding? TiBS 2003; 28: 18-25. • Kaufman RJ: Regulation of mRNA translation by protein folding in the endoplasmic reticulum. TiBS 2004; 19: 152-158. • Merrick WC: Initiation of Protein Biosynthesis in Eukaryotes. Biochem Mol Biol Educ 2003; 31: 378-385. • Nirenberg M: Deciphering the genetic code – a personal account. TiBS 2004; 29: 46-54. • Pouplana L, Schimmel P: Aminoacyl-tRNA synthetases: potential markers of genetic code development. TiBS 2001: 26: 591-596. • Rodnina MV, Wintermeyer W: Ribosome fidelity: tRNA discrimination, proofreading and induced fit. TiBS 2002; 27: 124-130. • Schneider RJ, Mohr I: Translation initiation and viral tricks. TiBS 2003; 28: 130-136. • Smith S: The world according to PARP. TiBS 2001; 26: 174-179. • Szeberényi J: The Role of a Chaperone in Protein Synthesis. Biochem Mol Biol Educ 2003; 31: 137-138. • Valpuesta JM, Llorca O, Marco S: Biología de las chaperoninas. Inv y C 2000; marzo: 52-59. • Wilkie GS, Dickson KS, Gray NK: Regulation of mRNA translation by 5’- and 3’-UTR-binding factors. TiBS 2003; 28: 182-188.
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