La síntesis de las proteínas es un proceso muy complejo que lleva a cabo la maquinaria celular, a continuación describimos las etapas de dicho evento:
1.
El proceso de síntesis de proteínas traduce los codones
(tripletes de nucleótidos) del ARN mensajero (ARNm a partir de este momento) en
el código de los 20 aminoácidos esenciales que construyen la cadena de
polipéptidos de las proteínas.
2.
El proceso de traducción del ARNm comienza en su extremo 5’ y
concluye en el extremo 3’.
3.
En él la cadena de polipéptidos se sintetiza desde su extremo
amino-terminal (N-terminal a partir de ahora) a su carboxilo-terminal
(C-terminal en adelante).
Prácticamente no existen diferencias significativas en las
diversas fases de la síntesis de proteínas que tienen lugar en las células
procariotas y en las eucariotas. Sin embargo, sí hay una diferencia importante
en la estructura del ARNm de las procariotas pues este tiene, a menudo, varias
regiones codificadas (ARNm policistrónico), mientras que el ARNm de las
eucariotas tiene una sola región codificada (ARNm monocistrónico).
Las
principales etapas de la síntesis de proteínas son:
1.
Iniciación
2.
Elongación
3.
Terminación
En
la mayoría de los aspectos, el proceso de síntesis de proteínas en las células
eucariotas sigue las mismas etapas que en las procariotas. Sin embargo, sí
existen diferencias específicas que es necesario resaltar. Por ejemplo, en las
células procariotas el proceso de traducción da comienzo antes de que se
complete la transcripción. Este acoplamiento está definido por el hecho de que
las células procariotas no tienen membrana nuclear y, por lo tanto, no hay
separación física alguna entre ambos procesos.
Fase de iniciación de la
síntesis de proteínas
La
primera de las etapas que forman parte del proceso de síntesis de proteínas es
la iniciación, la cual abarca la unión de los componentes del sistema de
traducción y precede a la formación de enlaces peptídicos.
Estos
componentes que intervienen en la primera etapa de la síntesis de proteínas
son:
·
El ARNm traducido.
·
Las dos subunidades ribosomales (subunidades grandes y pequeñas)
·
El Aminoacil ARNt que se especifica en el primer codón del ARNm.
·
Trifosfato de guanosina (GTP), el cual tiene la finalidad de
proporcionar energía durante el proceso (las células eucariotas requieren
también trifosfato de adenosina).
·
Factores de iniciación que permiten el ensamblaje de esta
compleja fase. En concreto, las células procariotas poseen 3 factores de
iniciación (IF-1, IF-2 e IF-3), mientras que las eucariotas tienen más de diez
factores designados con el prefijo IF.
Dos
mecanismos están involucrados en el reconocimiento de la secuencia de
nucleótidos (AUG) por parte del ribosoma, el cual, en realidad, da inicio a la
traducción:
1. Secuencia Shine-Dalgarno (SD)
En
Escherichia coli se observa una secuencia con un alto porcentaje de bases de
nucleótidos de purina, la cual es conocida como secuencia de Shine-Dalgarno.
Esta región se encuentra muy cerca del extremo 5’ de la molécula de ARNm y
entre 6 y 10 bases por encima del codón de iniciación. El componente 16S del
ARNr de la subunidad pequeña ribosomal posee un complemento de la secuencia SD
cerca de su extremo 3’. De esta forma, las dos secuencias complementarias se
pueden acoplar, lo cual facilita el posicionamiento de la subunidad 30S
ribosomal en el ARNm próximo al codón de iniciación.
Este
mecanismo es ligeramente diferente en el caso de las células eucariotas ya que
no disponen de secuencias SD. De hecho, en ellas, con la ayuda del factor de
iniciación IF-4, la subunidad 40S ribosomal se une cerca de una estructura
denominada ‘de tapa’ en el extremo 5’ del ARNm y, posteriormente, se mueve
hacia abajo por la secuencia de ARNm hasta que se encuentra con el codón de
iniciación. En cualquier caso, este proceso requiere de adenosín trifosfato
(ATP) para ser llevado a cabo.
2. Codón de iniciación (AUG)
La
iniciación del triplete AUG es reconocida por un indicador especial contenido
en el ARNt. En el caso de las células procariotas, este proceso se ve
facilitado por el IF-2-GTP, mientras que en las eucariotas lo es por el propio
IF-2-GTP junto a otros IF adicionales. A continuación, el ARNt iniciador
cargado se acerca al sitio P de la subunidad pequeña del ribosoma. En las
bacterias (y en las mitocondrias), una metionina permanece unida al ARNt
iniciador y, posteriormente, un grupo formilo actúa como donante de carbono
para que, a continuación, una metionina N-terminal se una a dicho ARNt.
Por
su parte, en las células eurcariotas, el ARNt iniciador proporciona una
metionina no formilada. En cualquier caso, en ambos tipos de células la
metionina N-terminal unida al extremo 5’ se elimina justo al final del proceso
de traducción. Durante el último paso de la iniciación, la subunidad ribosómica
de mayor tamaño se une al complejo que se acaba de formar para,
consecuentemente, dar lugar a un ribosoma completamente funcional. Este
complejo dispone de una carga de ARNt en el sitio P y otro sitio vacío.
Durante
esta etapa de la síntesis de proteínas se utiliza la energía dentro del GTP en
SI-2, el cual consigue hidrolizarlo para convertirlo en GDP. La reactivación de
IF-2-PIB es facilitado por un factor de intercambio de nucleótidos de guanina.
Elongación de la traducción
La
elongación de la traducción es el segundo de los pasos de la síntesis de
proteínas. Durante esta fase la cadena de polipéptidos añade aminoácidos hasta
el extremo carboxilo de la proteína, un hecho que permite crecer a la cadena a
medida que el ribosoma se vuelve desde el extremo 5’ al extremo 3’ del ARNm.
En
el caso de las células procariotas, se produce la entrega del aminoacil-ARNt
ribosómico. Llegados a este punto, el alargamiento de EF-Tu-GTP y EF-Ts requiere
de hidrólisis de GTP. En cambio, si hablamos de células eucariotas, los
factores de elongación son análogos a EF-1ª-GTP y EF-1By. Ambos EF-Ts (en las
procariotas) y EF-1By (en las eucariotas) funcionan como factores de
intercambio de nucleótidos.
La
peptidil-transferasa es una enzima muy importante en esta fase del proceso pues
se encarga de catalizar la formación de los enlaces peptídicos. La actividad
enzimática es intrínseca al ARNt 23S ubicado en la subunidad ribosómica más
grande. Debido a que este ARNr cataliza la reacción de formación de los
polipéptidos, recibe el nombre de ribozima.
El
ARNt ubicado en el sitio P transporta el polipéptido sintetizado hasta el
momento, mientras que en el sitio A se encuentra un ARNt unido a un único
aminoácido. Después de que el enlace peptídico entre el polipéptido y el
aminoácido se haya formado, el polipéptido resultante entrará en contacto con
el ARNt en el sitio A. Una vez este proceso haya llegado a su fin, el ribosoma
se moverá 3 nucleótidos, es decir, hasta el extremo 3’ del ARNm. Esta fase es
conocida como translocación (en las células procariotas se requiere la
participación de EF-G-GTP y la hidrolización de GTP, mientras que las
eucariotas usan EF-2-GTP y también precisan de la hidrólisis de GTP.
Durante
el desplazamiento, el ARNt descargado se mueve desde el sitio P al E y el
peptidil-ARNt ocupa su lugar. Este es un proceso repetitivo puesto que tiene
lugar tantas veces sea necesario hasta que se llega al codón de terminación.
Terminación de la traducción
La
terminación de la traducción sucede cuando el sitio A del ribosoma alcanza uno
de los tres codones de terminación (UAA, UAG o UGA).
En
las células procariotas, estos codones que hemos comentado son reconocidos por
los diferentes factores de liberación (FL a partir de ahora). El FL-1 es el
responsable del reconocimiento de los codones de terminación UAA y UAG,
mientras que el FL-2 se encarga de los UGA y UAA. Cuando estos FL se unen al
complejo se desencadena la hidrólisis del enlace que une el péptido del ARNt en
el sitio P y libera la proteína naciente del ribosoma. A continuación, un
tercer FL (FL-3-GTP) provoca la liberación del FL-1 o FL-2 como GTP, el cual es
hidrolizado y convertido en GDP para quedar como un mero fosfato residual.
Por
el contrario, las células eucariotas poseen un único factor de liberación, eFL,
el cual puede reconocer los tres codones de terminación. Hay un segundo FL
involucrado llamado eFL-3 que ejerce funciones similares al FL-3 de las
procariotas.
Algunos
antibióticos inhibidores que podrían interferir en cualquiera de las diferentes
etapas de la síntesis de proteínas son:
·
La toxina de la difteria, la cual inactiva EF-2 y evita que se
produzca su translocación.
·
La clindamicina y la eritromicina, las cuales bloquean (debido a
una unión irreversible) un sitio de la subunidad 50S de los ribosomas y, de
esta forma, impiden la translocación.
·
La ricina procedente de las semillas de ricino es una toxina muy
potente que elimina una adenina ubicada en el lugar 28S del ARNr, inhibiendo de
este modo la función del ribosoma de las células eucariotas.
Splicing
Una
célula eucariota regula las proteínas que
sintetiza controlando:
- el momento y la frecuencia
con que un determinado gen es transcripto (control
transcripcional);
- el procesamiento del ARNm transcripto
(control de procesamiento de ARNm);
- las moléculas de ARNm que
son exportadas del núcleo al citoplasma (control
de transporte del ARNm);
- los ARNm que son traducidos
por los ribosomas en el citoplasma (control de
traducción);
- la vida media del ARNm (control
de degradación del ARNm)
- la activación e inactivación
de proteínas (control de la actividad de las proteínas). De todas estas
etapas de regulación, la primera es la que resulta más económica para la
célula. La transcripción en los eucariotas difiere de la de los
procariotas en varios aspectos.
En los
procariontes, los ribosomas se unen a una molécula de ARNm en crecimiento y su
traducción a una proteína comienza aun antes de que se haya completado la transcripción.
A diferencia de los anteriores la transcripción y la traducción de los
eucariontes se encuentran separadas en el tiempo y en el espacio. En la
transcripción de los eucariotas están implicadas tres ARN polimerasas diferentes,
cada una especializada en transcribir distintos tipos de genes. Además, se
requieren factores generales de transcripción, que permiten la unión de las ARN
polimerasas al promotor, así como una multiplicidad de proteínas
regulatorias. Además, en los eucariotas los genes estructurales no están
agrupados en operones como lo están frecuentemente en los
procariotas; la transcripción de cada gen se regula por separado y cada gen
produce un transcripto de ARN que contiene la información codificada de un solo
producto. Una vez que el núcleo se ha completado la transcripción por medio de
la ARN polimerasa II, los transcriptos de ARNm (ARNm inmaduro o primario)
se terminan de procesar modificando los extremos logrando las moléculas maduras antes
de ser transportados al citoplasma celular a través de los poros nucleares.
Este procesamiento incluye la adición
- de un casquete de metil-guanina
(CAP) al extremo 5’ de la molécula cuando solo hay
aproximadamente 20 pares de bases de largo. Su finalidad es proteger al
ARNm de la degradación y como señal para uniese luego al ribosoma en la
traducción.
- de una cola de poli-A al
extremo 3’ al terminar la transcripción. Producido un clivado en
un lugar específico del transcripto la poli A-polimersa , agrega una cola
de adenina, generándole el extremo 3’.
- También se produce remoción
de intrones y unión de exones en el RNAm
antes de dejar el núcleo. Este proceso es conocido como empalme o "splicing"(
Del inglés corte y empalme. ) El empalme alternativo de transcriptos de
ARN idénticos en diferentes tipos de células puede producir diferentes
moléculas de ARNm maduro que se traducen en diferentes polipéptidos.
La información genética codificada en el AND se
transcribe a una copia de ARN (transcripto primario). Esta copia luego se
modifica con la adición del casquete 5’ (CAP) y la cola de poli-A, la escisión
de los intrones y la unión de los exones (splicing). El mRNA maduro luego va al
citoplasma, donde se traduce a proteínas.
Mecanismo molecular de splicing.
Se trata de un mecanismo muy exacto, pues de no
serlo produciría un corrimiento del marco de lectura en el mensaje transcripto.
Los intrones son cortados del ARNm inmaduro por un sistema específico que
reconocen secuencias cortas dentro de él y que se encuentra cerca de los
límites con exones. Estas secuencias son llamadas "sitio dador" (común
en casi en todos los intrones), en el extremo 5’y "sitio
aceptor", en el extremo 3’.
El trabajo del corte y empalme esta catalizado por
una estructura pequeña, compuesta por ribo nucleoproteínas nucleares
llamadas snRNPs, constituidas por pequeños ARN nucleares (snARNs)
asociado a proteínas. Su nombre es spliceosoma. Esta
estructura tiene a su cargo el reconocimiento de las secuencias mencionadas
anteriormente en los intrones y su posterior fijación. Luego se desarrollan una
secuencia de pasos que determinan el clivaje y ligado de los intrones y exones
(Fig. 3):
- el extremo 5’del intrón es
clivado y unido a otros sitio interno del intrón, cercano a su extremo 3’
llamado "sitio de ramificación" .
- Se produce el corte en el
extremo 3’ del intrón y son empalmados los dos exones de cada lado,
liberándose el ARNm maduro del spliceosoma.
- El intrón eliminado queda
formando una estructura con forma de lazo, llamada "lariat",
que posteriormente es degradado en el núcleo.
Se ha
observado que ARNm inmaduros idénticos del mismo gen se procesan en más de una
forma. Esto significa que existen diversos empalmes alternativos, los cuales
desarrollaran diversos ARNm maduros y por lo tanto distintos polipéptidos funcionales.
En la siguiente liga encontrarás un documento en formato PDF que te ayudará a resumir esta información.
