Qué aprenderás a hacer: Resume el proceso de traducción

Tómate un momento para mirar tus manos. El hueso, la piel y el músculo que ves están compuestos de células. Y cada una de esas células contiene muchos millones de proteínas De hecho, ¡las proteínas son » bloques de construcción «moleculares clave para cada organismo en la Tierra!

¿Cómo se fabrican estas proteínas en una célula? Para empezar, las instrucciones para fabricar proteínas están «escritas» en el ADN de una célula en forma de genes. Básicamente, un gen se utiliza para construir una proteína en un proceso de dos pasos:

• Paso 1: Transcripción (que acabamos de conocer)! Aquí, la secuencia de ADN de un gen se «reescribe» en forma de ARN. En eucariotas como tú y yo, el ARN se procesa (y a menudo se le cortan algunos bits) para hacer el producto final, llamado ARN mensajero o ARNm.
• Paso 2: Traducción! En esta etapa, el ARNm se «decodifica» para formar una proteína (o un trozo/subunidad de una proteína) que contiene una serie específica de aminoácidos.

Requisitos para la Traducción

Figura 1. Un enlace peptídico une el extremo carboxilo de un aminoácido con el extremo amino de otro, expulsando una molécula de agua. Para simplificar, en esta imagen, solo se muestran los grupos funcionales involucrados en el enlace peptídico. Las designaciones R y R ‘ se refieren al resto de la estructura de cada aminoácido.

El proceso de traducción, o síntesis de proteínas, implica la decodificación de un mensaje de ARNm en un producto polipéptido. Los aminoácidos se encadenan covalentemente mediante enlaces peptídicos entrelazados. Cada aminoácido individual tiene un grupo amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH). Los polipéptidos se forman cuando el grupo amino de un aminoácido forma un enlace amida (es decir, péptido) con el grupo carboxilo de otro aminoácido (Figura 1).

Esta reacción es catalizada por ribosomas y genera una molécula de agua.

La Maquinaria de Síntesis de Proteínas

Además de la plantilla de ARNm, muchas moléculas y macromoléculas contribuyen al proceso de traducción. La traducción requiere la entrada de una plantilla de ARNm, ribosomas, ARNt y varios factores enzimáticos.

Ribosomas

Un ribosoma es una macromolécula compleja compuesta de ARNR estructurales y catalíticos, y muchos polipéptidos distintos. Los ribosomas existen en el citoplasma de los procariotas y en el citoplasma y retículo endoplásmico rugoso de los eucariotas. Los ribosomas se componen de dos subunidades. En E. coli, la subunidad pequeña se describe como 30S, y la subunidad grande es de 50S, para un total de 70S. Los ribosomas de los mamíferos tienen una subunidad pequeña de 40S y una subunidad grande de 60S, para un total de 80S. La subunidad pequeña es responsable de unir la plantilla de ARNm, mientras que la subunidad grande une secuencialmente los ARNt.

ARN

Los ARN son moléculas estructurales de ARN que fueron transcritas de genes por ARN polimerasa III. Sirviendo como adaptadores, los ARN específicos se unen a secuencias en la plantilla de ARNm y agregan el aminoácido correspondiente a la cadena polipeptídica. Por lo tanto, los ARNT son las moléculas que en realidad «traducen» el lenguaje del ARN al lenguaje de las proteínas.

Figura 2. tRNA de fenilalanina

De los 64 posibles codones de ARNm o combinaciones triples de A, U, G y C, tres especifican la terminación de la síntesis de proteínas y 61 especifican la adición de aminoácidos a la cadena polipeptídica. De estos 61, un codón (AUG) también conocido como el «codón de inicio» codifica el inicio de la traducción. Cada anticodón de ARNt puede emparejarse con uno de los codones de ARNm y agregar un aminoácido o terminar la traducción, de acuerdo con el código genético. Por ejemplo, si la secuencia CUA ocurriera en una plantilla de ARNm en el marco de lectura adecuado, se uniría a un ARNt que expresara la secuencia complementaria, GAU, que se uniría al aminoácido leucina.

Los ARNT maduros adquieren una estructura tridimensional a través de enlaces intramoleculares de hidrógeno para posicionar el sitio de unión de aminoácidos en un extremo y el anticodón en el otro extremo (Figura 2).El anticodón es una secuencia de tres nucleótidos en un ARNt que interactúa con un codón de ARNm a través del emparejamiento de bases complementarias.

Los ARN necesitan interactuar con tres factores:

1. Deben ser reconocidos por la aminoacil sintetasa correcta.
2. Deben ser reconocidos por los ribosomas.
3. Deben unirse a la secuencia correcta en el ARNm.

Aminoacil ARNt Sintetasas

A través del proceso de «carga» de ARNt, cada molécula de ARNt está vinculada a su aminoácido correcto por un grupo de enzimas llamadas aminoacil ARNt sintetasas. Existe al menos un tipo de aminoacil ARNt sintetasa para cada uno de los 20 aminoácidos.

Código genético

Dados los diferentes números de» letras «en el ARNm y los» alfabetos » de proteínas, los científicos teorizaron que las combinaciones de nucleótidos correspondían a aminoácidos individuales. Los científicos teorizaron que los aminoácidos eran codificados por trillizos de nucleótidos y que el código genético era degenerado. En otras palabras, un aminoácido dado podría ser codificado por más de un triplete de nucleótidos. Estos trillizos de nucleótidos se llaman codones. Los científicos resolvieron minuciosamente el código genético traduciendo ARNm sintéticos in vitro y secuenciando las proteínas que especificaron (Figura 3).

Figura 3. Esta figura muestra el código genético para traducir cada triplete de nucleótidos en ARNm en un aminoácido o una señal de terminación en una proteína naciente. (crédito: modificación del trabajo por parte de los NIH)

Además de instruir la adición de un aminoácido específico a una cadena de polipéptidos, tres (UAA, UAG, UGA) de los 64 codones terminan la síntesis de proteínas y liberan el polipéptido de la maquinaria de traducción. Estos trillizos se llaman codones sin sentido, o codones de parada. Otro codón (AUG, también tiene una función especial. Además de especificar el aminoácido metionina, también sirve como codón de inicio para iniciar la traducción. El marco de lectura para la traducción se establece mediante el codón de inicio AUG cerca del extremo 5′ del ARNm.

El código genético es universal. Con algunas excepciones, prácticamente todas las especies utilizan el mismo código genético para la síntesis de proteínas. La conservación de codones significa que un ARNm purificado que codifica la proteína globina en caballos podría transferirse a una célula de tulipán, y el tulipán sintetizaría globina de caballo. El hecho de que solo haya un código genético es una evidencia poderosa de que toda la vida en la Tierra comparte un origen común, especialmente teniendo en cuenta que hay alrededor de 1084 combinaciones posibles de 20 aminoácidos y 64 codones triples.

Se cree que la degeneración es un mecanismo celular para reducir el impacto negativo de las mutaciones aleatorias. Los codones que especifican el mismo aminoácido típicamente solo difieren en un nucleótido. Además, los aminoácidos con cadenas laterales químicamente similares están codificados por codones similares. Este matiz del código genético asegura que una mutación de sustitución de un solo nucleótido podría especificar el mismo aminoácido pero no tener efecto o especificar un aminoácido similar, evitando que la proteína se vuelva completamente no funcional.

Pasos de traducción

Al igual que con la síntesis de ARNm, la síntesis de proteínas se puede dividir en tres fases: iniciación, alargamiento y terminación. El proceso de traducción es similar en procariotas y eucariotas. Aquí exploraremos cómo se produce la traducción en E. coli, un procariota representativo, y especificaremos las diferencias entre la traducción procariótica y la eucariótica.

Iniciación de la Traducción

La síntesis de proteínas comienza con la formación de un complejo de iniciación. En E. coli, este complejo involucra el ribosoma pequeño de 30S, la plantilla de ARNm, factores de iniciación y un ARNt iniciador especial. El tRNA iniciador interactúa con el codón de inicio AGO. El trifosfato de guanosina (GTP), que es un trifosfato de nucleótidos de purina, actúa como fuente de energía durante la traslación, tanto al comienzo de la elongación como durante la translocación del ribosoma.

Una vez identificado el AUG apropiado, la subunidad 50S se une al complejo de Met-tRNAi, ARNm y la subunidad 30S. Este paso completa el inicio de la traducción.

Alargamiento de la traslación

La subunidad ribosomal 50S de E. coli consta de tres compartimentos: el sitio A (aminoacilo) se une a los ARNt de aminoacilo cargados entrantes. El sitio P (peptidilo) se une a ARNt cargados que transportan aminoácidos que han formado enlaces peptídicos con la cadena polipeptídica en crecimiento, pero que aún no se han disociado de su ARNt correspondiente. El sitio E (salida) libera ARN disociados para que puedan recargarse con aminoácidos libres. esto crea un complejo de iniciación con un sitio libre listo para aceptar el ARNt correspondiente al primer codón después del AGO.

Figura 4. Traducción de ARNm de ribosoma

Durante la elongación de traducción, la plantilla de ARNm proporciona especificidad. A medida que el ribosoma se mueve a lo largo del ARNm, cada codón de ARNm entra en registro, y se garantiza la unión específica con el anticodón de ARNt cargado correspondiente. Si el ARNm no estuviera presente en el complejo de elongación, el ribosoma se uniría a los ARNt de forma no específica.

El alargamiento se produce con ARNt cargados que ingresan al sitio A y luego se desplazan al sitio P seguido del sitio E con cada «paso» de un solo codón del ribosoma. Los pasos ribosómicos son inducidos por cambios conformacionales que hacen avanzar el ribosoma por tres bases en la dirección 3′. La energía para cada paso del ribosoma es donada por un factor de elongación que hidroliza el GTP. Los enlaces peptídicos se forman entre el grupo amino del aminoácido unido al ARNt del sitio A y el grupo carboxilo del aminoácido unido al ARNt del sitio P. La formación de cada enlace peptídico es catalizada por la peptidil transferasa, una enzima basada en ARN que se integra en la subunidad ribosómica 50S. La energía para cada formación de enlace peptídico se deriva de la hidrólisis de GTP, que es catalizada por un factor de elongación separado. El aminoácido unido al ARNt del sitio P también está unido a la cadena de polipéptidos en crecimiento. A medida que el ribosoma atraviesa el ARNm, el antiguo ARNt del sitio P entra en el sitio E, se separa del aminoácido y es expulsado (Figura 5). Sorprendentemente, el aparato de traducción de E. coli solo toma 0.05 segundos para agregar cada aminoácido, lo que significa que una proteína de 200 aminoácidos se puede traducir en solo 10 segundos.

Figura 5. La traducción comienza cuando un anticodón de ARNt iniciador reconoce un codón en el ARNm. La subunidad ribosomal grande se une a la subunidad pequeña, y se recluta un segundo ARNt. A medida que el ARNm se mueve en relación con el ribosoma, se forma la cadena polipeptídica. La entrada de un factor de liberación en el sitio A termina la traducción y los componentes se disocian.

Terminación de la traducción

La terminación de la traducción se produce cuando se encuentra un codón sin sentido (UAA, UAG o UGA). Al alinearse con el sitio A, estos codones sin sentido son reconocidos por factores de liberación en procariotas y eucariotas que instruyen a la peptidil transferasa a agregar una molécula de agua al extremo carboxilo del aminoácido del sitio P. Esta reacción fuerza al aminoácido del sitio P a separarse de su ARNt, y la proteína recién fabricada se libera. Las subunidades ribosomales pequeñas y grandes se disocian del ARNm y entre sí; son reclutadas casi inmediatamente en otro complejo de iniciación de traducción. Después de que muchos ribosomas han completado la traducción, el ARNm se degrada para que los nucleótidos puedan reutilizarse en otra reacción de transcripción.

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