2.4D: Ribosomas

Objetivos de aprendizaje

1. Describir la estructura y composición química de los ribosomas bacterianos y establecer su función.
2. En términos de síntesis proteica, describa brevemente el proceso de transcripción y traducción.
3. Indicar, en un sentido general, cómo los antibióticos como la neomicina, la tetraciclina, la doxiciclina, la eritromicina y la azitromicina afectan el crecimiento bacteriano.

Estructura y composición del ribosoma

Los ribosomas están compuestos por ARN ribosómico (ARNr) y proteína. Las células procariotas tienen tres tipos de ARNr: ARNr 16S, ARNr 23S y ARNr 5S. Al igual que el ARN de transferencia (ARNt), los ARNs utilizan enlaces H intrahebra entre bases nucleotídicas complementarias para formar estructuras plegadas complejas. Los ribosomas están compuestos por dos subunidades con densidades de 50S y 30S (“S” se refiere a una unidad de densidad llamada unidad de Svedberg). La subunidad 30S contiene ARNr 16S y 21 proteínas; la subunidad 50S contiene ARNr 5S y 23S y 31 proteínas.Las dos subunidades se combinan durante la síntesis de proteínas para formar un ribosoma 70S completo de aproximadamente 25 nm de diámetro. Una bacteria típica puede tener hasta 15 mil ribosomas.

La densidad de las subunidades ribosómicas

Los ribosomas están compuestos por dos subunidades que se unen para traducir ARN mensajero (ARNm) en polipéptidos y proteínas durante la traducción y se describen típicamente en términos de su densidad. La densidad es la masa de una molécula o partícula dividida por su volumen y se mide en unidades de Svedberg (S), una unidad de densidad correspondiente a la velocidad relativa de sedimentación durante la centrifugación a ultra alta velocidad. Cuanto mayor es el valor S, más densa es la partícula.

Las subunidades ribosómicas están compuestas por ARN ribosómico (ARNr) y proteínas. Las subunidades ribosómicas con diferentes valores S están compuestas por diferentes moléculas de ARNr, así como diferentes proteínas. Recuerde que el ARN es un polímero de ribonucleótidos que contiene la base nitrogenada adenina, uracilo, guanina o citosina. Diferentes moléculas de ARNr son de diferentes longitudes y tienen un orden diferente de estas bases de ribonucleótidos. Debido a que el ARNr es monocatenario, muchas de las bases nucleotídicas de ARNr están involucradas en enlaces de hidrógeno intracatenarios y esto es lo que le da a la molécula de ARNr su forma específica (ver Figura\(\PageIndex{1}\)). La forma, a su vez, ayuda a determinar su función -al igual que las interacciones entre aminoácidos en una proteína determinan la forma y función de esa proteína (ver Figura\(\PageIndex{2}\)).

Ilustración de un ARNr 16S en Escherichia coli

Animación de un ARNr 16S

Ilustración de la enzima catalasa

Los ribosomas procariotas, por ejemplo, están compuestos por dos subunidades con densidades de 50S y 30S. La subunidad 30S contiene ARNr 16S de 1540 nucleótidos de largo y 21 proteínas; la subunidad 50S contiene un ARNr 5S de 120 nucleótidos de longitud, un ARNr 23S de 2900 nucleótidos de largo y 31 proteínas. Las dos subunidades se combinan durante la síntesis de proteínas para formar un ribosoma completo de los 70.

Las subunidades ribosómicas eucariotas tienen densidades de 60S y 40S porque contienen diferentes moléculas de ARNr y proteínas que las subunidades ribosómicas procariotas. En la mayoría de los eucariotas, la subunidad 40S contiene un ARNr 18S de 1900 nucleótidos de longitud y aproximadamente 33 proteínas; la subunidad 60S contiene un ARNr 5S de 120 nucleótidos de longitud, un ARNr 5.8S de 160 nucleótidos de largo, un ARNr 28S de 4700 nucleótidos de largo y aproximadamente 49 proteínas. Las dos subunidades se combinan durante la síntesis de proteínas para formar un ribosoma 80 completo de aproximadamente 25 nm de diámetro.

Debido a esta diferencia en ARNs específicos y proteínas la “forma” resultante, existen fármacos que pueden unirse a una subunidad ribosómica 30S o 50S de un ribosoma procariota y posteriormente bloquear su función pero son incapaces de unirse a la subunidad 40S o 60S equivalente de un ribosoma eucariota.

Funciones del ribosoma

Los ribosomas funcionan como un banco de trabajo para la síntesis de proteínas, es decir, reciben y traducen instrucciones genéticas para la formación de proteínas específicas. Durante la síntesis de proteínas, el ARNm se une a la subunidad 30s y los ARN de transferencia portadores de aminoácidos (ARNt) se unen a la subunidad 50s (Figura\(\PageIndex{1}\)). La síntesis de proteínas se discute en detalle en la Unidad 6.

Figura\(\PageIndex{1}\): Ribosoma de los años 70 durante la traducción. El ribosoma procariota 70S consiste en una subunidad 50S y una 30S. “S” se refiere a una unidad de densidad llamada unidad Svedberg.

El cromosoma es el material genético de la bacteria. Los genes localizados a lo largo del ADN se transcriben en moléculas de ARN, principalmente ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt y ARN ribosómico (ARNr). El ARN mensajero se traduce entonces en proteína en los ribosomas.

• Transcripción: El ácido ribonucleico (ARN) se sintetiza mediante el apareamiento de bases complementarias de ribonucleótidos con desoxirribonucleótidos para que coincidan con una porción de una cadena de ADN llamada gen. Aunque los genes están presentes en ambas cadenas de ADN, solo se transcribe una cadena para cualquier gen dado. Después de la transcripción de genes en ARNm, las subunidades ribosómicas 30S y 50S se unen al ARNm y el ARNt inserta los aminoácidos correctos que posteriormente se unen para formar un polipéptido o una proteína a través de un proceso llamado traducción.
• Traducción: Durante la traducción, moléculas específicas de ARNt recogen aminoácidos específicos, transfieren esos aminoácidos a los ribosomas e insertarlos en su lugar apropiado de acuerdo con el “mensaje” del ARNm. Esto se hace mediante la porción anticodón de las moléculas de ARNt que se aparea de bases complementarias con los codones a lo largo del ARNm.

Ejercicio: Preguntas de Pensar-Par-Compartir

Para que cualquiera del grupo de antibióticos de tetraciclina inhiba el crecimiento bacteriano Gram-negativo, deben ingresar al citoplasma de esa bacteria y unirse a la subunidad 30S de sus ribosomas.

Anteriormente aprendimos la composición y funciones tanto de la pared celular Gram-negativa como de la membrana citoplásmica. También hemos aprendido previamente cómo el orden de las bases de desoxirribonucleótidos en el ADN determina el orden de las bases de ribonucleótidos en el ARNr que, a su vez, determina la forma tridimensional de ese ARN. Asimismo, el orden de las bases desoxirribonucleotídicas en el ADN determina el orden de los aminoácidos en una proteína o enzima que determina la forma tridimensional de esa proteína.

Considerando todo esto y usando la ilustración anterior, piense en tres cambios físicos que podrían ocurrir dentro de la bacteria como resultado de la adquisición de genes nuevos o alterados a través de la mutación o transferencia horizontal de genes que podrían permitir que la bacteria resista esa tetraciclina.

Agentes antimicrobianos que alteran las subunidades ribosómicas procariotas y bloquean la traducción en bacterias

Muchos antibióticos alteran los ribosomas bacterianos, interfiriendo con la traducción y provocando así una síntesis de proteínas defectuosa. La porción del ribosoma a la que se une el antibiótico determina cómo se efectúa la traducción. Por ejemplo:

• Las tetraciclinas (tetraciclina, doxiciclina, demeclociclina, minociclina, etc.) se unen reversiblemente a la subunidad 30S, distorsionándola de tal manera que los anticodones de los ARNt cargados no pueden alinearse adecuadamente con los codones del ARNm.

• Los macrólidos (eritromicina, azitromicina, claritromicina, diritromicina, troleandomicina, etc.) se unen reversiblemente a la subunidad 50S. Parecen inhibir la elongación de la proteína al evitar que la enzima peptidiltransferasa forme enlaces peptídicos entre los aminoácidos. También pueden impedir la transferencia del peptidil-ARNt desde el sitio A al sitio P.

La quimioterapia antimicrobiana se discutirá con mayor detalle posteriormente en la Unidad 2 bajo Control de Bacterias mediante el Uso de Antibióticos y Desinfectantes.

Resumen

1. Los ribosomas están compuestos por ARN ribosómico (ARNr) y proteína.
2. Los ribosomas bacterianos están compuestos por dos subunidades con densidades de 50S y 30S, a diferencia de 60S y 40S en células eucariotas.
3. Los ribosomas funcionan como un banco de trabajo para la síntesis de proteínas mediante el cual reciben y traducen instrucciones genéticas para la formación de proteínas específicas.
4. Durante la traducción, las moléculas de ARNt específicas recogen aminoácidos específicos, los transfieren a los ribosomas y los insertan en su lugar apropiado de acuerdo con el “mensaje” del ARNm.
5. Muchos antibióticos se unen a la subunidad 30S o 50S de los ribosomas bacterianos, interfiriendo con la traducción y causando así una síntesis de proteínas defectuosa.

Preguntas

Estudie el material en esta sección y luego escriba las respuestas a estas preguntas. No se limite a hacer clic en las respuestas y escríbelas. Esto no pondrá a prueba tu comprensión de este tutorial.

1. Describir los ribosomas bacterianos. (ans)
2. Anotar la función de los ribosomas. (ans)
3. Definir traducción. (ans)
4. Indicar, en un sentido general, cómo los antibióticos como la neomicina, la tetraciclina, la doxiciclina, la eritromicina y la azitromicina afectan el crecimiento bacteriano. (ans)
5. Las tetraciclinas (tetraciclina, doxiciclina) son antibióticos que se unen a la subunidad 30S de los ribosomas bacterianos. Los macrólidos (eritromicina, azitromicina, claritromicina) son antibióticos que se unen a la subunidad 50S de los ribosomas bacterianos. ¿Por qué estos antibióticos no serán efectivos para infecciones fúngicas, protozoarias o virales? (ans)
6. Opción múltiple (ans)