7.6B: La maquinaria de síntesis de proteínas

La síntesis de proteínas, o traducción de ARNm en proteína, ocurre con la ayuda de ribosomas, ARNt y aminoacil ARNt sintetasas.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Explicar el papel desempeñado por los ribosomas, ARNt y aminoacil ARNt sintetasas en la síntesis de proteínas

Claves para llevar

Puntos Clave

• Los ribosomas, estructuras macromoleculares compuestas por ARNr y cadenas polipeptídicas, están formadas por dos subunidades (en bacterias y arqueas, 30S y 50S; en eucariotas, 40S y 60S), que reúnen ARNm y ARNt para catalizar la síntesis de proteínas.
• Los ribosomas completamente ensamblados tienen tres sitios de unión a ARNt: un sitio A para aminoacil-ARNt entrantes, un sitio P para peptidil-ARNt y un sitio E donde salen los ARNt vacíos.
• Los ARNt (ácidos ribonucleicos de transferencia), que sirven para entregar el aminoácido apropiado a la cadena peptídica en crecimiento, consisten en una cadena de ARN modificada con el aminoácido apropiado unido covalentemente.
• Los ARNt tienen un bucle de nucleótidos sin capa base en un extremo de la molécula que contiene tres nucleótidos que actúan como el anticodón que une las bases al codón de ARNm.
• Las aminoacil ARNt sintetasas son enzimas que cargan los aminoácidos individuales en los ARNt.

Términos Clave

• ribosoma: complejos de proteína/ARNm que se encuentran en todas las células que participan en la producción de proteínas al traducir ARN mensajero

La maquinaria de síntesis de proteínas

Además del molde de ARNm, muchas moléculas y macromoléculas contribuyen al proceso de traducción. La composición de cada componente puede variar según las especies. Por ejemplo, los ribosomas pueden consistir en diferentes números de ARNr y polipéptidos dependiendo del organismo. Sin embargo, las estructuras y funciones generales de la maquinaria de síntesis de proteínas son comparables de bacterias a arqueas y células humanas. La traducción requiere la entrada de un molde de ARNm, ribosomas, ARNt y varios factores enzimáticos.

Ribosomas

Un ribosoma es una macromolécula compleja compuesta por ARNr estructurales y catalíticos, y muchos polipéptidos distintos. En eucariotas, la síntesis y ensamblaje de ARNr ocurre en el nucleolo.

Figura: El ribosoma en acción: Estructura y papel de los ribosomas durante la traducción

Los ribosomas existen en el citoplasma en procariotas y en el citoplasma y en membranas del retículo endoplásmico rugoso en eucariotas. Las mitocondrias y los cloroplastos también tienen sus propios ribosomas, y estos se parecen más a los ribosomas procariotas (y tienen sensibilidades similares a los medicamentos) que a los ribosomas citoplásmicos. Los ribosomas se disocian en subunidades grandes y pequeñas cuando no están sintetizando proteínas y se reasocian durante el inicio de la traducción. E. coli tienen una subunidad pequeña 30S y una subunidad grande 50S, para un total de 70S cuando se ensamblan (recuerde que las unidades de Svedberg no son aditivas). Los ribosomas de mamíferos tienen una subunidad 40S pequeña y una subunidad 60S grande, para un total de 80. La subunidad pequeña es responsable de unirse al molde de ARNm, mientras que la subunidad grande se une secuencialmente a ARNt.

En bacterias, arqueas y eucariotas, el ribosoma intacto tiene tres sitios de unión que albergan ARNt: el sitio A, el sitio P y el sitio E. Los ARNt de aminoácidos entrantes (un ARNt con un aminoácido unido covalentemente se llama aminoacil-ARNt) ingresan al ribosoma en el sitio A. El peptidil-ARNt que porta la cadena polipeptídica en crecimiento se mantiene en el sitio P. El sitio E contiene ARNt vacíos justo antes de que salgan del ribosoma.

Figura: Estructura del ribosoma: La subunidad ribosómica grande se asienta sobre la subunidad ribosómica pequeña y el ARNm se enhebra a través de un surco cerca de la interfaz de las dos subunidades. El ribosoma intacto tiene tres sitios de unión a ARNt: el sitio A para aminoacil-ARNt entrantes; el sitio P para el peptidil-ARNt que porta la cadena polipeptídica en crecimiento; y el sitio E donde salen los ARNt vacíos (no se muestra en esta figura pero inmediatamente adyacente al sitio P).

Cada molécula de ARNm es traducida simultáneamente por muchos ribosomas, todos leyendo el ARNm de 5' a 3' y sintetizando el polipéptido desde el extremo N hasta el extremo C. La estructura completa de ARNM/poli-ribosoma se denomina polisoma.

ARNt en eucariotas

Las moléculas de ARNt son transcritas por ARN polimerasa III. Dependiendo de la especie, existen de 40 a 60 tipos de ARNt en el citoplasma. Los ARNt específicos se unen a codones en el molde de ARNm y agregan el aminoácido correspondiente a la cadena polipeptídica. (Más exactamente, la cadena polipeptídica en crecimiento se agrega a cada nuevo aminoácido unido por un ARNt).

Los ARN de transferencia (ARNt) son moléculas de ARN estructurales. En eucariotas, los moles de ARNt son transcritos a partir de genes de ARNt por la ARN polimerasa III. Dependiendo de la especie, existen de 40 a 60 tipos de ARNt en el citoplasma. Sirviendo como adaptadores, los ARNt específicos se unen a secuencias en el molde de ARNm y agregan el aminoácido correspondiente a la cadena polipeptídica. (Más exactamente, la cadena polipeptídica en crecimiento se agrega a cada nuevo aminoácido introducido por un ARNt). Por lo tanto, los ARNt son las moléculas que realmente “traducen” el lenguaje del ARN al lenguaje de las proteínas.

Figura: La estructura bidimensional de hoja de trébol de un ARNt típico. : Todos los ARNt, independientemente de la especie de la que provengan o del aminoácido que porten, se autoforman para producir una estructura de hoja de trébol de cuatro tallos principales y tres bucles principales. El aminoácido portado por el ARNt se une covalentemente al nucleótido en el extremo 3' del ARNt, conocido como brazo aceptor del ARNt. El extremo opuesto del ARNt plegado tiene el bucle anticodón donde el ARNt apareará bases al codón de ARNm.

De los 64 posibles codones de ARNm (combinaciones de tripletes 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 los tres codones de terminación, uno (UGA) también puede usarse para codificar el 21º aminoácido, selenocisteína, pero solo si el ARNm contiene una secuencia específica de nucleótidos conocida como secuencia SECIS. De los 61 codones sin terminación, un codón (AUG) también codifica el inicio de la traducción.

Cada cadena polinucleotídica de ARNt se pliega de manera que algunas secciones internas se alinean con otras secciones internas. Si solo se esquematizan en dos dimensiones, las regiones donde ocurre la alineación de bases se llaman tallos, y las regiones donde no se forman conjuntos de bases se llaman bucles, y todo el patrón de tallos y bucles que se forma para un ARNt se llama la estructura de “hoja de trébol”. Todos los ARNt se pliegan en estructuras de hoja de trébol muy similares de cuatro tallos principales y tres bucles principales.

Si se ve como una estructura tridimensional, todas las regiones de capa base del ARNt son helicoidales, y el ARNt se pliega en una estructura en forma de L.

Figura: La forma tridimensional tomada por los ARNt. : Si se ve como una estructura tridimensional, todos los ARNt son moléculas parcialmente helicoidales que tienen vagamente forma de L. El bucle que contiene anticodón está en un extremo de la molécula (aquí en gris) y el brazo aceptor de aminoácidos está en el otro extremo de la molécula (aquí en amarillo) más allá de la curva de la “L”.

Cada ARNt tiene una secuencia de tres nucleótidos localizados en un bucle en un extremo de la molécula que puede formar bases con un codón de ARNm. Esto se llama anticodón del ARNt. Cada ARNt diferente tiene un anticodón diferente. Cuando el ARNt anticodón se aparea con uno de los codones de ARNm, el ARNt agregará un aminoácido a una cadena polipeptídica en crecimiento o terminará la traducción, de acuerdo con el código genético. Por ejemplo, si la secuencia CUA ocurriera en un molde de ARNm en el marco de lectura adecuado, se uniría a un ARNt con un anticodón que expresara la secuencia complementaria, GAU. El ARNt con este anticodón estaría ligado al aminoácido leucina.

Aminoacil ARNt sintetasas

El proceso de síntesis de pre-ARNt por ARN polimerasa III solo crea la porción de ARN de la molécula adaptadora. El aminoácido correspondiente debe agregarse posteriormente, una vez que el ARNt sea procesado y exportado al citoplasma. A través del proceso de “carga” de ARNt, cada molécula de ARNt se une a su aminoácido correcto por un grupo de enzimas llamadas aminoacil ARNt sintetasas. Cuando un aminoácido está unido covalentemente a un ARNt, el complejo resultante se conoce como aminoacil-ARNt. Al menos un tipo de aminoacil ARNt sintetasa existe para cada uno de los 21 aminoácidos; el número exacto de aminoacil ARNt sintetasas varía según la especie. Estas enzimas primero se unen e hidrolizan ATP para catalizar la formación de un enlace covalente entre un aminoácido y monofosfato de adenosina (AMP); una molécula de pirofosfato es expulsada en esta reacción. Esto se llama “activar” el aminoácido. La misma enzima cataliza entonces la unión del aminoácido activado al ARNt y la liberación simultánea de AMP. Después del aminoácido correcto unido covalentemente al ARNt, es liberado por la enzima. Se dice que el ARNt está cargado con su aminoácido afín. (el aminoácido especificado por su anticodón es un aminoácido afín del ARNt).