3.3: Síntesis de Proteínas

Al inicio del capítulo, definimos las proteínas como cadenas de aminoácidos que se pliegan en formas complejas 3-D. Hay 20 aminoácidos estándar que se pueden encadenar en diferentes órdenes en humanos, y el resultado es que las proteínas pueden realizar una cantidad impresionante de diferentes funciones. Por ejemplo, las fibras musculares son proteínas que ayudan a facilitar el movimiento. Una clase especial de proteínas (inmunoglobulinas) ayudan a proteger el organismo al detectar patógenos causantes de enfermedades en el cuerpo. Las hormonas proteicas, como la insulina, ayudan a regular la actividad fisiológica. La hemoglobina en sangre es una proteína que transporta oxígeno por todo el cuerpo. Las enzimas también son proteínas, y son catalizadores de reacciones bioquímicas que ocurren en la célula (p. ej., metabolismo). Las estructuras proteicas de mayor escala pueden verse visiblemente como características físicas de un organismo (por ejemplo, cabello y uñas).

Transcripción y Traducción

Los nucleótidos codificantes en nuestro ADN proporcionan instrucciones sobre cómo hacer proteínas. La elaboración de proteínas, también conocida como síntesis de proteínas, se puede dividir en dos pasos principales denominados transcripción y traducción. La síntesis de proteínas se basa en muchas moléculas en la célula, incluyendo diferentes tipos de proteínas reguladoras y ARN para cada paso del proceso. Aunque existen muchos tipos diferentes de moléculas de ARN que tienen una variedad de funciones dentro de la célula, nos centraremos principalmente en el ARN mensajero (ARNm).

Un gen es un segmento de ADN que codifica ARN, y los genes pueden variar en longitud desde unos pocos cientos hasta hasta dos millones de pares de bases de longitud. El propósito de la transcripción es hacer una copia de ARN de ese código genético (Figura 3.22). A diferencia del ADN bicatenario, las moléculas de ARN son secuencias nucleotídicas monocatenarias (consultar la Figura 3.2). Adicionalmente, mientras que el ADN contiene el nucleótido timina (T), el ARN no, en cambio, su cuarto nucleótido es uracilo (U). El uracilo es complementario a (o puede emparejarse con) adenina (A), mientras que la citosina (C) y la guanina (G) continúan siendo complementarias entre sí. Para que proceda la transcripción, un gen primero debe ser “activado” por la célula (ver Tema Especial: Regulación Genética del Gen de la Lactasa (LCT) para una discusión más detallada de la regulación génica). Luego se separa el ADN bicatenario y se usa un lado de la cadena de ADN como molde donde los nucleótidos de ARN complementarios se encadenan entre sí. Por ejemplo, si un molde de ADN es TACGGATGC, entonces la secuencia de ARNm recién construida será AUGCCUACG. A veces el producto final que necesita la célula es ese ARN transcrito, pero para la síntesis de proteínas construir el ARN (específicamente ARN pre-mensajero, o pre-ARNm) es solo el primer paso.

Figura\(\PageIndex{1}\): La ARN polimerasa cataliza la transcripción del ADN.

Los genes contienen segmentos llamados intrones y exones. Los exones se consideran “codificantes” mientras que los intrones se consideran “no codificantes”, lo que significa que la información que contienen no será necesaria para construir proteínas. Cuando un gen se transcribe por primera vez en pre-ARNm, se incluyen intrones y exones (Figura 3.23). Sin embargo, una vez terminada la transcripción, los intrones se eliminan en un proceso llamado empalme. Durante el corte y empalme, un complejo proteína/ARN se une al pre-ARNm y elimina los intrones y luego conecta los exones restantes, creando así un ARNm maduro más corto.

Figura\(\PageIndex{2}\): El procesamiento del ARN es la modificación del ARN, incluyendo la eliminación de intrones, llamada corte y empalme, entre la transcripción y la traducción.

El proceso por el cual el ARNm es “leído” y los aminoácidos encadenados para formar nuevas proteínas se llama traducción. Durante la traducción, el ARNm maduro se transporta fuera del núcleo donde se une a un ribosoma (Figura 3.24). Los nucleótidos en el ARNm se leen como tripletes, que se denominan codones. Cada codón corresponde a un aminoácido, y esta es la base para construir una proteína. Continuando con nuestro ejemplo anterior, la secuencia de ARNm AUG-CCU-ACG codifica tres aminoácidos. Usando una tabla de codones (Figura 3.25), AUG es un codón para metionina (Met), CCU es prolina (Pro) y ACG es treonina (Thr). Por lo tanto, la secuencia proteica es Met-Pro-Thr. La metionina es el “codón de inicio” (AUG) más común para el inicio de la traducción de proteínas en eucariotas. A medida que el ribosoma se mueve a lo largo del ARNm, la cadena de aminoácidos en crecimiento sale del ribosoma y se pliega en una proteína (Figura 3.26). Cuando el ribosoma alcanza un codón de “parada” (UAA, UAG o UGA), el ribosoma deja de agregar nuevos aminoácidos, se desprende del ARNm y se libera la proteína. Las proteínas plegadas se pueden usar para completar una tarea estructural o funcional.

Figura\(\PageIndex{3}\): Traducción de ARNm en un aminoácido.

Figura\(\PageIndex{4}\): Esta tabla puede ser utilizada para identificar qué codones de ARNm (secuencia de tres nucleótidos) corresponden con cada uno de los 20 aminoácidos diferentes. Por ejemplo, si el codón es CAU, la primera posición es “C” y buscarías en esa fila correspondiente, la segunda posición es “A” y buscarías en esa columna. “U' es la tercera posición, estrechando la fila e indicando que el codón CAU corresponde con el aminoácido “histidina” (abreviado “His”). La tabla también indica el “codón de inicio” (AUG) más común que se correlaciona con la metionina, y los tres codones de “parada” (UAA, UAG o UGA).

Figura\(\PageIndex{5}\): Indica los niveles de organización proteica a partir de la cadena de aminoácidos simple que luego se pliega y organiza en estructuras proteicas más complejas.

TEMA ESPECIAL: REGLAMENTO GENÉTICO DEL GENE DE LA LACTASA

El gen LCT codifica una proteína llamada lactasa, una enzima producida en el intestino delgado. Se encarga de descomponer el azúcar “lactosa” que se encuentra en la leche. La intolerancia a la lactosa ocurre cuando no se produce suficiente enzima lactasa y, a su vez, se presentan síntomas digestivos. Para evitar esta molestia, las personas pueden tomar suplementos de lactasa, beber leche sin lactosa o evitar los productos lácteos por completo.

El gen LCT es un buen ejemplo de cómo las células regulan la síntesis de proteínas. La región promotora del gen LCT ayuda a regular si se transcribe o no (es decir, se enciende o “apaga”, respectivamente). La producción de lactasa se inicia cuando una proteína reguladora conocida como factor de transcripción se une a un sitio en el promotor LCT. Luego se reclutan las ARN polimerasas; leen ADN y encadenan nucleótidos para formar moléculas de ARN (Figura 3.22). Se sintetiza (hace) un pre-ARNm de LCT en el núcleo, y otras modificaciones químicas flanquean los extremos del ARNm para asegurar que la molécula no se degrada en la célula.

A continuación, se produce el procesamiento del ARN. Un complejo de spliceosoma elimina los intrones y conecta los exones para formar el ARNm maduro. Una vez que el ARNm de LCT se transporta fuera del núcleo, se une a un ribosoma, que es un complejo multiproteico que incluye ARN ribosómico (ARNr). El ribosoma de eucariotas tiene dos subunidades principales: la subunidad inferior más pequeña que se une al ARNm y la subunidad superior más grande que contiene sitios de unión al ARN de transferencia (ARNt) (ver Figura 3.24). Cada ARNt tiene un anticodón nucleotídico que reconoce un codón de ARNm. Cuando un ARNt se une a un codón de ARNm en el ribosoma, el ARNt transfiere el aminoácido correspondiente. ARNr asegura que el aminoácido recién agregado esté unido en el orden correcto. La proteína en crecimiento luego se pliega en la enzima lactasa, que puede descomponer la lactosa.

La mayoría de los animales pierden su capacidad de digerir la leche a medida que maduran debido al “silencio” transcripcional decreciente del gen LCT a lo largo del tiempo. Sin embargo, algunos humanos tienen la capacidad de digerir la lactosa hasta la edad adulta (también conocida como “persistencia de lactasa”). Esto significa que tienen una mutación genética que conduce a la actividad transcripcional continua de LCT. Las mutaciones de persistencia de lactasa son comunes en poblaciones con una larga historia de agricultura pastoral, como las poblaciones del norte de Europa y el norte de África. Se cree que la persistencia de lactasa evolucionó debido a que la capacidad de digerir la leche fue nutricionalmente beneficiosa. Más información sobre la persistencia de lactasa se cubrirá en el Capítulo 14.