3.4: Síntesis de Proteínas

Objetivos de aprendizaje

• Explicar cómo el código genético almacenado dentro del ADN determina la proteína que se formará
• Describir el proceso de transcripción
• Describir el proceso de traducción
• Discutir la función de los ribosomas

Se mencionó anteriormente que el ADN proporciona un “plano” para la estructura celular y fisiología. Esto se refiere al hecho de que el ADN contiene la información necesaria para que la célula construya un tipo de molécula muy importante: la proteína. La mayoría de los componentes estructurales de la célula están compuestos, al menos en parte, por proteínas y prácticamente todas las funciones que realiza una célula se completan con la ayuda de proteínas. Una de las clases de proteínas más importantes son las enzimas, que ayudan a acelerar las reacciones bioquímicas necesarias que tienen lugar dentro de la célula. Algunas de estas reacciones bioquímicas críticas incluyen la construcción de moléculas más grandes a partir de componentes más pequeños (como ocurre durante la replicación del ADN o la síntesis de microtúbulos) y la descomposición de moléculas más grandes en componentes más pequeños (como cuando se recolecta energía química de moléculas de nutrientes). Cualquiera que sea el proceso celular, es casi seguro que involucrará proteínas. Así como el genoma de la célula describe su complemento completo de ADN, el proteoma de una célula es su complemento completo de proteínas. La síntesis de proteínas comienza con los genes. Un gen es un segmento funcional de ADN que proporciona la información genética necesaria para construir una proteína. Cada gen en particular proporciona el código necesario para construir una proteína particular. La expresión génica, que transforma la información codificada en un gen en un producto génico final, en última instancia dicta la estructura y función de una célula al determinar qué proteínas se elaboran.

La interpretación de los genes funciona de la siguiente manera. Recordemos que las proteínas son polímeros, o cadenas, de muchos bloques de construcción de aminoácidos. La secuencia de bases en un gen (es decir, su secuencia de nucleótidos A, T, C, G) se traduce en una secuencia de aminoácidos. Un triplete es una sección de tres bases de ADN en una fila que codifica para un aminoácido específico. Similar a la forma en que el código de tres letras d-o-g señala la imagen de un perro, el código base de ADN de tres letras señala el uso de un aminoácido en particular. Por ejemplo, el triplete de ADN CAC (citosina, adenina y citosina) especifica el aminoácido valina. Por lo tanto, un gen, que está compuesto por múltiples tripletes en una secuencia única, proporciona el código para construir una proteína completa, con múltiples aminoácidos en la secuencia apropiada (Figura\(\PageIndex{1}\)). El mecanismo por el cual las células convierten el código de ADN en un producto proteico es un proceso de dos etapas, con una molécula de ARN como intermedio.

Figura\(\PageIndex{1}\): El código genético.El ADN contiene toda la información genética necesaria para construir las proteínas de una célula. La secuencia de nucleótidos de un gen se traduce finalmente en una secuencia de aminoácidos de la proteína correspondiente del gen.

Del ADN al ARN: Transcripción

El ADN se aloja dentro del núcleo, y la síntesis de proteínas se lleva a cabo en el citoplasma, por lo que debe haber algún tipo de mensajero intermedio que abandone el núcleo y gestione la síntesis de proteínas. Este mensajero intermedio es el ARN mensajero (ARNm), un ácido nucleico monocatenario que lleva una copia del código genético de un solo gen fuera del núcleo y hacia el citoplasma donde se utiliza para producir proteínas.

Hay varios tipos diferentes de ARN, cada uno con diferentes funciones en la célula. La estructura del ARN es similar a la del ADN con algunas pequeñas excepciones. Por un lado, a diferencia del ADN, la mayoría de los tipos de ARN, incluido el ARNm, son monocatenarios y no contienen cadena complementaria. Segundo, el azúcar ribosa en el ARN contiene un átomo de oxígeno adicional en comparación con el ADN. Finalmente, en lugar de la base timina, el ARN contiene la base uracilo. Esto significa que la adenina siempre se emparejará con uracilo durante el proceso de síntesis de proteínas.

La expresión génica comienza con el proceso llamado transcripción, que es la síntesis de una cadena de ARNm que es complementaria al gen de interés. Este proceso se llama transcripción porque el ARNm es como una transcripción, o copia, del código de ADN del gen. La transcripción comienza de una manera algo parecida a la replicación del ADN, en que una región del ADN se desenrolla y las dos cadenas se separan, sin embargo, solo esa pequeña porción del ADN se dividirá. Los tripletes dentro del gen en esta sección de la molécula de ADN se utilizan como molde para transcribir la cadena complementaria de ARN (Figura\(\PageIndex{2}\)). Un codón es una secuencia de ARNm de tres bases, así llamada porque codifican directamente aminoácidos. Al igual que la replicación del ADN, hay tres etapas para la transcripción: iniciación, elongación y terminación.

Figura\(\PageIndex{2}\): Transcripción: de ADN a ARNm.En la primera de las dos etapas de elaboración de proteína a partir de ADN, se transcribe un gen en la molécula de ADN en una molécula de ARNm complementaria.

Etapa 1: Iniciación. Una región al inicio del gen llamada promotor —una secuencia particular de nucleótidos— desencadena el inicio de la transcripción.

Etapa 2: Alargamiento. La transcripción comienza cuando la ARN polimerasa desenrolla el segmento de ADN. Una cadena, denominada cadena codificante, se convierte en el molde con los genes a codificar. Luego, la polimerasa alinea el ácido nucleico correcto (A, C, G o U) con su base complementaria en la cadena codificante del ADN. La ARN polimerasa es una enzima que agrega nuevos nucleótidos a una cadena creciente de ARN. Este proceso construye una cadena de ARNm.

Etapa 3: Terminación. Cuando la polimerasa ha llegado al final del gen, uno de los tres tripletes específicos (UAA, UAG o UGA) codifica una señal de “parada”, que activa las enzimas para terminar la transcripción y liberar el transcrito de ARNm.

Antes de que la molécula de ARNm abandone el núcleo y proceda a la síntesis de proteínas, se modifica de varias maneras. Por esta razón, a menudo se le llama pre-ARNm en esta etapa. Por ejemplo, su ADN, y por lo tanto el ARNm complementario, contiene regiones largas llamadas regiones no codificantes que no codifican aminoácidos. Su función sigue siendo un misterio, pero el proceso llamado splicing elimina estas regiones no codificantes del transcrito pre-ARNm (Figura\(\PageIndex{3}\)). Un spliceosoma, una estructura compuesta por varias proteínas y otras moléculas, se une al ARNm y “empalmes” o corta las regiones no codificantes. El segmento eliminado de la transcripción se llama intrón. Los exones restantes se pegan juntos. Un exón es un segmento de ARN que permanece después del corte y empalme. Curiosamente, algunos intrones que se eliminan del ARNm no siempre son no codificantes. Cuando se cortan y empalman diferentes regiones codificantes del ARNm, eventualmente resultarán diferentes variaciones de la proteína, con diferencias en estructura y función. Este proceso da como resultado una variedad mucho mayor de posibles proteínas y funciones proteicas. Cuando el transcrito de ARNm está listo, viaja fuera del núcleo y entra en el citoplasma.

Figura\(\PageIndex{3}\): Empalme de ADN. En el núcleo, una estructura llamada spliceosoma corta intrones (regiones no codificantes) dentro de un transcrito pre-ARNm y reconecta los exones.

Del ARN a la proteína: Traducción

Al igual que traducir un libro de un idioma a otro, los codones de una hebra de ARNm deben traducirse al alfabeto de aminoácidos de las proteínas. La traducción es el proceso de sintetizar una cadena de aminoácidos llamada polipéptido. La traducción requiere dos grandes ayudas: primero, un “traductor”, la molécula que llevará a cabo la traducción, y segundo, un sustrato sobre el que la cadena de ARNm se traduce en una nueva proteína, como el “escritorio” del traductor. Ambos requisitos son cumplidos por otros tipos de ARN. El sustrato sobre el que tiene lugar la traducción es el ribosoma.

Recuerde que muchos de los ribosomas de una célula se encuentran asociados con la ER áspera, y llevan a cabo la síntesis de proteínas destinadas al aparato de Golgi. El ARN ribosómico (ARNr) es un tipo de ARN que, junto con las proteínas, compone la estructura del ribosoma. Los ribosomas existen en el citoplasma como dos componentes distintos, una subunidad pequeña y una subunidad grande. Cuando una molécula de ARNm está lista para ser traducida, las dos subunidades se unen y se unen al ARNm. El ribosoma proporciona un sustrato para la traducción, reuniendo y alineando la molécula de ARNm con los “traductores” moleculares que deben descifrar su código.

El otro requisito importante para la síntesis de proteínas son las moléculas traductoras que físicamente “leen” los codones de ARNm. El ARN de transferencia (ARNt) es un tipo de ARN que transporta los aminoácidos correspondientes apropiados al ribosoma, y une cada nuevo aminoácido al último, construyendo la cadena polipeptídico uno por uno. Así, el ARNt transfiere aminoácidos específicos del citoplasma a un polipéptido en crecimiento. Las moléculas de ARNt deben ser capaces de reconocer los codones en el ARNm y emparejarlos con el aminoácido correcto. El ARNt se modifica para esta función. En un extremo de su estructura hay un sitio de unión para un aminoácido específico. En el otro extremo hay una secuencia de bases que coincide con el codón especificando su aminoácido particular. Esta secuencia de tres bases en la molécula de ARNt se denomina anticodón. Por ejemplo, un ARNt responsable de transportar el aminoácido glicina contiene un sitio de unión para glicina en un extremo. En el otro extremo contiene un anticodón que complementa el codón de glicina (GGA es un codón para glicina, y así el anticodón de ARNt leería CCU). Equipada con su carga particular y anticodón coincidente, una molécula de ARNt puede leer su codón de ARNm reconocido y llevar el aminoácido correspondiente a la cadena en crecimiento (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Traducción de ARN a Proteína. Durante la traducción, el transcrito de ARNm es “leído” por un complejo funcional que consiste en las moléculas de ribosoma y ARNt. Los ARNt llevan los aminoácidos apropiados en secuencia a la cadena polipeptídico en crecimiento al emparejar sus anticodones con codones en la cadena de ARNm.

Al igual que los procesos de replicación y transcripción del ADN, la traducción consta de tres etapas principales: iniciación, elongación y terminación. La iniciación tiene lugar con la unión de un ribosoma a un transcrito de ARNm. La etapa de elongación implica el reconocimiento de un anticodón de ARNt con el siguiente codón de ARNm en la secuencia. Una vez que las secuencias anticodón y codón están unidas (recuerde, son pares de bases complementarias), el ARNt presenta su carga de aminoácidos y la cadena polipeptídico en crecimiento se une a este siguiente aminoácido. Este apego se lleva a cabo con la ayuda de diversas enzimas y requiere energía. La molécula de ARNt luego libera la cadena de ARNm, la cadena de ARNm desplaza un codón en el ribosoma, y el siguiente ARNt apropiado llega con su anticodón coincidente. Este proceso continúa hasta que se alcanza el codón final en el ARNm que proporciona un mensaje de “parada” que señala la terminación de la traducción y desencadena la liberación de la proteína completa recién sintetizada. Así, un gen dentro de la molécula de ADN se transcribe en ARNm, que luego se traduce en un producto proteico (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): Del ADN a la Proteína: Transcripción a través de la Traducción. La transcripción dentro del núcleo celular produce una molécula de ARNm, que se modifica y luego se envía al citoplasma para su traducción. El transcrito se decodifica en una proteína con la ayuda de un ribosoma y moléculas de ARNt.

Comúnmente, una transcripción de ARNm será traducida simultáneamente por varios ribosomas adyacentes. Esto aumenta la eficiencia de la síntesis de proteínas. Un solo ribosoma podría traducir una molécula de ARNm en aproximadamente un minuto; por lo que múltiples ribosomas a bordo de un solo transcrito podrían producir varias veces el número de la misma proteína en el mismo minuto. Un polirribosoma es una cadena de ribosomas que traducen una sola cadena de ARNm.

Mira este video para conocer los ribosomas. El ribosoma se une a la molécula de ARNm para iniciar la traducción de su código en una proteína. ¿Qué sucede con las subunidades ribosómicas pequeñas y grandes al final de la traducción?

Revisión del Capítulo

El ADN almacena la información necesaria para instruir a la célula a realizar todas sus funciones. Las células utilizan el código genético almacenado dentro del ADN para construir proteínas, que finalmente determinan la estructura y función de la célula. Este código genético radica en la secuencia particular de nucleótidos que componen cada gen a lo largo de la molécula de ADN. Para “leer” este código, la celda debe realizar dos pasos secuenciales. En el primer paso, la transcripción, el código de ADN se convierte en un código de ARN. Una molécula de ARN mensajero que es complementaria a un gen específico se sintetiza en un proceso similar a la replicación del ADN. La molécula de ARNm proporciona el código para sintetizar una proteína. En el proceso de traducción, el ARNm se une a un ribosoma. A continuación, las moléculas de ARNt transportan los aminoácidos apropiados al ribosoma, uno por uno, codificados por codones de triplete secuenciales en el ARNm, hasta que la proteína se sintetiza completamente. Cuando se completa, el ARNm se desprende del ribosoma y se libera la proteína. Típicamente, múltiples ribosomas se unen a una sola molécula de ARNm a la vez de tal manera que múltiples proteínas pueden fabricarse a partir del ARNm simultáneamente.

Preguntas de Enlace Interactivo

Mira este video para conocer los ribosomas. El ribosoma se une a la molécula de ARNm para iniciar la traducción de su código en una proteína. ¿Qué sucede con las subunidades ribosómicas pequeñas y grandes al final de la traducción?

Respuesta: Se separan y se mueven y son libres de unirse a la traducción de otros segmentos de ARNm.

Preguntas de revisión

P. ¿Cuál de las siguientes no es una diferencia entre ADN y ARN?

A. El ADN contiene timina mientras que el ARN contiene uracilo

B. El ADN contiene desoxirribosa y el ARN contiene ribosa

C. El ADN contiene moléculas alternas de azúcar-fosfato mientras que el ARN no contiene azúcares

D. El ARN es monocatenario y el ADN es bicatenario

Respuesta: C

P. La transcripción y traducción se llevan a cabo en el ________ y ________, respectivamente.

A. núcleo; citoplasma

B. nucleolo; núcleo

C. nucleolus; citoplasma

D. citoplasma; núcleo

Respuesta: A

P: ¿Cuántas “letras” de una molécula de ARN, en secuencia, se necesitan para proporcionar el código de un solo aminoácido?

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

Respuesta: C

P. ¿Cuál de los siguientes no está hecho de ARN?

A. los portadores que barajan los aminoácidos a una cadena polipeptídica en crecimiento

B. el ribosoma

C. la molécula mensajera que proporciona el código para la síntesis de proteínas

D. el intrón

Respuesta: B

Preguntas de Pensamiento Crítico

P. Explique brevemente las similitudes entre la transcripción y la replicación del ADN.

A. La transcripción y la replicación del ADN implican la síntesis de ácidos nucleicos. Estos procesos comparten muchas características comunes, particularmente, los procesos similares de iniciación, elongación y terminación. En ambos casos, la molécula de ADN debe estar desenrollada y separada, y la hebra codificante (es decir, sentido) se utilizará como molde. Además, las polimerasas sirven para añadir nucleótidos a la cadena de ADN o ARNm en crecimiento. Ambos procesos son señalados para terminar cuando se completen.

P. Transcripción y traducción en contraste. Nombra al menos tres diferencias entre los dos procesos.

A. La transcripción es realmente un proceso de “copia” y la traducción es realmente un proceso de “interpretación”, porque la transcripción implica copiar el mensaje de ADN en un mensaje de ARN muy similar mientras que la traducción implica convertir el mensaje de ARN en el mensaje de aminoácidos muy diferente. Los dos procesos también difieren en su ubicación: la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma. Los mecanismos por los que se realizan los dos procesos también son completamente diferentes: la transcripción utiliza enzimas polimerasa para construir ARNm, mientras que la traducción utiliza diferentes tipos de ARN para construir proteínas.

Glosario

anticodón

secuencia consecutiva de tres nucleótidos en una molécula de ARNt que es complementaria a un codón específico en una molécula de ARNm

codón

secuencia consecutiva de tres nucleótidos en una molécula de ARNm que corresponde a un aminoácido específico

exón

una de las regiones codificantes de una molécula de ARNm que permanece después del corte y empalme

gen

longitud funcional del ADN que proporciona la información genética necesaria para construir una proteína

expresión génica

interpretación activa de la información codificada en un gen para producir un producto génico funcional

intrón

regiones no codificantes de un transcrito de pre-ARNm que pueden eliminarse durante el corte y empalme

ARN mensajero (ARNm)

molécula de nucleótido que sirve como intermediario en el código genético entre el ADN y la proteína

polipéptido

cadena de aminoácidos enlazada por enlaces peptídicos

polyribosoma

traducción simultánea de un solo transcrito de ARNm por múltiples ribosomas

promotor

región del ADN que indica que la transcripción comience en ese sitio dentro del gen

proteoma

complemento completo de proteínas producidas por una célula (determinado por la expresión génica específica de la célula)

ARN ribosómico (ARNr)

ARN que conforma las subunidades de un ribosoma

ARN polimerasa

enzima que desenrolla el ADN y luego agrega nuevos nucleótidos a una cadena de ARN en crecimiento para la fase de transcripción de la síntesis de proteínas

empalmeosoma

complejo de enzimas que sirve para empalmar los intrones de un transcrito pre-ARNm

empalmar

el proceso de modificación de un transcrito de pre-ARNm mediante la eliminación de ciertas regiones, típicamente no codificantes

transcripción

proceso de producción de una molécula de ARNm que es complementaria a un gen particular de ADN

ARN de transferencia (ARNt)

moléculas de ARN que sirven para llevar los aminoácidos a una cadena polipeptídica en crecimiento y colocarlos adecuadamente en la secuencia

traducción

proceso de producción de una proteína a partir del código de secuencia de nucleótidos de un transcrito de ARNm

triplete

secuencia consecutiva de tres nucleótidos en una molécula de ADN que, cuando se transcribe en un codón de ARNm, corresponde a un aminoácido particular