El término a veces se usa para referirse a un proceso de varios pasos, que comienza con la síntesis de aminoácidos y que luego se utiliza para la traducción genética.
Es la formación de biomoléculas por medio del anabolismo, proceso encargado de la síntesis o bioformación de moléculas orgánicas (biomoléculas) más complejas a partir de otras más sencillas o de los nutrientes, con requerimiento de energía (reacciones endergónicas), al contrario que el catabolismo.
La biosíntesis de proteínas, aunque muy similar, difiere entre procariotas y eucariotas.
La síntesis de proteínas consume más de la energía de una célula que cualquier otro proceso metabólico.
A su vez, las proteínas representan más masa que cualquier otra macromolécula de organismos vivos.
Realizan prácticamente todas las funciones de una célula, sirviendo como elementos funcionales (p. Ej., Enzimas) y estructurales.
El proceso de traducción, o síntesis de proteínas, la segunda parte de la expresión génica, implica la decodificación por un ribosoma de un mensaje de ARNm en un producto polipeptídico.
El código genético
La traducción de la plantilla de ARNm convierte la información genética basada en nucleótidos en el «lenguaje» de los aminoácidos para crear un producto proteico.
Una secuencia de proteína consiste en 20 aminoácidos comunes.
Cada aminoácido se define dentro del ARNm por un triplete de nucleótidos llamado codón. La relación entre un codón de ARNm y su aminoácido correspondiente se llama código genético.
El código de tres nucleótidos significa que hay un total de 64 combinaciones posibles (43, con cuatro nucleótidos diferentes posibles en cada una de las tres posiciones diferentes dentro del codón).
Este número es mayor que el número de aminoácidos y un aminoácido dado está codificado por más de un codón.
Esta redundancia en el código genético se llama degeneración.
Típicamente, mientras que las dos primeras posiciones en un codón son importantes para determinar qué aminoácido se incorporará en un polipéptido en crecimiento, la tercera posición, llamada posición de oscilación, es menos crítica.
En algunos casos, si el nucleótido en la tercera posición se cambia, el mismo aminoácido todavía se incorpora.
Mientras que 61 de los 64 trillizos posibles codifican aminoácidos, tres de los 64 codones no codifican un aminoácido; terminan la síntesis de proteínas, liberando el polipéptido de la maquinaria de traducción.
Estos se llaman codones de parada o codones sin sentido. Otro codón, AUG, también tiene una función especial.
Además de especificar el aminoácido metionina, también sirve típicamente como el codón de inicio para iniciar la traducción.
El marco de lectura, la forma en que los nucleótidos en el ARNm se agrupan en codones, para la traducción se establece por el codón de inicio AUG cerca del extremo 5 ‘del ARNm.
Cada conjunto de tres nucleótidos después de este codón de inicio es un codón en el mensaje de ARNm.
El código genético es casi universal.
Con algunas excepciones, prácticamente todas las especies usan el mismo código genético para la síntesis de proteínas, que es una poderosa evidencia de que toda la vida existente en la tierra comparte un origen común.
Sin embargo, se han observado aminoácidos inusuales como la selenocisteína y la pirrolisina en arqueas y bacterias.
En el caso de la selenocisteína, el codón utilizado es UGA (normalmente un codón de parada).
No obstante, UGA puede codificar para selenocisteína usando una estructura de tallo-bucle (conocida como la secuencia de inserción de selenocisteína, o elemento SECIS), que se encuentra en la región 3 no traducida del ARNm.
La pirrolisina usa un codón de parada diferente, UAG. La incorporación de pirrolisina requiere el gen pylS y un ARN único de transferencia (ARNt) con un anticodón de CUA.
La maquinaria de síntesis de proteínas
Además de la plantilla de ARNm, muchas moléculas y macromoléculas contribuyen al proceso de traducción.
La composición de cada componente varía según los taxa; por ejemplo, los ribosomas pueden consistir en diferentes números de ARN ribosomales (ARNr) y polipéptidos dependiendo del organismo.
Sin embargo, las estructuras y funciones generales de la maquinaria de síntesis de proteínas son comparables desde las bacterias hasta las células humanas.
La traducción requiere la entrada de una plantilla de ARNm, ribosomas, ARNt y diversos factores enzimáticos.
Ribosomas:
Un ribosoma es una macromolécula compleja compuesta de ARNr catalíticos (llamados ribozimas) y ARNr estructurales, así como de muchos polipéptidos distintos.
Los rRNA maduros constituyen aproximadamente el 50% de cada ribosoma.
Los procariotas tienen ribosomas 70S, mientras que los eucariotas tienen ribosomas 80S en el citoplasma y retículo endoplásmico rugoso, y ribosomas 70S en las mitocondrias y los cloroplastos.
Los ribosomas se disocian en subunidades grandes y pequeñas cuando no están sintetizando proteínas y se reasocian durante el inicio de la traducción.
En E. coli, la subunidad pequeña se describe como 30S (que contiene la subunidad de ARNr 16S) y la subunidad grande es 50S (que contiene las subunidades de ARNr 5S y 23S), para un total de 70S (las unidades de Svedberg no son aditivas).
Los ribosomas eucariotas tienen una subunidad 40S pequeña (que contiene la subunidad rRNA 18S) y una subunidad 60S grande (que contiene las subunidades 5S, 5.8S y 28S rRNA), para un total de 80S.
La subunidad pequeña es responsable de unir la plantilla de ARNm, mientras que la subunidad grande se une a los ARNt (se trata en la siguiente subsección).
Cada molécula de ARNm se traduce simultáneamente por muchos ribosomas, todos sintetizan proteína en la misma dirección: leyendo el ARNm de 5 ‘a 3’ y sintetizando el polipéptido desde el extremo N hasta el extremo C.
La estructura completa que contiene un ARNm con múltiples ribosomas asociados se llama polirribosoma (o polisoma).
Tanto en bacterias como en arqueas, antes de que ocurra la terminación transcripcional, cada transcrito que codifica una proteína ya se usa para comenzar la síntesis de numerosas copias de los polipéptidos codificados porque los procesos de transcripción y traducción pueden ocurrir concurrentemente, formando polirribosomas.
La razón por la cual la transcripción y la traducción pueden ocurrir simultáneamente es porque ambos procesos ocurren en la misma dirección de 5 ‘a 3’.
Ambos ocurren en el citoplasma de la célula, y porque el transcrito de ARN no se procesa una vez que se transcribe.
Esto permite que una célula procariota responda a una señal ambiental que requiere nuevas proteínas muy rápidamente.
Por el contrario, en células eucariotas, la transcripción y la traducción simultáneas no son posibles.
Aunque los polirribosomas también se forman en eucariotas, no pueden hacerlo hasta que se completa la síntesis de ARN y la molécula de ARN ha sido modificada y transportada fuera del núcleo.
Transferencia ARN:
Los ARN de transferencia (ARNt) son moléculas estructurales de ARN y, según la especie, existen muchos tipos diferentes de ARNt en el citoplasma.
Las especies bacterianas suelen tener entre 60 y 90 tipos.
Sirviendo como adaptadores, cada tipo de ARNt se une a un codón específico en la plantilla de ARNm y agrega el aminoácido correspondiente a la cadena polipeptídica.
Por lo tanto, los ARNt son las moléculas que realmente «traducen» el lenguaje del ARN en el lenguaje de las proteínas.
Como las moléculas adaptadoras de traducción, es sorprendente que los ARNt puedan adaptarse a tanta especificidad en un envase tan pequeño.
La molécula de tRNA interactúa con tres factores: aminoacil tRNA sintetasas, ribosomas y mRNA.
Los ARNt maduros adquieren una estructura tridimensional cuando las bases complementarias se exponen en el enlace de hidrógeno de la molécula de ARN monocatenario entre sí.
Esta forma posiciona el sitio de unión de aminoácido, llamado extremo de unión de aminoácido CCA, que es una secuencia de citosina-citosina-adenina en el extremo 3 ‘del ARNt, y el anticodón en el otro extremo.
El anticodón es una secuencia de tres nucleótidos que se une con un codón de ARNm a través del emparejamiento de bases complementarias.
Se agrega un aminoácido al extremo de una molécula de tRNA a través del proceso de «carga» de tRNA, durante el cual cada molécula de tRNA se une a su aminoácido correcto o afín por un grupo de enzimas llamadas aminoacil tRNA sintetasas.
Existe al menos un tipo de aminoacil ARNt sintetasa para cada uno de los 20 aminoácidos.
Durante este proceso, el aminoácido se activa por primera vez mediante la adición de monofosfato de adenosina (AMP) y luego se transfiere al ARNt, lo que lo convierte en un ARNt cargado y se libera AMP.
El mecanismo de la síntesis de proteínas
La traducción es similar en procariotas y eucariotas. Aquí exploraremos cómo ocurre la traducción en E. coli, un procariota representativo, y especificaremos cualquier diferencia entre la traducción bacteriana y la eucariótica.
Iniciación:
El inicio de la síntesis de proteínas comienza con la formación de un complejo de iniciación.
En E. coli, este complejo implica el pequeño ribosoma 30S, la plantilla de ARNm, tres factores de iniciación que ayudan al ribosoma a ensamblarse correctamente, trifosfato de guanosina (GTP) que actúa como fuente de energía y un ARNt iniciador especial que lleva N-formil-metionina (fMet-tRNAfMet).
El tRNA iniciador interacciona con el codón de inicio AUG del mRNA y porta una metionina formilada (fMet).
Debido a su participación en la iniciación, fMet se inserta al principio (extremo N) de cada cadena polipeptídica sintetizada por E. coli. En el ARNm de E. coli, una secuencia líder corriente arriba del primer codón AUG, llamada secuencia Shine-Dalgarno.
Es también conocida como sitio de unión ribosomal AGGAGG), interactúa a través del apareamiento de bases complementarias con las moléculas de ARNr que componen el ribosoma.
Esta interacción ancla la subunidad ribosómica 30S en la ubicación correcta en la plantilla de ARNm.
En este punto, la subunidad ribosómica 50S se une al complejo de iniciación, formando un ribosoma intacto.
En eucariotas, la formación del complejo de iniciación es similar, con las siguientes diferencias:
El tRNA iniciador es un tRNA especializado que transporta metionina, llamado Met-tRNAi.
En lugar de unirse al ARNm en la secuencia de Shine-Dalgarno, el complejo de iniciación eucariota reconoce el casquete 5 ‘del ARNm eucariótico, luego rastrea a lo largo del ARNm en la dirección 5’ a 3 ‘hasta que se reconoce el codón de inicio AUG.
En este punto, la subunidad 60S se une al complejo de Met-tRNAi, mRNA y la subunidad 40S.
Alargamiento o elongación:
En procariotas y eucariotas, los conceptos básicos de elongación de la traducción son los mismos.
En E. coli, la unión de la subunidad ribosómica 50S para producir el ribosoma intacto forma tres sitios ribosómicos funcionalmente importantes: el sitio A (aminoacil) se une a los tRNA aminoacilo cargados entrantes.
El sitio P (peptidilo) se une a los ARNt cargados que llevan aminoácidos que han formado enlaces peptídicos con la cadena polipeptídica en crecimiento, pero que aún no se han disociado de su correspondiente ARNt.
El sitio E (salida) libera tRNAs disociados para que puedan recargarse con aminoácidos libres.
Hay una notable excepción a esta línea de ensamblaje de tRNA: durante la formación del complejo de iniciación, fMet-tRNAfMet bacteriano o Met-tRNAi eucariótico ingresa al sitio P directamente sin ingresar primero al sitio A, proporcionando un sitio A libre para aceptar el ARNt correspondiente a el primer codón después del AUG.
Elongación continúa con movimientos de un solo codón del ribosoma, cada uno de los cuales se denomina evento de translocación.
Durante cada evento de translocación, los tRNA cargados entran en el sitio A, luego cambian al sitio P y finalmente al sitio E para su eliminación.
Los movimientos ribosomales, o pasos, son inducidos por cambios conformacionales que hacen avanzar al ribosoma en tres bases en la dirección 3 ‘.
Los enlaces peptídicos se forman entre el grupo amino del aminoácido unido al tRNA del sitio A y el grupo carboxilo del aminoácido unido al tRNA del sitio P.
La formación de cada enlace peptídico está catalizada por peptidil transferasa, una ribozima basada en ARN que está integrada en la subunidad ribosómica 50S.
El aminoácido unido al tRNA del sitio P también está unido a la cadena polipeptídica en crecimiento.
A medida que el ribosoma atraviesa el ARNm, el ARNt anterior del sitio P ingresa al sitio E, se separa del aminoácido y es expulsado.
Varios de los pasos durante la elongación, que incluyen la unión de un ARNato de aminoacilo cargado al sitio A y la translocación, requieren energía derivada de la hidrólisis de GTP, que está catalizada por factores de elongación específicos.
Sorprendentemente, el aparato de traducción de E. coli toma solo 0.05 segundos para agregar cada aminoácido, lo que significa que una proteína de 200 aminoácidos se puede traducir en solo 10 segundos.
Terminación:
La terminación de la traducción ocurre cuando se encuentra un codón sin sentido (UAA, UAG o UGA) para el cual no hay tRNA complementario.
Al alinearse con el sitio A, estos codones sin sentido son reconocidos por factores de liberación en procariotas y eucariotas que dan como resultado que el aminoácido del sitio P se desprenda de su ARNt, liberando el polipéptido recién creado.
Las subunidades ribosomales pequeñas y grandes se disocian del ARNm y entre sí; se reclutan casi de inmediato en otro complejo de iniciación de la traducción.
