Síntesis de proteínas
Definición
La síntesis de proteínas es un proceso en el que se forman cadenas polipeptídicas a partir de combinaciones codificadas de aminoácidos simples dentro de la célula. La síntesis de nuevos polipéptidos requiere una secuencia codificada, enzimas y ácidos ribonucleicos (ARN) mensajeros, ribosomales y de transferencia. La síntesis de proteínas tiene lugar dentro del núcleo y los ribosomas de una célula y está regulada por el ADN y el ARN.
Pasos de la síntesis de proteínas
Los pasos de la síntesis de proteínas tienen dos vertientes. En primer lugar, hay que copiar el código de una proteína (una cadena de aminoácidos en un orden específico) a partir de la información genética contenida en el ADN de una célula. Este paso inicial de la síntesis de proteínas se conoce como transcripción.
La transcripción produce una copia exacta de una sección del ADN. Esta copia se conoce como ARN mensajero (ARNm) que debe ser transportado fuera del núcleo celular antes de que pueda comenzar el siguiente paso de la síntesis de proteínas.
El segundo paso de la síntesis de proteínas es la traducción. La traducción ocurre dentro de un orgánulo celular llamado ribosoma. El ARN mensajero se abre paso y se conecta con el ribosoma bajo la influencia del ARN ribosómico y las enzimas. El ARN de transferencia (ARNt) es una molécula que lleva un solo aminoácido y una secuencia codificada que actúa como una llave. Esta llave encaja en una secuencia específica de tres códigos en el ARNm, llevando el aminoácido correcto a su lugar. Cada conjunto de tres bases nitrogenadas del ARNm se denomina codón.
La traducción y la transcripción se explicarán con mucho más detalle más adelante. Para que la síntesis de proteínas sea sencilla, primero debemos conocer lo básico.
Polipéptidos y proteínas
El resultado de la síntesis de proteínas es una cadena de aminoácidos que se han unido, eslabón a eslabón, en un orden específico. Esta cadena se llama polímero o polipéptido y se construye según un código basado en el ADN. La cadena polipeptídica se puede imaginar como una cadena de cuentas, en la que cada cuenta representa un aminoácido. El orden en el que se encadenan las cuentas se copia de las instrucciones de nuestro ADN.
Al hablar de la síntesis de proteínas es importante hacer una distinción entre las cadenas polipeptídicas y las proteínas. Todas las proteínas son polipéptidos pero no todos los polipéptidos son proteínas; sin embargo, tanto las proteínas como los polipéptidos están compuestos por monómeros de aminoácidos.
La diferencia entre una proteína y un polipéptido es la forma. Las cadenas más pequeñas de aminoácidos -generalmente menos de cuarenta- permanecen como cadenas simples y se denominan polipéptidos. Las cadenas más grandes deben empaquetarse con más fuerza; se pliegan en estructuras fijas: secundarias, terciarias y cuaternarias. Cuando una cadena polipeptídica se pliega, se denomina proteína.
Las cadenas polipeptídicas se forman durante el proceso de traducción de la síntesis de proteínas. Estos polipéptidos pueden o no plegarse en proteínas en una etapa posterior. Sin embargo, el término «síntesis de proteínas» se utiliza incluso en la comunidad científica y no es incorrecto.
Entender la síntesis de proteínas es fácil si imaginamos nuestro ADN como un libro de recetas. Este libro enumera las instrucciones que muestran a una célula cómo hacer cada pequeña parte de cada sistema, órgano y tejido dentro de nuestro cuerpo. Todas estas partes individuales son polipéptidos. Desde la queratina del pelo y las uñas hasta las hormonas que circulan por el torrente sanguíneo, los polipéptidos y las proteínas son los cimientos de todas las estructuras. Nuestro ADN no codifica lípidos ni carbohidratos, sólo codifica polipéptidos.
La enzima ARN polimerasa abre el libro de recetas del ADN que se encuentra dentro del núcleo celular. Utiliza ciertas piezas de código como marcadores para encontrar la página correcta. Este recetario está escrito en un idioma extranjero: el ARNm copia lo que está escrito sin entenderlo. Las recetas se traducen a un lenguaje que otras moléculas pueden descifrar posteriormente. Los traductores son los ribosomas y los ARNt. Leen la receta y pueden reunir los ingredientes adecuados y, en el orden correcto, fabricar el producto polipeptídico terminado.
Secuencias del ADN
En el núcleo, dos hebras de ADN se mantienen unidas por bases nitrogenadas (también llamadas nucleobases o bases). Cuatro bases -citosina, guanina, adenina y timina- forman las letras de las palabras del recetario del ADN.
Una hebra de ADN contiene el código original. Si se siguen cuidadosamente las instrucciones de este código, se puede ensamblar un polipéptido específico correcto fuera del núcleo. La segunda hebra de ADN -la hebra molde- es una imagen especular de la hebra original. Debe ser una imagen especular, ya que las nucleobases sólo pueden unirse a parejas complementarias. Por ejemplo, la citosina sólo se empareja con la guanina y la timina sólo se empareja con la adenina.
Probablemente habrás visto códigos como CTA, ATA, TAA y CCC en varios libros de texto de biología. Si estos son los codones (conjuntos de tres bases) de la cadena original de ADN, la cadena molde se unirá a estos usando sus parejas. Así que utilizando los ejemplos dados, el ADN molde se unirá a la cadena de ADN original utilizando GAT, TAT, ATT y GGG.
El ARN mensajero copia entonces la cadena molde. Esto significa que acaba creando una copia exacta de la hebra original. La única diferencia es que el ARNm sustituye la timina por una base llamada uracilo. La copia del ARNm de la cadena molde utilizando los ejemplos dados se leería CUA, AUA, UAA y CCC.
Estos códigos pueden ser leídos por el ARN de transferencia fuera del núcleo; la receta puede ser entendida por una molécula que no comprende del todo el lenguaje utilizado en el original (no entiende la timina, sólo el uracilo). El ARN de transferencia ayuda a llevar las piezas adecuadas a la cadena de montaje del ribosoma. Allí se construye una cadena de proteínas que coincide con las instrucciones de la cadena de ADN original.
Contribuidores de la síntesis de proteínas
Para realizar el tramo de código copiado (transcripción) necesitamos unas enzimas llamadas ARN polimerasas. Estas enzimas reúnen moléculas de ARN mensajero (ARNm) que flotan libremente en el interior del núcleo y las ensamblan para formar las letras del código. Cada letra del código de ADN tiene su propia clave y cada nueva letra formada por el ARNm lleva una cerradura que se adapta a esta clave, un poco como el ARNt.
Nota que estamos hablando de letras. Esto es importante. Dentro del núcleo, el código del ADN no se entiende, simplemente se copia – se transcribe. Entender el código deletreando las palabras formadas por estas letras – traduciendo – ocurre en una etapa posterior.
La ARN polimerasa debe encontrar y traer la molécula de ARNm apropiada para cada base nitrogenada de la cadena molde. Las moléculas de ARNm seleccionadas se unen para formar una cadena de letras. Finalmente, estas letras deletrearán el equivalente a una frase. Cada frase representa un producto específico (polipéptido). Si la receta no se sigue con exactitud, el producto final podría ser completamente diferente o no funcionar tan bien como debería.
El ARN mensajero se ha convertido ahora en el código. Viaja al siguiente grupo de colaboradores importantes que funcionan como plantas de fabricación. Los ribosomas se encuentran fuera del núcleo celular, ya sea en el citoplasma de la célula o unidos al retículo endoplásmico rugoso; son los ribosomas los que hacen que el retículo endoplásmico sea «rugoso».
Un ribosoma está dividido en dos partes y la cadena de ARNm pasa por él como la cinta por una máquina de escribir antigua. El ribosoma reconoce y se conecta a un código especial al principio de la frase traducida: el codón de inicio. Las moléculas de ARN de transferencia entran en el ribosoma, trayendo consigo ingredientes individuales. Como en todos estos procesos, se necesitan enzimas para realizar las conexiones.
Si cada codón de ARNm tiene una cerradura, el ARNt posee las llaves. La llave del ARNt para un codón de ARNm se llama anticodón. Cuando una molécula de ARNt posee la llave que coincide con un código de tres nucleobases, puede abrir la puerta, dejar su carga (un aminoácido) y salir de la fábrica de ribosomas para recoger otra carga de aminoácidos. Éste será siempre el mismo tipo de aminoácido que el anticodón.
El ARN mensajero se desplaza a lo largo del ribosoma como en una cinta transportadora. En el siguiente codón otra molécula de ARNt (con la clave correcta) trae el siguiente aminoácido. Este aminoácido se une al anterior. Comienza a formarse una cadena de aminoácidos enlazados, una cadena polipeptídica. Cuando se completa, esta cadena polipeptídica es un producto final exacto fabricado según las instrucciones del libro de recetas del ADN. No se trata de una tarta o un pastel, sino de una cadena polipeptídica.
El final del proceso de traducción del código del ARNm es señalado por un codón de parada. Los codones de inicio y parada no codifican aminoácidos, sino que indican al ARNt y al ribosoma dónde debe comenzar y terminar una cadena polipeptídica.
El producto terminado -el polipéptido recién sintetizado- se libera en el citoplasma. Desde allí puede viajar a donde sea necesario.
Sitio de la síntesis de proteínas
El sitio de la síntesis de proteínas es doble. La transcripción (copia del código) se produce dentro del núcleo celular donde se encuentra el ADN. Una vez que se ha realizado la copia de ARNm de una pequeña sección de ADN, ésta viaja a través de los poros nucleares y llega al citoplasma celular. En el citoplasma, la cadena de ARNm se desplazará hacia un ribosoma libre o uno unido al retículo endoplásmico rugoso. Entonces puede comenzar el siguiente paso de la síntesis de proteínas: la traducción.
Nuevas funciones de los ribosomas
La célula media de los mamíferos contiene más de diez millones de ribosomas. Las células cancerosas pueden producir hasta 7.500 subunidades ribosómicas (pequeñas y grandes) cada minuto. Como fábrica productora de polipéptidos, la existencia, el desarrollo y la función de todo organismo vivo dependen del ribosoma.
Antes se pensaba que los ribosomas eucariotas sólo desempeñaban funciones efectoras en la síntesis de proteínas (causaban un efecto – una nueva proteína). Sin embargo, investigaciones recientes muestran ahora que los ribosomas también regulan el proceso de traducción. Intervienen en la decisión de qué proteínas se fabrican y en qué cantidades. El éxito y los resultados de la traducción no sólo dependen de la disponibilidad de aminoácidos y enzimas libres, sino también de la calidad de los ribosomas.
La transcripción en la síntesis de proteínas
El proceso de transcripción es el primer paso de la síntesis de proteínas. Este paso transfiere la información genética del ADN a los ribosomas del citoplasma o del retículo endoplásmico rugoso. La transcripción se divide en tres fases: iniciación, elongación y terminación.
Iniciación
La iniciación requiere dos grupos especiales de proteínas. El primer grupo son los factores de transcripción, que reconocen secuencias promotoras en el ADN. Una secuencia promotora es una sección de código que se encuentra al principio de un solo gen y que muestra dónde debe comenzar el proceso de copia y en qué dirección debe leerse este código. Un promotor funciona un poco como el codón de inicio en el ARNm.
El segundo grupo de proteínas necesario para el inicio de la transcripción está formado por las ARN polimerasas dependientes del ADN (RNAP). Una molécula de ARN polimerasa se une al promotor. Una vez realizada esta unión, el ADN de doble cadena se desenrolla y se abre (se abre).
Las bases conectadas mantienen las dos cadenas de ADN en forma de doble hélice. Cuando las dos hebras se descomponen, las bases individuales y ahora no conectadas quedan expuestas. El proceso de descifrado se repite a lo largo del tramo de ADN por las RNAP hasta que se alcanza el punto de parada de la transcripción o terminador. La iniciación, por tanto, implica el reconocimiento de una secuencia promotora y la descomposición de un tramo de ADN bajo la influencia de los factores de transcripción y las ARN polimerasas.
Elongación
La siguiente fase del proceso de transcripción es la elongación. Con la secuencia codificada expuesta, las RNAP pueden leer cada base individual de adenina, guanina, citosina o timina en la cadena molde y conectar la base asociada correcta con ella. Es importante recordar que el ARN es incapaz de replicar la timina y la sustituye por la nucleobase conocida como uracilo.
Si, por ejemplo, una secuencia corta de ADN en la cadena molde está representada por C-A-G-T-T-A o citosina-adenina-guanina-timina-adenina, la RNAP conectará las bases asociadas correctas obtenidas de las poblaciones de bases que flotan libremente dentro del núcleo. En este ejemplo, la ARN polimerasa unirá una base de guanina a la citosina, el uracilo a la adenina, la citosina a la guanina y la adenina a la timina para formar una cadena de ARN mensajero con la secuencia de bases nitrogenadas codificadas G-U-C-A-A-U. Este proceso se repite hasta que la enzima RNAP detecta una secuencia de código genético que lo termina: el terminador.
Terminación
Cuando las RNAPs detectan una secuencia terminadora, se produce la fase final de la transcripción: la terminación. La cadena de RNAPs se desconecta del ADN y el resultado es una cadena de ARN mensajero. Este ARNm lleva el código que finalmente indicará al ARNt qué aminoácidos debe llevar a un ribosoma.
El ARN mensajero sale del núcleo a través de los poros nucleares principalmente por difusión, pero a veces necesita la ayuda de las enzimas transportadoras y del ATP para llegar a su destino.
Proceso de traducción en la síntesis de proteínas
Durante el proceso de traducción, las subunidades pequeñas y grandes de un ribosoma se cierran sobre una hebra de ARNm, atrapándola sin apretar. Los ribosomas organizan la cadena en codones o conjuntos de tres letras de base nitrogenada. Esto se debe a que el código de un solo aminoácido -la forma más básica de una proteína- es un código de tres letras de nucleobase.
Como los ribosomas reconocen partes del código, podemos decir que lo entienden. El revoltijo de letras copiadas realizado durante la fase de transcripción puede ser leído y comprendido en la fase de traducción.
Por ejemplo, GGU, GGC, GGA y GGG codifican el aminoácido conocido como glicina. La mayoría de los aminoácidos tienen múltiples códigos ya que esto disminuye la posibilidad de errores – si la ARN polimerasa conecta accidentalmente adenina en lugar de citosina a GG, no importa. Tanto GGC como GGA codifican el mismo aminoácido. Puede ver una lista de codones de ARNm para los veinte aminoácidos no esenciales aquí.
Sólo hay un código de codón de inicio – AUG. Tres codones – TAA, TAG y TGA – representan codones de parada. Ni los codones de inicio ni los de parada coinciden con el código de un aminoácido; son no codificantes. El único codón de inicio y los tres de parada están claramente marcados en esta rueda de codones.
Cuando un codón se hace visible -una vez que el codón anterior se ha unido a un aminoácido- una sección de una molécula de ARN de transferencia encaja en el codón de ARNm. Esta «llave» se llama anticodón. El ARN de transferencia tiene dos funciones: unirse a un aminoácido fuera del ribosoma y desplegar este aminoácido en el momento adecuado y en la posición correcta en una cadena de ARNm dentro del ribosoma.
Decenas de miles de moléculas de ARN de transferencia producen una cadena polipeptídica. La titina o conectina es la molécula proteica más grande y contiene unos 33.000 aminoácidos. El polipéptido funcional más pequeño es el glutatión: sólo tres aminoácidos. Para producir glutatión, primero el ribosoma y el ARNt deben leer el codón de inicio (tres bases), luego leer el primer codón codificador de la proteína (tres bases), el segundo (tres bases), el tercero (tres bases) y el codón de parada (tres bases). Las recetas (secuencias) de ADN y ARNm codificantes para el glutatión contienen nueve bases. Puede haber o no secciones adicionales de ADN no codificante dentro de esta receta. Las secuencias no codificantes no producen aminoácidos.
Al igual que el proceso de transcripción, la traducción dentro del ribosoma también se divide en las tres etapas de iniciación, elongación y terminación.
La iniciación implica el reconocimiento por parte del ribosoma del codón de inicio del ARNm. La elongación se refiere al proceso por el que el ribosoma se mueve a lo largo del transcrito del ARNm, reconociendo y exponiendo los codones individuales para que el ARNt pueda traer los aminoácidos adecuados. El brazo anticodón del ARNt se une al codón apropiado del ARNm bajo la influencia de las enzimas ribosómicas.
Por último, la terminación se produce cuando el ribosoma reconoce el codón de parada del ARNm; la cadena polipeptídica completa se libera entonces en el citoplasma. Se envía a donde sea necesario: al interior de la célula o a otros tejidos, saliendo de la membrana celular por exocitosis.
Cuestionario
Bibliografía
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