DESCODIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN: TRADUCCIÓN

Presentación del tema: "DESCODIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN: TRADUCCIÓN"— Transcripción de la presentación:

1 DESCODIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN: TRADUCCIÓN
Después del agua, las proteínas son las sustancias que entran en mayor proporción en las células. Sus funciones son muchas, variadas e importantes. Por tanto, y debido a la importancia estratégica en la economía celular, los aspectos relacionados con su biosíntesis tienen una gran trascendencia: ¿Dónde se sintetizan?, ¿Cómo se sintetizan?, ¿Cómo se regula su síntesis?, etc.

2 ETAPAS DE LA TRADUCCIÓN EN PROCARIOTAS (E. coli)
La síntesis de proteínas consta de cinco etapas principales: 1ª.- Activación de los aminoácidos. 2ª.- Iniciación de la cadena peptídica. 3ª.- Elongación. 4ª.- Terminación. 5ª.- Maduración. Tal vez se debería incluir una sexta etapa que sería el direccionamiento de las proteínas hacia sus lugares de destino específico, tanto a nivel intracelular como extracelular. De hecho, en la etapa de maduración se producen modificaciones químicas que hacen posible este direccionamiento. Cada etapa tiene una finalidad y unos requerimientos específicos.

3 La primera etapa transcurre en el citosol y tiene por finalidad la unión de cada aminoácido a su ARN-t específico. Los factores y cofactores necesarios para la obtención de los diferentes aminoacil-ARN-t son, además del ion magnesio que se necesita en todas las etapas, los siguientes: aminoácidos aminoacil-ARN-t sintetasas ARN-ts ATP La segunda etapa consiste en la activación del sistema ribosómico para que se introduzca el primer aminoácido. Para ello hace falta: ARN-m N-formilmetionil-ARN-ti Codón de iniciación en el ARN-m (AUG) Ribosoma separado en sus dos subunidades GTP Factores de iniciación (IF-1, IF-2 e IF-3) Durante la etapa de prolongación nuevos aminoácidos se unen al anterior mediante enlace covalente (peptídico), para ir formando el polipéptido. Se necesita: Ribosoma completo y funcional aminoacil-ARN-ts Peptidil transferasa Factores de elongación EF-T y EF-G La cuarta etapa es en la que termina la cadena peptídica y se libera del ribosoma. Para ello se requiere: Alguno de los codones de terminación sobre el ARN-m Factores de liberación (RF-1, RF-2 y RF-3) La última etapa, la de maduración, consiste en dar los toques finales a estas cadenas para que sean funcionales y para que puedan ser dirigidas a sus lugares de destino, donde ejercerán sus funciones. Para ello hacen faltan diferentes enzimas de maduración.

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5 ¿POR DÓNDE EMPIEZAN A SINTETIZARSE LAS CADENAS PEPTÍDICAS?
Ya sabemos que las cadenas polipeptídicas tienen un extremo en el cual el grupo amino del aminoácido queda libre, y otro en el que es el grupo carboxilo el que está libre. Se plantea la cuestión de por dónde se empieza a constituir la cadena, por el extremo amino o por el carboxilo. La respuesta se obtuvo empleando isótopos radiactivos en reticulocitos (glóbulos rojos inmaduros en los que la síntesis de hemoglobina es muy activa). Se utilizó como marcador la leucina tritiada, ya que este aminoácido aparece frecuentemente en las cadenas alfa y beta de la globina. A distintos intervalos de tiempo se aislaron las cadenas alfa completadas y se comprobó la distribución de la radiactividad a lo largo de las cadenas. Cuando las cadenas eran aisladas, después de una hora de incubación con la leucina radiactiva, todas las cadenas estaban marcadas. Sin embargo, cuando se obtenían cadenas completadas con tiempos menores de incubación, los residuos radiactivos estaban siempre más próximos al carboxilo que al amino. Por ello, se llegó a la conclusión de que la síntesis progresa a partir del aminoácido que deja libre su grupo amino.

6 ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS
Para que los aminoácidos intervengan en la síntesis de proteínas hace falta que estén activados. Para ello tienen que unirse a los ARNts. Esta unión, que es muy específica, está catalizada por unas enzimas denominadas aminoacil-ARNt sintetasas, que son muy estrictas tanto para el aminoácido como para el ARNt. La energía del proceso la pone el ATP. La reacción global es la siguiente: aa + ARNt + ATP → aa-ARNt + AMP + 2Pi Esta reacción tiene lugar en dos etapas. En la primera el aminoácido reacciona con el ATP para dar aminoacil-adenilato y PPi. El aminoácido se une al grupo fosfato 5' del AMP: aa + ATP + E ⇌ E[aa-AMP] + PPi La segunda etapa del proceso es la transferencia del aminoácido desde el AMP al ARNt específico: E[aa-AMP] + ARNt ⇌ aa-ARNt + AMP + E El aminoácido puede ir sobre el -OH 3' o 2' del resíduo de adenina del extremo 3' terminal del ARNt, pudiendo después "saltar" de una a otra posición. La hidrólisis del PPi hace que la reacción global sea prácticamente irreversible en el sentido de la síntesis del aminoacil-ARNt. IMPORTANCIA DE ESTA ETAPA: Es muy importante que el aminoácido correcto se una al ARNt correcto, ya que cualquier error conllevaría a un aminoácido mal colocado en la cadena polipeptídica, lo que podría dar lugar a una proteína defectuosa y que no cumpla la misión que tenga asignada. Por ello, las enzimas que catalizan esta etapa, las aminoacil-ARNt sintetasas, son muy específicas y además poseen mecanismos para subsanar posibles errores. Si el aminoácido que ha entrado no es el correcto y sin embargo llega a formar el aminoacil-AMP, la enzima comprueba si es o no correcto y en el caso de que no lo sea hidroliza esta unión, permitiendo así que el aminoácido adecuado entre en su lugar. Esto hace que las probabilidades de error sean tan pequeñas como un aminoácido incorrecto cada tres o cuatro mil restos. Tiene que ser así porque el papel del ARNt es el de adaptador. El ARNm reconoce al ARNt, pero no al aminoácido. Por ello, si el ARNt lleva un aminoácido distinto del que le corresponde, este aminoácido entrará en el lugar del normal, con las consecuencias que podemos imaginar.

7 aa + ATP + E ⇌ E[aa-AMP] + PPi E[aa-AMP] + ARN-t ⇌ aa-ARNt + AMP + E
PPi ⇌ 2Pi aa + ARN-t + ATP → aa-ARN-t + AMP + 2Pi

8 INICIACIÓN La síntesis de proteínas comienza con las subunidades ribosómicas separadas; es decir, existe una continua asociación-disociación de subunidades ribosomales durante la síntesis proteica. El experimento llevado a cabo por Kaempfer y colaboradores muestra que realmente esto ocurre. Cultivaron células de E. coli durante varias generaciones en un medio con fuentes de N, C e hidrógeno que llevaran sus isótopos pesados. Los ribosomas de estas células son más densos que los correspondientes normales. Luego se volvieron estas células a un medio "ligero", y los ribosomas se sometieron a centrifugación en un gradiente de densidad, obteniendo, además de ribosomas ligeros y pesados, ribosomas híbridos de dos clases. Por tanto, debe existir un ciclo de asociación-disociación, ya que si no lo hubiera los ribosomas sólo podrían ser de dos clases, o ligeros o pesados. También para la fase de iniciación hace falta un triplete de iniciación del ARNm (codón de iniciación), que es el AUG. Este triplete codifica a la metionina. Existe aquí una diferencia entre procariotes y eucariotes; en los primeros la metionina iniciadora se encuentra N-formilada, mientras que en los segundos no. La unión al grupo formilo se efectúa cuando la metionina ya está unida al ARNt, pero a uno específico que es el ARNtfmet o formilable. Es decir, hay dos ARNts para la la metionina, pero sólo uno de ellos es formilable, el otro se usa para colocar metionina en posiciones interiores de las cadenas polipeptídicas en crecimiento. Algo similar ocurre en las eucélulas, aunque aquí no es formilable, y se habla del ARNti o iniciador, que es el que es capaz de unirse al codón de iniciación. Complejo de preiniciación

9 INICIACIÓN Esta unión especial hace que este aminoácido se una al centro de unión específico que no acepta a ningún otro aminoacil-ARNt. Pero la existencia de un único codón para la metionina plantea la cuestión de cómo diferencian ambos codones el aminoacil-ARNt que tiene que unir. Lo veremos a continuación. Para iniciar la síntesis de una cadena proteica existen tres fases. En la primera la subunidad 30 S se une al factor de iniciación IF-3; a continuación se une al ARNm con el triplete de iniciación AUG en una región especial de la subunidad 30 S, gracias a una señal de iniciación específica, secuencia de Shine-Delgarno, situada en el extremo 5' del ARNm por delante del AUG y que es reconocida mediante apareamiento de bases por una secuencia complementaria del ARN-r 16 S de la subunidad 30 S. Por todo ello, el AUG iniciador sólo reconoce a ese aminoacil-ARNt especial. A este complejo se le une el IF-1. En la segunda fase, se forma un complejo entre el IF-2, el GTP y el N-formilmetionil-ARNtfmet. El IF-2 reconoce específicamente a este aminoacil-ARNt pero no a cualquier otro. En la tercera fase, se unen estos dos complejos, colocando en la posición correcta sobre el ARNm al N-formilmetionil-ARNtfmet, se hidroliza el GTP a GDP y Pi, se liberan del ribosoma los factores de iniciación y se une la subunidad 50 S, dando lo que se llama el complejo de iniciación, que está formado por el ribosoma unido al ARNm y que lleva el N-formilmetionil-ARNtfmet posicionado sobre el AUG en un lugar preciso de la subunidad 30 S, que después aclararemos.

10 ELONGACIÓN Esta etapa tiene lugar en tres fases: entrada del nuevo aminoacil-ARNt, formación del enlace peptídico y traslocación o trasposición del péptido. Esta etapa se repite numerosas veces para completar la cadena peptídica, y por eso se le puede denominar ciclos de elongación o de prolongación. Es preciso aclarar en primer lugar y antes de empezar el estudio de cada una de las fases, que los ribosomas poseen, con la participación de las dos subunidades, dos centros en los que unir los aminoacil-ARNts, el centro A o del aminoácido y el P o del péptido. el N-formilmetionil-ARNtfmet sólo se puede unir al segundo, mientras que el resto de los aminoacil-ARNts lo hacen en el A. Se habla de un tercer centro, en el que está más implicada la subunidad mayor, que es centro E o centro de salida del ARNt que queda vacío después de la formación del enlace peptídico. Cuando los factores de elongación EF-Tu y EF-Ts. están unidos, el factor EF-Tu lleva enlazada una molécula de GDP. Esta molécula de GDP se intercambia con una de GTP a la par que se libera el factor EF-Ts. En la primera fase, el aminoacil-ARNt entrante se une al factor de elongación EF-Tu que lleva una molécula de GTP, formando el complejo EF-Tu-GTP-aminoacil-ARNt, el cual se enlaza al complejo de iniciación 70 S. Se hidroliza a continuación el GTP y se libera EF-Tu-GDP del ribosoma, dejando al aminoacil-ARNt posicionado en el lugar A. El complejo EF-Tu-GDP se une entonces al EF-Ts comenzando de nuevo el proceso.

11 ELONGACIÓN El factor de elongación EF-Tu es capaz de comprobar si la unión codón anticodón es correcta y si no lo es proceder a su hidrólisis. En esta segunda fase se lleva a cabo la formación del enlace peptídico entre los aminoácidos situados en ambos centros, teniendo lugar la transferencia de la N-formilmetionina desde P a A. La reacción está catalizada por la enzima peptidil transferasa presente en la subunidad mayor del ribosoma. El dipéptido se encuentra ahora en el lugar A mientras que el ARNtmet descargado permanece en el lugar P. La energía para la formación del enlace peptídico la da la ruptura del enlace éster entre la N-formilmetionina y el ARNt correspondiente. A continuación se desarrolla la tercera fase. En ella el ribosoma se desplaza un codón a lo largo el ARNm en dirección 3', lo que hace que el dipeptidilARNt se situe en el lugar P, liberando, por el sitio E, el ARNt descargado al citoplasma. Esto necesita del factor EF-G, llamado también traslocasa, y de la hidrólisis simultánea de GTP. Es posible que durante esta etapa se produzcan cambios conformacionales en el ribosoma que sean en definitiva los responsables de su trasposición. Después de la traslocación el ribosoma se encuentra dispuesto a recibir el tercer aminoácido y lo hace de forma idéntica a lo ya estudiado.

12 ELONGACIÓN

13 TERMINACIÓN Esta etapa se produce cuando llega un codón de terminación situado inmediatamente después del codón que codifica el último aminoácido. Existen tres tripletes de terminación UAA, UAG y UGA. Se necesitan además los factores de terminación o liberación RF-1, RF-2 y RF-3. Con todo ello se lleva a cabo lo siguiente: a) ruptura hidrolítica del polipéptido del ARNt que lo soporta; b) liberación del último ARNt del centro P; c) separación del ARNm del ribosoma, y d) disociación del ribosoma en sus dos subunidades, se une el IF-3 a la subunidad 30 s impidiendo que se pueda asociar a la subunidad mayor del ribosoma, quedando dispuesto el mismo para unirse a otra cadena de ARNm e iniciar la síntesis de una nueva cadena polipeptídica. La separación del péptido del ARNt que lo llevaba se lleva a cabo por la peptidil transferasa, tal vez modificada por los factores de terminación que alteran su especificidad. También se precisa el aporte de energía, GTP, en este proceso.

14 POLIRRIBOSOMAS O POLISOMAS
Una cadena de ARNm no es leída únicamente por un solo ribosoma, sino por muchos ribosomas simultáneamente. Esto se demuestra cuando se aislan cuidadosamente ribosomas de tejidos activos en la síntesis proteica; entonces se pueden observar de unos pocos a más de 80 ribosomas unidos en racimos. A estos racimos se les llama polirribosomas o polisomas y pueden fragmentarse por la ribonucleasa, lo que da idea de que los ribosomas están sobre un ARNm que se está leyendo. Esto aumenta notablemente la eficiencia de utilización del ARNm como patrón.

15 GASTO ENERGÉTICO DEL PROCESO
Como ya se ha dicho anteriormente, el gasto energético que hace la célula para la síntesis de proteínas es muy importante. Pero concretando en la síntesis de una cadena polipeptídica, tenemos que considerar lo siguiente: en la activación de cualquier aminoácido se consumen dos ATPs, ya que hay que considerar que aunque interviene un único ATP este se rompe en AMP y PPi, que a su vez se descompone en 2Pi, por lo que en realidad hay que considerar dos enlaces o aportaciones energéticas. En la etapa de iniciación participan un GTP, o lo que es lo mismo 1 ATP, en la fase de elongación dos GTPs (ATPs) y en la terminación sería un GTP (ATP) más. Por tanto, para una proteína con “n” residuos de aminoácidos necesitaríamos, exclusivamente para las etapas de activación, iniciación, elongación y terminación, los siguientes ATPs: 2n ATPspara la activación 1 ATPpara la iniciación 2(n-1) ATPs para la elongación 1 ATP para la Terminación Total (4n) ATPs, para la síntesis de una cadena polipeptídica de “n” residuos de aminoácidos. Concretando, para una cadena polipeptíca de 200 restos de aminoácidos se necesitarían, por tanto, 800 ATPs. Evidentemente, el gasto energético es bastante mayor si consideramos los procesos de transcripción, maduración y reparto de las proteínas a sus lugares de destino.

16 MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES
Algunas proteínas recién sintetizadas, tanto en procariotas como en eucariotas, no adquieren su conformación biológicamente activa hasta que han sido modificadas. Entre estas modificaciones se encuentran las siguientes: Modificación en los extremos de la cadena polipeptídica. Habitualmente los extremos amino y carboxilo son modificados. Así, no suele encontrarse en las proteínas finales fMet (bacterias) o Met (eucariotas). También es frecuente la acetilación del grupo amino terminal en eucariotas. Modificaciones en las cadenas laterales de los aminoácidos mediante grupos que agregan o eliminan cargas en la molécula necesarias para su función o les proporciona otras características. Fosforilación enzimática por ATP de grupos hidroxilo de residuos de Ser, Thr o Tyr. P.e. La caseína de la leche tiene grupos fosfoserina que fijan Ca2+. Carboxilación de Glu. P.e. La protrombina presenta gran número de residuos de Glu carboxilados en la región N-terminal que fijan Ca2+, necesario para iniciar la coagulación. Metilación de Lys en proteínas musculares, citocromo c. Hidroxilación de restos de Pro o Lys, como hemos visto en el colágeno.

17 MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES
Unión de moléculas orgánicas. Glucosilación. Las cadenas laterales de glúcidos de las glucoproteínas se unen covalentemente durante o después de la síntesis del polipéptido. En algunas proteínas, el glúcido es unido a residuos de Asn (oligosacáridos unidos por enlace N). En otras, a residuos de Ser o Thr (oligosacáridos unidos por enlace O). Muchas proteínas que funcionan extracelularmente, al igual que los proteoglucanos lubricantes que revisten las membranas mucosas, contienen oligosacáridos. Modificaciones lipófilas. La unión covalente de partes lipídicas a las proteínas mejora la capacidad de unión a membrana y/o determinadas interacciones proteína-proteína. Entre las modificaciones lipófilas más comunes están la acilación (la unión de ácidos grasos) y la prenilación (adición de grupos isoprenilo a residuos de Cys). Aunque el ácido graso miristato (14:0) es relativamente poco frecuente en eucariotas, la miristoilación es una de las formas más habituales de acilación. P.e. La N-miristoilación incrementa la afinidad de la subunidad  de determinadas proteínas G por las subunidades  y  unidas a la membrana. Entre las proteínas modificadas por prenilación se cuentan las proteínas Ras (productos de los oncogenes y proto-oncogenes ras) y las proteínas G. Adición de grupos prostéticos. Muchas proteínas de procariotas y eucariotas requieren para su actividad grupos prostéticos unidos covalentemente. P.e. unión de biotina a la acetil-CoA carboxilasa, grupo hemo de la hemoglobina. Modificación proteolítica. El procesamiento proteolítico de las proteínas es un mecanismo de regulación habitual en las células eucariotas. Entre los ejemplos típicos de rotura proteolítica se encuentran la eliminación de péptidos señal o la activación de zimógenos. Formación de puentes disulfuro. Algunas proteínas, después de plegarse en su conformación nativa, forman puentes disulfuro inter o intracaternarios entre residuos de cisteína. Esto es frecuente en las proteínas eucarióticas destinadas a exportación, ya que su formación ayuda a proteger la conformación nativa de la proteína de la desnaturalización en un ambiente extracelular, que es generalmente oxidante.