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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÉTICA UNIDAD 3. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE
CHIMBORAZO ESCUELA DE CIENCIAS QUÍMICAS
BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL
BIOLOGÍA MOLECULAR Y GENÉTICA
UNIDAD 3. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
A la transcripción y al procesamiento del ARN les sigue la TRADUCCIÓN, es decir la síntesis de proteínas guiada por un molde de ARNm.
Las proteínas son los mediadores activos en la mayoría de los procesos celulares, llevando a cabo las funciones determinadas por la información codificada en el ADN genómico.
La síntesis de proteínas es la etapa final de la expresión génica.
A pesar de esto la traducción del ARNm es solo el primer paso en la constitución de una proteínas funcional.
Para lo cual la cadena polipeptídica se debe plegar
en una conformación tridimensional adecuada y
con frecuencia esa es procesada antes de dar lugar
a la forma activa.
El procesamiento en los eucariotas esta relacionado
con el transporte de las distintas proteínas a su
destino final dentro de la célula
Aunque la expresión de la mayoría de genes se regula en
la transcripción, la expresión génica también se regula en
la traducción; dicho control, es un elemento importante en
la regulación génica tanto en células procariotas como
eucariotas.
Una vez sintetizadas las proteínas pueden ser reguladas
en respuesta a señales extracelulares ya sea por
modificaciones covalentes o mediante asociación con
otras moléculas en el interior de la célula.
El nivel de proteínas en la célula se regula a través de una
degradación de proteínas diferencial.
TRADUCCIÓN DEL ARNm Las proteínas se sintetizan a partir de un molde de ARNm
mediante un proceso altamente conservado a lo largo de
la evolución.
Todos los ARNm se leen en dirección 5-3 y las cadenas
polipeptídicas se sintetizan desde el extremo amino
terminal al carboxilo terminal.
Cada aminoácido viene codificado por 3 bases (codón) en
el ARNm de acuerdo con el carácter del código genético.
La síntesis de proteínas es básicamente:
1.- La traducción tienen lugar en los ribosomas,
siendo los ARNt los adaptadores entre el molde
de ARNm
2.- Los aminoácidos incorporados a la proteína.
Por lo tanto la síntesis de proteínas implica la
interacción entre 3 tipos de moléculas de ARN
(ARNm, ARNt, ARNr), además de varias proteínas
necesarias para la traducción.
ARNt
Durante la traducción cada uno de los 20 aminoácidos debe ser alineado con su correspondiente codón del ARNm molde.
Todas las células contienen diferentes moléculas de ARNt que sirven como adaptadores en el proceso, así como también poseen secuencias únicas que permiten la unión de un aminoácido concreto con su codón en el ARNm
El ARNt tiene una longitud de 70 a 80
nucleótidos, con una estructura en
forma de trébol que se debe a la
complementariedad de las bases
entre distintas regiones de la
molécula.
Mediante técnicas de cristalografía de
rayos X se ha visto que los distintos
ARNt poseen un plegamiento similar
en forma de L, que es necesario para
el anclaje a los ribosomas durante la
traducción.
Los ARNt para actuar como
adaptadores necesitan de
regiones distintas y separadas
de la molécula.
La secuencia de ARNm es
reconocida por el lazo
anticodón localizado en el
extremo de la molécula de
ARNt plegada, el cual se une
al codón adecuado mediante
complementariedad de bases.
Todos los ARNt poseen
una secuencia CCA en
su extremo 3 al cual
los aminoácidos se
unen covalentemente,
en concreto a la ribosa
de la adenosina
terminal.
La incorporación de los aminoácidos
correctos en la proteína depende de
la unión de cada uno de ellos a su
ARNt, así como de la especificidad
del apareamiento de bases entre
codón y anticodón.
La unión del aminoácido a su ARNt
específico es mediado por un grupo
de enzimas llamadas AMINOACIL
ARNt SINTETASA.
Cada una de estas reconoce un
único aminoácido y también al ARNt
al cual se debe unir ese aminoácido.
La reacción ocurre en 2 etapas:
1.- el aminoácido es activado mediante una reacción con
ATP formándose un intermediario amino acil AMP.
2.- Este aminoácido activado se une posteriormente al
extremo 3 de ARNt.
Las aminoacil ARNt sintetasas deben ser enzimas muy
selectivas que reconozcan específicamente tanto los
aminoácidos individuales como la secuencia de bases
específica a los ARNt aceptores.
En algunos casos la alta fidelidad del reconocimiento del
aminoácido es debido en parte a una actividad
correctora, por la cual el aminoacil AMP incorrecto es
hidrolizado antes de unirse al ARNt en la segunda etapa
de la reacción.
El reconocimiento del ARNt correcto por la
aminoacil ARNt sintetasa también es un proceso
muy selectivo:
Reconoce secuencias de nucleótidos específicas
que identifican como única a cada especie de
ARNt.
Tras la unión al ARNt, el aminoácido se alinea en
el ARNm molde por la complementariedad de las
bases entre el codón del ARNm y el anticodón del
ARNt
Este reconocimiento codón – anticodón es menos
estricto que la complementariedad A-U, G-C.
De los 64 codones posibles, 3 son
codones de terminación de la traducción y
los otros 61 codifican para los
aminoácidos, esto es que la mayoría de
aminoácidos son codificados por más de
un codón.
Además algunos ARNt son capaces de
reconocer más de un codón en el ARNm
como resultado del reconocimiento.
RIBOSOMAS Son el lugar donde se sintetizan las proteínas
tanto en células procariotas como eucariotas.
Se consideran como partículas subcelulares
mediante ultracentrifugación de células y se
asignan deacuerdo al coeficiente de
sedimentación S: 70S para los ribosomas
procariotas y 80S para los ribosomas eucariotas
que son de mayor tamaño.
Tanto los ribosomas procariotas como eucariotas están
formados por subunidades distintas, compuestas por
proteínas y por ARN ribosómico.
El hecho que una célula contenga muchos ribosomas
refleja la importancia de la síntesis de proteínas en el
metabolismo celular.
Gracias a los estudios de cristalografía de rayos X se
distinguen las subunidades de los ribosomas.
Una característica importante de los ribosomas
es que se puede crear in vitro por
autoensamblaje de sus ARNr y proteínas.
Las proteínas ribosómicas purificadas y los ARNr
pueden mezclarse y en condiciones adecuadas
formar ribosoma funcional.
El ensamblaje de los ribosomas in vivo es más
complejo y gracias a que se pueden crear in
vitro proporciona una herramienta para el
análisis de las funciones de las proteínas y del
ARNr
Al igual que los ARNt, los ARNr forman estructuras secundarias debido a la complementariedad de las bases.
Los ARNr asociadas a proteínas ribosómicas se pliegan en un nivel conformacional superior formando estructuras tridimensionales.
Los ARNr son necesarios para el ensamblaje in vitro de los ribosomas funcionales.
Por otro lado el descenso o la falta de proteínas ribosómicas provoca la pérdida de la actividad ribosómica.
Harry Noller demostró que la subunidad
grande del ribosoma es capaz de
catalizar la formación de enlaces
peptídicos (peptidil transferasa).
Por lo tanto la formación del enlace
peptídico es una reacción catalizada por
el ARNr.
Organización de los ARNm e Iniciación de la traducción.
La traducción no empieza simplemente en el extremo
5 sino que tiene lugar en un SITIO DE INICIACIÓN
ESPECÍFICO.
Los ARNm de eucariotas normalmente codifican una
única cadena polipeptídica, mientras que la mayoría de
los ARNm de procariotas codifican múltiples
polipéptidos, sintetizados de manera independiente
desde sitios distintos de iniciación.
Los ARNm que codifican varios polipéptidos se llaman
POLICISTRÓNICOS, mientras que son
MONOCISTRÓNICOS los ARNm que codifican un único
polipéptido.
Tanto en células eucariotas como procariotas, la
traducción siempre comienza con el aminoácido
metionina (codón de iniciación) normalmente codificado
por el triplete AUG.
En algunas bacterias existen codones de iniciación
alternativos como GUG (valina), y cuando esto ocurre al
principio de una cadena polipeptídica, estos codones
incorporan metionina en lugar del aminoácido que
codifican normalmente
En la mayoría de las bacterias la síntesis de proteínas
se inicia con un residuo de metionina modificado (N-
formilmetionina) mientras que la metionina sin
modificar inicia la síntesis en eucariotas.
Las señales que identifican el codón de iniciación son
distintas en células procariotas y eucariotas, debido a
las diferencias que existen entre los ARNm
policistrónicos y monocistrónicos.
Mecanismo de traducción
Tanto en eucariotas como en procariotas el primer paso
de la fase es la unión de un metionil ARNt específico y el
ARNm a la subunidad menor del ribosoma.
A continuación, la subunidad mayor del ribosoma se une
al complejo, formando un ribosoma funcional sobre el
que tiene lugar la elongación de la cadena polipeptídica.
Un número de proteínas no ribosómicas específicas
también son necesarias para las diversas fases de la
traducción.
La etapa de iniciación de la síntesis de proteínas en
eucariotas es un proceso más complejo y requiere al
menos de 10 proteínas distintas (cada una de las
cuales formadas por múltiples cadenas polipeptídicas)
llamadas FACTORES DE INICIACIÓN EUCARIOTICOS
eIFs.
Los factores eIF1 y el eIF3 se unen a la subunidad ribosómica
40S.
El metionil ARNt iniciador es reconocido por el eIF2 (que se
encuentra formando un complejo con GTP), y forma un
complejo con la subunidad une al 40S y el eIF1.
El ARNm es llevado hasta la subunidad 40S por el eIF4E,
eIF4G, eIF4A y el eIF4B.
Luego el ribosoma se desplaza sobre al ARNm para identificar
el primer codón de iniciación AUG. Este desplazamiento
requiere de energía y se acompañe de la hidrólisis de ATP.
Cuando el AUG de iniciación es identificado, eIF5
desencadena la hidrólisis del GTP unido a el eIF2, seguido de
la liberación del eIF2 y de otros factores de iniciación.
La subunidad ribosómica 60S se une al complejo 40S gracias
a la acción del eIF5B.
Tras la formación del complejo de iniciación, la
traducción continua con la elongación de la
cadena polipeptídica.
El mecanismo de elongación en células
eucariotas y procariotas es similar
El ribosoma tiene 3 sitios de unión al ARNt llamados P (peptidil), A (aminoacil) y E ( liberación).
El N-formil metionil ARNt iniciador se situa en el sitio P, dejando al sitio A libre.
El segundo aminoacil ARNt (por ej. Alanil ARNt) es dirigido hacia el sitio A por el eIF1α (unido a un GTP).
Tras la hidrólisis del GTP, eIF1α (factor de elongación) sale del ribosoma, dejando al alanil ARNt situado en el sitio A.
Se forma el enlace peptídico y se transfiere la metionina al aminoacil ARNt en el sitio A.
Entonces el ribosoma se desplaza 3 nucleótidos a los largo del ARNm.
Este movimiento transloca el peptidil (Met-Ala) ARNt al sitio P y al ARNt libre al sitio E, dejando al sitio A vacio para la unión de un nuevo aminoácido.
La translocación está medida por el eIF2, acoplada a la hidrólisis de GTP.
El proceso en células procariotas es similar al de las eucariotas.
La selección del aminoacil ARNt para su incorporación en
la cadena polipeptídica creciente es un paso crítico que
determina la precisión de la síntesis protéica.
A pesar de que esta selección se basa en la
complementariedad de bases entre el codón ARNm y el
anticodón ARNt, el apareamiento de bases no es
suficiente para responsabilizarse de la precisión de la
síntesis de proteínas que posee una tasa de error inferior
a 10-3.
Esta precisión la proporciona un centro descodificador en la subunidad pequeña del ribosoma que reconoce los pares de bases codón – anticodón correctos y discrimina los errores.
Tanto el reconocimiento del apareamiento codón – anticodón y la actividad del peptidil transferasa son producto de la actividad del ARNr.
La elongación de la cadena polipeptídica continua hasta que un codón de terminación (UAA, UAG, UGA) se coloca en el sitio A del ribosoma.
Las células tienen factores de liberación que reconocen y termina la síntesis de proteínas.
O Un codón de terminación UAA en el sitio A es reconocido por un factor de liberación en vez de por un ARNt. El resultado es la liberación de la cadena polipeptídica completa, seguido de la disociación del ARNt y el ARNm del ribosoma.
Las células procariotas cuentan con 2 factores de liberación que reconocen los codones de terminación: RF1 reconoce UAA o UAG y el RF2 reconoce UAA o UGA.
En las células eucariotas un único factor de liberación eRF1 que reconoce los 3 codones de terminación.
El factor de liberación se une a un codón de terminación en el sitio A estimulando la hidrólisis del enlace entre el ARNt y la cadena polipeptídica en el sitio P, permitiendo la salida de está del ribosoma.
El ARNt es liberado posteriormente, disociándose las subunidades ribosómicas y la hebra del ARNm.
Una vez que el ribosoma se aleja de un sitio de iniciación,
otro puede unirse al ARNm e iniciar la síntesis de una
nueva cadena polipeptídica.
Así los ARNm son normalmente traducidos por una serie
de ribosomas, separados entre ellos por
aproximadamente 100 – 200 nucleótidos.
El conjunto de ribosomas unidos a una molécula de
ARNm se denomina polirribosoma o polisoma.
Cada ribosoma del polisoma funciona de manera
independiente para sintetizar una cadena polipeptídica
distinta.
Regulación de la traducción. La traducción de los distintos ARNm puede ser regulada por la unión de proteínas represoras y proteínas que localizan los ARNm a regiones específicas de las células.
Adicionalmente la traducción de muchos ARNm puede estar controlada por microARN no codificantes que reprimen la traducción o dirigen a los ARNm para su degradación.
La actividad traduccional general de las células puede ser regulada por la modificación de los factores de iniciación.
Plegamiento y procesamiento de proteínas.
La traducción completa el flujo de la información genética
en la célula.
En este proceso la secuencia de nucleótidos del ADN se
convierte en la secuencia de aminoácidos en la cadena
polipeptídica.
La síntesis de polipéptidos no significa que la proteína
sea funcional.
Para ser activos los polipéptidos deben plegarse en
conformaciones tridimensionales características y en
muchos casos, varias cadenas polipeptídicas se agregan
para dar lugar a un complejo funcional.
Además muchas proteínas experimentan modificaciones
adicionales, incluyendo escisión y la unión covalente de
carbohidratos y lípidos, que son necesarios para la
correcta función y localización de las proteínas en la
célula.
CHAPERONAS Y EL PLEGAMIENTO DE LAS PROTEÍNAS.-
Las chaperonas moleculares facilitan el plegamiento
de las proteínas mediante la unión y estabilización de
las cadenas polipeptídicas sin plegar o parcialmente
plegadas.
ENZIMAS QUE CATALIZAN EL PLEGAMIENTO PROTÉICO.
Al menos 2 tipos de enzimas, la disulfuro isomerasa y la
peptidil propil isomerasa.
ESCISIÓN DE PROTEÍNAS
La proteólisis es un mecanismo importante en el
procesamiento de muchas proteínas. Por ejemplo, las
proteínas secretadas y las que son incorporadas a la
mayoría de orgánulos son marcadas para dirigirse a sus
destinos mediante secuencias amino terminales que
son eliminadas por escisión de proteínas cuando las
cadenas polipeptídicas pasan a través de la membrana.
GLICOSILACIÓN
Muchas proteínas eucariotas son incorporadas a la membranas plasmática, son modificadas para la adición de carbohidratos en el RE y en el aparato de golgi.
Esta se realiza en el RE mediante la unión de un oligosacárido (14) a la cadena polipeptídica en crecimiento.
UNIÓN DE LÍPIDOS
La unión de lípidos por enlaces covalentes marca y ancla las proteínas a la membrana plasmática.
La met inicial es eliminada dejando a la glicina libre para unirse al acido graso.
REGULACIÓN DE LA FUNCIÓN
DE LAS PROTEÍNAS.
Muchas proteínas están reguladas por la unión de
pequeñas moléculas, como aminoácidos y nucleótidos
que inducen cambios en la conformación y actividad de
las proteínas.
Las interacciones entre las cadenas polipeptídicas son
importantes en la regulación de las enzimas y proteínas
celulares.
También se presenta
la fosforilación
reversible y
nitrosilación que
controla la actividad
de una gran
variedad de
proteínas celulares y
es debida a la
actividad de las
quinasas y
fosfatasas.
DEGRADACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
El principal mecanismo selectivo de degradación de proteínas en las células eucariotas utiliza UBIQUITINA (polipeptído formado por 76 aa) como un marcador que etiqueta las proteínas para una rápida proteólisis.
Las proteasas lisosómicas degradan las proteínas extracelulares captadas mediante endocitosis y son las responsables de la lenta degradación de orgánulos citoplasmáticos y de proteínas citosólicas.
Algunas proteínas son marcadas para su degradación selectiva en los lisosomas como respuesta a la falta de nutrientes.
