CONFERENCIA

SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

Sumario

El código genético
Activación de los aminoácidos y formación de los aminoacil-tRNA
Sitio de la síntesis proteica
El tRNA iniciador
Traducción en procariontes
Traducción en eucariontes
Supresión


El código genético

El código genético es un diccionario de vocablos que permite la traducción de la información genética a partir del mRNA, que a su vez se ha formado mediante la transcripción del DNA.

Hay 64 codones, es decir 4 bases se pueden distribuir en 64 trios (codones o tripletes). 61 codones representan aminoácidos y 3 codones causan la terminación de la síntesis proteica. El RNA de transferencia es el adaptador que relaciona un codón con su correspondiente aminoácido. El tRNA proporciona el intermediario que lleva a cabo la traducción de cada triplete en aminoácido. Crick lo define así: El tRNA representa el intento de la naturaleza de hacer un ácido nucleico que lleve a cabo una serie de funciones que mayormente son desempeñadas por las proteínas (estructura 3D del tRNA).

Las características más importantes del código genético son:

1. Es un código de tripletes, sin solapamiento y sin puntuación.
2. Existen señales de inicio generalmente códon AUG (Met), pocas veces UUG (Leu), AUU (Ile) y GUG (Val).
3. Existen 3 señales de terminación: UAA (ocre), UAG (ámbar) y UGA (ópalo).
4. El código es degenerado, excepto triptófano y metionina todos los aminoácidos están representados por más de un codón. Codones sinónimos, son los que tienen el mismo significado, es decir representan el mismo aminoácido.
5. La base 5' del anticodón es capaz de "balancearse" en su posición durante la traducción, permitiendo que se formen disposiciones de enlace de hidrógeno alternativas (no Watson-Crick) con varias bases de codones diferentes. Esto fue propuesto por Francis Crick en 1966 y explica elegantemente la degeneración de código.

Base en la posición 5'
del anticodón
  Base en la posición 3'
del codón
G se aparea con C ó U
C se aparea con G
A se aparea con U
U se aparea con A ó G
I se aparea con A, U, ó C

6. Es casi universal, los mismos codones se utilizan casi siempre para los mismos aminoácidos, la mayor parte de las excepciones a la universalidad están limitadas a las mitocondrias y a determinados protozoos.

El RNA de transferencia (tRNA) es el adaptador que permite leer el codón por complementariedad con el anticodón a la vez que lleva el aminoácido unido al brazo aminoácido. Es por eso que una etapa obligada de la síntesis proteica es que cada uno de los aminoácidos se una al tRNA. Ya que los aminoácidos adquieren un determinado nivel energético en este proceso, se le llama activación de los aminoácidos. Este proceso es llevado a cabo por enzimas denominadas aminoacil-tRNA sintetasas.

La degeneración del código y el balanceo de las bases que acabamos de describir, determina que se necesiten menos tRNA que codones, ya que sólo requieren tRNA diferentes, aquellos codones que difieren en cualquiera de las primeras dos bases. De esta manera existe un mínimo de 31 tRNA (excluyendo el iniciador) para reconocer los 61 codones.


Activación de los aminoácidos y formación de los aminoacil-tRNA

El aminoacil-tRNA debe formarse antes de que el anticodón de una molécula de tRNA interaccione con el codón del mRNA. Las enzimas que une un a.a. con su correspondiente tRNA se conocen como aminoacil-tRNA sintetasas y son las responsables principales de la traducción del código genético. Se sabe que existen alrededor de 20 tipos de aminoacil-tRNA sintetasas distintas, ya que una sola molécula de sintetasa es capaz de reconocer a las moléculas de tRNA que se pueden unir al mismo aminoácido. Aunque todas catalizan el mismo tipo general de reacción, difieren considerablemente en la composición de sus subunidades y en su peso molecular. La reacción global que cataliza la enzima es:

aminoácido + tRNA + ATP Ò aminoacil-tRNA + AMP + PPi

La reacción se descompone en la formación del aminoacil adenilato a expensas de ATP y formación del aminoacil tRNA a partir del aminoacil adenilato y tRNA (figura), ΔG aminoacil-adenilato = -14 kcal/mol, ΔG aminoacil-tRNA = -7 kcal/mol.

Las sintetasas han sido divididas en 2 grupos generales, cada uno con 10 enzimas sobre la base de la estructura de sus regiones de union al tRNA. La mayor parte de ellas son homomultímeros. En general en estas enzimas el dominio catalítico, que se encuentra en el extremo N-terminal, incluye el sitio de unión para ATP y aminoácidos. En el extremo C-terminal se encuentra el dominio de unión del anticodón del tRNA, el cual es muy diferente de una a otra enzima. También se encuentra el dominio de inserción que contacta la hélice del tRNA. La clase I, tiene un dominio catalítico que se identifica por 2 secuencias de aminoácidos cortas y conservadas llamadas "secuencias firma" (signature). En este dominio el motivo proteico es una configuración alternando con hélice. El extremo C-terminal es muy diferente entre las enzimas. La clase II tiene como motivo proteico una hoja, rodeada de 2 hélices. Algunas características de estas dos clases se resumen en la siguiente tabla:

Caracteristicas Clase I Clase II
Sitio de aminoacilación 2' OH 3' OH
Secuencias específicas del dominio catalítico HIGH
KMSKS
1 ...P ...
2 ...FRXE ...
3 ...GXGXGXER ...
Forma de acercarse al brazo aceptor Surco menor Surco mayor
Miembros por subclase a
Leu
Ile
Val
Cys
Met
b
Tyr
Trp
c
Arg
Gln
Glu
a
His
Pro
Ser
Thr
b
Asp
Asn
Lys
c
Gly
Ala

Phe

     

El reconocimiento de un a.a. especifico y de las moléculas de tRNA correspondientes, por la a.a. tRNA sintetasa es una etapa critica en la traducción del mensaje genético. Si esta etapa no fuera muy precisa se podrían incorporar aminoácidos incorrectos en la cadena de proteínas. Afortunadamente, las aminoacil-tRNA sintetasas unen los a.a. a sus respectivas moléculas de tRNA con una gran especificidad. Esta especificidad indica que la aminoacil-tRNA sintetasa puede discriminar de forma efectiva entre las distintas cadenas laterales de los a.a. y entre varias moléculas de tRNA. (Fig. 7.13 y 7.14, Genes VII)

Una a.a.-tRNA sintetasa dada selecciona el a.a. correcto que va a ser su sustrato basándose en la carga, tamaño y energía libre estándar de unión de dicho a.a. Esta selección implica inicialmente la exclusión de los a.a. que posean una carga o hidrofobicidad incorrecta. Como ejemplo tenemos la tirosil-tRNA sintetasa que distingue la tirosina, que es polar, de la Phe, apolar, porque el complejo entre el tirosil-adenilato y la tirosil-tRNA sintetasa se estabiliza por enlaces de H específicos. Más exactamente, se forman enlaces de H estereoespecíficos entre la tirosina del tirosil-adenilato y el Asp 176 y la Tir 34 de la sintetasa. Como estos enlaces de H no se pueden formar con la Phe porque carece de grupo OH, la tirosil-tRNA sintetasa rechaza a este a.a. como sustrato.

También se distinguen los a.a. por su tamaño. Esto ocurre por ejemplo, en la alanil-tRNA sintetasa que distingue entre Ala y Val. A pesar de que las dos cadenas laterales tienen la misma carga, el grupo isopropilo de la Val es demasiado voluminoso para introducirse en la cavidad diseñada especificamente para la Ala. Por este motivo la Ala-tRNA sintetasa elimina a.a. parecidos a la Ala en la etapa de unión, no permitiéndoles acceder al sitio de unión.

La isoleucil-tRNA sintetasa afronta un problema distinto a la hora de distinguir entre la isoleucina y la valina. Estos son mucho más parecidos la valina pudiera ser aceptada por el centro activo de la enzima. El problema se soluciona planteando que el grupo metileno extra de la isoleucina capacita al a.a. de la enzima para establecer un mayor número de interacciones de Van der Waals con la Ile que con Val. El resultado es que la energía libre estándar de unión de la isoleucina a la enzima es mayor que la de Val.

Otro aspecto es, que las a.a.-tRNA sintetasas también distinguen entre moléculas de tRNA. Se desconoce todavía cuáles son las características que permiten distinguir entre las diferentes moléculas de tRNA. Parece que la especificidad está determinada por interacciones entre superficies complementarias de la enzima y la molécula de tRNA. Una vez que la molécula de tRNA se aminoacetila, está preparada para insertar su a.a. en la localización apropiada durante la síntesis proteica. Este hecho se demostró mediante un experimento en el que se modificaba la molécula de tRNA después de haber sido aminoacetilada. Si se añade esta molécula a un sistema de traducción in vitro, se sintetizan moléculas de proteína que contienen Ala en las localizaciones donde se especifica cisteína.

Algunas aminoacil-tRNA sintetasas poseen una actividad correctora. Algunas enzimas son capaces de discriminar entre 2 aminoácidos después de haberse formado el aminoacil-adenilato. Aunque la isoleucil-tRNA sintetasa es capaz de formar valil-adenilato, cuando se mezcla valil-adenilato con tRNAIle e isoleucil-tRNA sintetasa, no se forma valil-tRNAIle. En su lugar, el valil-adenilato se hidroliza generando valina y AMP. Por lo tanto la isoleucil-tRNA sintetasa cataliza una etapa editora o correctora en el punto de la reacción en el que se transfiere el grupo aminoacilo del aminoacil-adenilato a la molécula de tRNA. Gran parte de la especificidad de la iso-tRNA sintetasa radica en esta actividad correctora. No todas exhiben esta actividad, pero a veces no se necesita. Ejemplo, la tirosil-tRNA sintetasa puede distinguir bien entre Tir y Phe.

El grupo metilo extra de la Ile capacita al centro activo de la enzima para establecer un mayor número de interacciones de Van der Waals con Ile que con Val. Se hizo un experimento con cantidades equivalentes de Ile y Val, se encontró que por acción de la Ile-tRNA sintetasa el isoleucil-adenilato es 100 veces más frecuente que el valil-adenilato. El experimento ha servido tambien para demostrar la actividad correctora de esta a.a. tRNA sintetasa. Basándose en el ejemplo, cabráa decir que la Isoleucil-tRNA sintetasa incorpora erróneamente Val en una cadena polipeptídica cada 100 veces. Sin embargo, este error se produce una vez cada 10 000. Esto significa que la enzima también discrimina entre 2 a.a. después de haberse formado el aminoacil-adenilato. Aunque la Isoleucil-tRNA sintetasa es capaz de formar el valil-adenilato. La reacción catalizada por la leucil-tRNA sintetasa es:

La isoleucil-tRNA sintetasa cataliza una etapa editora o correctora en el punto de la reacción en el que se transfiere el grupo aminoacilo del aminoacil adenilato a la molécula de tRNA.


Sitio de la síntesis proteica

La síntesis proteica tiene lugar en los ribosomas, los cuales constituyen el mayor componente celular. En una bacteria creciendo activamente hay ~20 000 ribosomas/genoma, ellos contienen ~10 % de la proteína total y ~80 % del RNA total de la bacteria. En eucariontes es menor el % de proteínas, pero en número absoluto es mayor y contiene la mayor parte del RNA de la célula. Los ribosomas por lo general no se encuentran libres, se hayan unidos al mRNA en procariontes y asociados con el citoesqueleto o con membranas del retículo endoplasmático. La subunidad mayor es ~2 veces la subunidad menor. Las subunidades menores en procariontes y eucariontes son aproximadamente iguales. Las mayores son más divergentes entre sí, aunque se conoce menos de sus detalles.

El rRNA es fundamentalmente estructural aunque puede tener un papel catalítico. Las proteínas se unen a cada rRNA en sitios particulares, hasta ahora no se ha encontrado que ninguna este involucrada en un papel catalítico. Se puede decir que los ribosomas representan una colección de muchas proteínas, cada una activa solamente en el contexto de la propia estructura total, cuyas actividades coordinadas llevan a cabo el acto de la traducción. Muchas de sus proteínas y rRNAs establecen la estructura total que lleva los centros activos a la relación correcta sin participar directamente en las reacciones sintéticas. El ribosoma se debe imaginar como una estructura interactiva en la cual los cambios de conformación trasmiten información de un sitio a otro.

Todos los ribosomas en una bacteria son idénticos, Existe una copia de cada proteína en los ribosomas, con excepción de una que está presente en 4 copias. Los ribosomas de los organelos son diferentes de los del citosol. Los ribosomas completos tienen una constitución asimétrica. La cabeza y cuerpo de la subunidad pequeña se alinean con la muesca de la subunidad mayor. La plataforma de la pequeña se fija dentro de la grande. Puede haber un espacio o túnel entre las dos subunidades.

El mRNA esta localizado entre la unión de las 2 subunidades, pero probablemente de forma superficial (ver Fig. 6.26 Genes VII). Los dos tRNA son muy grandes relativos al ribosoma, parecen más probablemente insertados en grandes surcos abiertos desde la superficie como en huecos. Los rRNAs constituyen la mayor parte de la masa, la mayoría de las proteínas contactan con él, se considera un hilo continuo cuya presencia domina la estructura y determina la posición de las proteínas ribosomales. Se ha determinado que las estructuras de los RNA ribosomales varían entre ribosomas libres y aquellos involucrados en la síntesis proteica, por tanto los cambios en rRNA se pueden deber a que:

» enlaza mRNA
» asocia subunidades
» enlaza tRNA

No se sabe si los cambios reflejan una interacción directa del rRNA con mRNA ó tRNA o se deben a otros cambios en la estructura del ribosoma. Lo más importante es que la conformación del ribosoma es flexible durante el proceso de la síntesis proteica.

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