Fases de la síntesis de proteínas

El primero de los dos pasos en los que se puede dividir el proceso de síntesis de las proteínas se llama transcripción de las proteínas, tras la cual se realiza la segunda fase o traducción del ARN mensajero 

Pasos de la síntesis de proteínas

1. El proceso de síntesis de proteínas traduce los codones (tripletes de nucleótidos) del ARN mensajero (ARNm a partir de este momento) en el código de los 20 aminoácidos esenciales que construyen la cadena de polipéptidos de las proteínas.
2. El proceso de traducción del ARNm comienza en su extremo 5’ y concluye en el extremo 3’.
3. A lo largo del proceso, la cadena de polipéptidos se sintetiza desde su extremo amino-terminal (N-terminal a partir de ahora) a su carboxilo-terminal (C-terminal en adelante).

Prácticamente no existen diferencias significativas en las diversas fases de la síntesis de proteínas que tienen lugar en las células procariotas y en las eucariotas

Principales etapas de la síntesis de proteínas

1. Iniciación
2. Elongación
3. Terminación

En la mayoría de los aspectos, el proceso de síntesis de proteínas en las células eucariotas sigue las mismas etapas que en las procariotas. Sin embargo, sí existen diferencias específicas que es necesario resaltar.

Por ejemplo, en las células procariotas el proceso de traducción da comienzo antes de que se complete la transcripción

Fase de iniciación de la síntesis de proteínas

La primera de las etapas que forman parte del proceso de síntesis de proteínas es la iniciación, la cual abarca la unión de los componentes del sistema de traducción y precede a la formación de enlaces peptídicos.

Estos componentes que intervienen en la primera etapa de la síntesis de proteínas son:

Dos mecanismos están involucrados en el reconocimiento de la secuencia de nucleótidos (AUG) por parte del ribosoma, el cual, en realidad, da inicio a la traducción:

1. Secuencia Shine-Dalgarno (SD)

En Escherichia coli se observa una secuencia con un alto porcentaje de bases de nucleótidos de purina, la cual es conocida como secuencia de Shine-Dalgarno. Esta región se encuentra muy cerca del extremo 5’ de la molécula de ARNm y entre 6 y 10 bases por encima del codón de iniciación. El componente 16S del ARNr de la subunidad pequeña ribosomal posee un complemento de la secuencia SD cerca de su extremo 3’. De esta forma, las dos secuencias complementarias se pueden acoplar, lo cual facilita el posicionamiento de la subunidad 30S ribosomal en el ARNm próximo al codón de iniciación.

Este mecanismo es ligeramente diferente en el caso de las células eucariotas ya que no disponen de secuencias SD. De hecho, en ellas, con la ayuda del factor de iniciación IF-4, la subunidad 40S ribosomal se une cerca de una estructura denominada ‘de tapa’ en el extremo 5’ del ARNm y, posteriormente, se mueve hacia abajo por la secuencia de ARNm hasta que se encuentra con el codón de iniciación. En cualquier caso, este proceso requiere de adenosín trifosfato (ATP) para ser llevado a cabo.

2. Codón de iniciación (AUG)

La iniciación del triplete AUG es reconocida por un indicador especial contenido en el ARNt. En el caso de las células procariotas, este proceso se ve facilitado por el IF-2-GTP, mientras que en las eucariotas lo es por el propio IF-2-GTP junto a otros IF adicionales. A continuación, el ARNt iniciador cargado se acerca al sitio P de la subunidad pequeña del ribosoma. En las bacterias (y en las mitocondrias), una metionina permanece unida al ARNt iniciador y, posteriormente, un grupo formilo actúa como donante de carbono para que, a continuación, una metionina N-terminal se una a dicho ARNt.

Por su parte, en las células eurcariotas, el ARNt iniciador proporciona una metionina no formilada. En cualquier caso, en ambos tipos de células la metionina N-terminal unida al extremo 5’ se elimina justo al final del proceso de traducción. Durante el último paso de la iniciación, la subunidad ribosómica de mayor tamaño se une al complejo que se acaba de formar para, consecuentemente, dar lugar a un ribosoma completamente funcional. Este complejo dispone de una carga de ARNt en el sitio P y otro sitio vacío.

Durante esta etapa de la síntesis de proteínas se utiliza la energía dentro del GTP en SI-2, el cual consigue hidrolizarlo para convertirlo en GDP. La reactivación de IF-2-PIB es facilitado por un factor de intercambio de nucleótidos de guanina.

La primera fase de la síntesis de proteínas

El primer paso de la síntesis de proteínas se denomina transcripción

De hecho, se refiere a la transcripción del ADN en el ARN mensajero (ARNm a partir de este momento), lo cual ha de suceder de forma indispensable para que comience el proceso.

Durante la transcripción, las instrucciones que se encuentran codificadas en el interior del ADN de los genes son transcritas en el código de la secuencia de los nucleótidos del ácido ribonucleico (ARN).

¿Cuáles son los resultados de la transcripción?

La mayoría de los genes codificados son transcritos en el ARNm.

Sin embargo, existen algunas excepciones ya que ciertos genes codificados son transcritos en otros tipos diferentes de moléculas de ARN ya que son indispensables para que la célula pueda desarrollar con éxito el proceso de síntesis de proteínas del que estamos hablando en este artículo.

Estos tipos de ARN son conocidos como ARN ribosomal (ARNr en adelante) y ARN de transferencia (ARNt en las siguientes líneas).

¿Cuáles son las etapas en las que se divide el proceso de transcripción?

Mientras se lleva a cabo la traducción de cada molécula de ARNm sintetizada se utiliza una de las cadenas de doble hélice propias de la estructura del ADN como si de una plantilla se tratase.

En general, esta cadena recibe el nombre de ‘cadena molde’ debido a la función que desempeña. Llegados a este punto, podemos decir que el proceso de transcripción se divide en tres etapas distintas, las cuales son:

1. Iniciación
2. Elongación
3. Terminación

El proceso de transcripción es diferente en las células procariotas respecto a las eucariotas

En las células eucariotas el material genético contenido dentro de una molécula de ADN se encuentra en el núcleo celular.

Por esta razón, el proceso de transcripción en este tipo de células ha de llevarse a cabo obligatoriamente en este lugar. En este sentido es posible afirma que se produce cuando las moléculas de ADN se construyen formando dos cadenas antiparalelas helicoidales construidas a partir de azúcar desoxirribosa, la cual es conocida también únicamente como desoxirribosa, y un fosfato.

Ambos elementos se unen entre sí con enlaces fosfodiéster covalentes realmente fuertes. Además, cada uno de los desoxirribonucleótidos poseen una de las cuatro bases nitrogenadas, las cuales son adenina, guanina, citosina y timina, unidos a un átomo de carbono de la desoxirribosa.

Resumen del proceso de transcripción

1. La molécula de ADN altamente compactado se desarrolla y una enzima denominada helicasa rompe los enlaces de hidrógeno a los que ya hemos hecho referencia y que tienen la función de mantener unidas ambas cadenas. De esta forma, la doble hélice se descomprime dentro de esta región y permite que la cadena del nucleótido único se abra y pueda ser copiada.
2. En este momento, otra enzima, la cual recibe el nombre de ARN polimerasa, se une a la hebra única que contiene el gen de codificación y empieza a leer la información contenida en la cadena de ADN entre el extremo 3′ y el extremo 5′. Por lo tanto, es posible afirmar que esta enzima, en realidad, solo sintetiza una hebra de ARNm en la dirección 5′ a 3′.
3. La secuencia del ARNm es idéntica a la estructura del ADN. De hecho, la única diferencia existente entre ambas moléculas es que las de ARN utilizan el uracilo de los nucleótidos en lugar de la timina empleada por el ADN. Una vez sintetizados, la molécula de ARNm monocatenario puede llegar al citoplasma a través de los poros nucleares.
4. La fase de transcripción en las células procariotas es diferente a la de las células eucariotas. La primera diferencia reseñable radica en el hecho de que el primer producto de la síntesis de proteínas en este tipo de células es el ARNm ‘normal’, es decir, el que no necesita ser sometido a ninguna modificación posterior a la transcripción. En este sentido, en las eucariotas el primer producto se denomina como transcripción primaria y requiere de llevar a cabo esa modificación.

La modificación posterior a la transcripción de los ARNm de las células eucariotas incluye estas etapas:

1. Fase de tapado con 7-metil-guanosina
2. Poli-adenosina

El segundo paso de la síntesis de proteínas

El segundo paso de la síntesis de proteínas recibe también el nombre de traducción del ARN mensajero (ARNm a partir de ahora).

Debemos recordar que, durante esta fase, la información codificada en el ADN se copia en una secuencia de ARNm que, posteriormente, puede atravesar la membrana del núcleo con el objetivo de llegar a los ribosomas contenidos en el citoplasma.

La producción de proteínas ocurre durante la segunda etapa del proceso de síntesis, es decir, durante la traducción. En algunas ocasiones toda la síntesis puede unificarse en esta fase pues, en resumidas cuentas, durante la transcripción no se genera ninguna proteína.

Sin embargo, dicha transcripción es indispensable para que la segunda fase pueda tener lugar ya que es cuando se reciben las instrucciones genéticas enviadas por el núcleo hasta el citoplasma y que contienen el código de ADN/ARN.

El código genético

Puede decirse que el código genético es un conjunto de instrucciones que definen la forma en que la información codificada dentro del ADN y el ARN se traduce en proteínas.

Este código genético es idéntico (aunque con algunas pequeñas excepciones) entre todos los seres vivos. Además, determina cómo los codones (secuencias de tripletes de nucleótidos) determinan qué aminoácido en particular se debe añadir en una posición específica dentro de la cadena polipeptídica.

Las moléculas de ADN y de ARN utilizan cuatro bloques de construcción diferentes que reciben el nombre de nucleótidos y que se encargan de codificar la información genética. Con el fin de ser capaces de codificar cada uno de los 20 aminoácidos diferentes que forman parte de los polipéptidos, la información encontrada dentro de las secuencias de nucleótidos debe estar codificada por una secuencia de, al menos, 3 nucleótidos, los cuales reciben el nombre de triplete o codón.

Por lo tanto, gracias al uso de estas secuencias de tripletes, la célula es capaz de definir hasta 64 códigos diferentes para un total de 20 aminoácidos diferentes, lo que significa que para cada aminoácido no habrá más de un codón responsable.

Esto es lo que se llama ‘degeneración del codón’, expresión que viene a representar el hecho de que el código genético es redundante pues un aminoácido está codificado por más de un codón, si bien es cierto que no es ambiguo puesto que que un codón solo codifica un aminoácido.

Maquinarias celulares que participan en la segunda etapa de la síntesis de proteínas

Diferentes tipos de moléculas de ARN

El proceso de traducción requiere de la participación de tres tipos diferentes de moléculas de ARN. Cada una tiene su propia función:

1. ARN mensajero. El ARNm actúa como un intermediario entre el ADN del material genético y las zonas en las que se producen las proteínas, es decir, los ribosomas, los cuales están ubicados en el citoplasma.
2. Diversas moléculas de ARN ribosomal (ARNr). Participan en la formación de diferentes subunidades de ribosomas.
3. ARN de transcripción múltiple (ARNt). Moléculas que actúa con cada tipo de aminoácido.

El ribosoma: el taller en el que se produce la síntesis de proteínas

¿Cuál es la función de los ribosomas?

El ribosoma es, en pocas palabras, la unidad celular que se encarga de sintetizar todas las proteínas necesarias para las células. La información codificada en el ARNm es transformada por el ribosoma en una secuencia de aminoácidos. Este orgánulo celular consta de moléculas de ARN especializadas que reciben el nombre de ARNr y multitud de proteínas diferentes. Es importante señalar que dichas moléculas de ARN juegan un papel estructural y regulador.

Estructura del ribosoma

El ribosoma tiene dos subunidades formadas por el ARNr y ciertas proteínas específicas. Estas dos subunidades poseen diferente tamaño, lo que determinará cuál se llamará subunidad grande y cuál pequeña, respectivamente. Para la formación de los ribosomas, estas dos subunidades se unen y crean una estructura con una forma más o menos circular, si bien es cierto que la palabra ovalada viene a definir mejor su estructura.

El ribosoma en las células procariotas

En las células procariotas los ribosomas alcanzan 70 S (la ‘S’ significa ‘coeficiente de sedimentación). En este caso, su subunidad grande es de 50 S y la pequeña de 30 S. La finalidad de las subunidades pequeñas es la de construir moléculas de ARN de 16 S formadas por 1540 nucleótidos de largo. Este ARNr ha de contener hasta 21 proteínas ribosomales diferentes. De igual modo, la subunidad grande contiene un ARN de 5 S formado por 120 nucleótidos y otra de 23 S y 2900 nucleótidos de largo. Ambas moléculas de ARNr alberga hasta 31 proteínas diferentes.

El ribosoma en las células eucariotas

El ribosoma de las células eucariotas es ligeramente diferente al de las procariotas. En este sentido cabe destacar que estas poseen una subunidad grande de 60 S y otra pequeña de 40 S que dan lugar a la formación de un ribosoma de 80 S.

La subunidad de menor tamaña contiene 33 proteínas unidas a un ARN de 18 S con una secuencia de 1900 nucleótidos. A su vez, tres moléculas de ARN componen su subunidad grande (una de 5S y 120 nucleótidos, otra de 28 S y 4700 y una última de 5,8 S y 160. Estas 3 moléculas de ARNr albergan 46 proteínas diferentes.

Enzimas involucradas en el proceso de traducción

Una enzima llamada aminoacil ARNt sintetasa es la responsable de que se produzca correctamente la unión entre los aminoácidos y el anticodón correspondiente encuadrado dentro del ARNt.

Para ser más precisos, dichas enzimas aminoacil ARNt sintetasa se encargan de catalizar la esterificación de un aminoácido en concreto o, incluso, de su precursor, con todas las moléculas de ARNt compatibles con la finalidad de formar aminoacil ARNt.

En el caso de las células procariotas, el factor de elongación EF-Tu es el encargado de transferir el aminoacil ARNt al ribosoma para, una vez allí y teniendo en cuenta la regla de apareamiento de las bases complementarias, hacer posible que los anticodones del ARNt coincidan con sus codones correspondientes del ARNm.

El proceso de traducción es el segundo paso de la síntesis de proteínas

Como ya hemos comentado en párrafos anteriores, el proceso de traducción tiene lugar en el citoplasma de la célula, lugar en el que se une el ARNm con los ribosomas, los cuales son los responsables de que la síntesis de proteínas se produzca.

Los ribosomas constan de tres regiones espaciales que reciben el nombre de sitios de unión y que desempeñan un importante papel en la síntesis de proteínas. Uno de ellos es el responsable de que pueda producirse la unión con el ARNm, mientras que los otros dos sitios se usan para unir las moléculas de ARNt y se denominan, respectivamente, ‘Sitio A’ y ‘Sitio P’.

La unión de la molécula de ARNm al ribosoma hace posible que también se produzca la unión de las moléculas del ARNt a este en un orden definido por la secuencia de nucleótidos alojada en el interior del ARNm. En este sentido, cada ARNt se asocia, en concreto, a un aminoácido específico. Esta función está determinada, fundamentalmente, por la estructura de la molécula en sí (el ARNt puede asemejarse a un trébol de secuencias de polinucleótidos formados).

El extremo de la cola del ARNt es la zona preparada para unirse a un aminoácido específico, mientras que su cabeza posee tres nucleótidos que forman el denominado anticodón, el cual reconoce la secuencia del codón correspondiente a la molécula de ARNm.

Terminación de la traducción

La terminación de la traducción sucede cuando el sitio A del ribosoma alcanza uno de los tres codones de terminación (UAA, UAG o UGA).

En las células procariotas, estos codones que hemos comentado son reconocidos por los diferentes factores de liberación (FL a partir de ahora). El FL-1 es el responsable del reconocimiento de los codones de terminación UAA y UAG, mientras que el FL-2 se encarga de los UGA y UAA. Cuando estos FL se unen al complejo se desencadena la hidrólisis del enlace que une el péptido del ARNt en el sitio P y libera la proteína naciente del ribosoma. A continuación, un tercer FL (FL-3-GTP) provoca la liberación del FL-1 o FL-2 como GTP, el cual es hidrolizado y convertido en GDP para quedar como un mero fosfato residual.

Por el contrario, las células eucariotas poseen un único factor de liberación, eFL, el cual puede reconocer los tres codones de terminación. Hay un segundo FL involucrado llamado eFL-3 que ejerce funciones similares al FL-3 de las procariotas.

Algunos antibióticos inhibidores que podrían interferir en cualquiera de las diferentes etapas de la síntesis de proteínas son:

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