¿Cómo se da la síntesis de proteínas a nivel bioquímico y fisiológico?
A pesar de que las células sintetizan muchas sustancias químicas para mantener la homeostasis, la mayor parte de la maquinaria celular está consagrada a la síntesis de grandes cantidades de diversos tipos de proteínas.
Éstas por su parte, determinan las características físicas y químicas de las células y por ende de los organismos que están constituidos por éstas.
Algunas proteínas ayudan a un ensamblado de estructuras celulares como la membrana plasmática, el citoesqueleto y otros orgánulos. Otras funcionan como hormonas, anticuerpos y elementos contráctiles en el tejido muscular.
Otras proteínas por su fin, actúan como enzimas y regulan el ritmo de numerosas reacciones químicas en las células, o como transportadores y llevan diversos materiales en la sangre.
Así como el término genoma designa a todos los genes de un organismo, el término proteoma se refiere a todas las proteínas presentes en un organismo.
La síntesis de proteínas y su relación con la síntesis de ADN y ARN.
En el proceso de expresión genética, el ADN de un gen se utiliza como molde para la síntesis de una proteína específica.
Primero, en un proceso denominado apropiadamente transcripción, la información codificada en una región específica del ADN es transcrita (copiada) para producir una molécula de ARN (ácido ribonucleico).
En el proceso posterior de traducción, el ARN se traduce en su correspondiente secuencia de aminoácidos para formar una nueva molécula proteica.
El ADN y el ARN almacenan la información genética en grupos de tres nucleótidos. Esa secuencia de tres nucleótidos se llama triplete de bases.
Cada triplete de bases de ADN es transcrito como una secuencia complementaria de tres nucleótidos, que en conjunto reciben el nombre de codón.
Un codón dado especifica un aminoácido en particular.
El código genético es el grupo de reglas que relacionan las secuencias de los tripletes de bases del ADN con su correspondiente codón de ARN y a los aminoácidos que éstos codifican.
Transcripción
Durante la transcripción, que tiene lugar en el núcleo, la información genética representada por la secuencia de tripletes de bases de ADN sirve como molde para el copiado de esa información en una secuencia complementaria de codones. A partir del molde de ADN se generan tres tipos de ARN:
1. ARN mensajero (ARNm) que dirige la síntesis de las proteínas.
2. ARN ribosómico (ARNr) que se une a las proteínas ribosómicas para construir los ribosomas.
3. ARN de transferencia (ARNt) que se une a un aminoácido y lo coloca en un sitio específico del ribosoma hasta que éste se incorpore a una proteína durante el proceso de traducción. Uno de los extremos del ARNt lleva un aminoácido específico, y el extremo opuesto consta de un triplete de nucleótidos, el anticodón.
Por el apareamiento de bases, el anticodón del ARNt se une a un codón del ARNm. Cada uno de los 20 tipos diferentes de ARNt se une a uno solo de los 20 aminoácidos distintos.
La enzima ARN polimerasa cataliza la transcripción del ARN.
Sin embargo, debe recibir señales que le indiquen dónde empezar el proceso de transcripción y dónde terminarlo. Solo una de las dos cadenas de ADN sirve como molde para síntesis del ARN.
El segmento del ADN donde comienza la transcripción, una secuencia nucleotídica especial llamada promotor, se localiza cerca del extremo anterior de un gen.
En éste es donde la ARN polimerasa se une al ADN. Durante la transcripción, las bases se aparean en forma complementaria: las bases citosina (C), guanina (G) y Timina (T), que se hallan en el molde de ADN se unen con guanina, citosina y adenina (A), respectivamente, presentes en la cadena de ARN.
En cambio, la adenina del molde de ADN se aparea con Uracilo (U) y no con timina, en el ARN:
La transcripción de las cadenas de ADN termina en otra secuencia nucleotídica especial denominada secuencia de terminación, que marca el fin del gen.
Cuando la ARN polimerasa alcanza la secuencia de terminación, la enzima se desacopla de la molécula de ARN y de la cadena de ADN.
No todas las partes de un gen codifican para partes de una proteína. Las regiones de un gen denominadas intrones no codifican para ningún sector de una proteína. Están localizadas entre las regiones denominadas exones, que codifican para segmentos de proteínas.
Inmediatamente después de la transcripción, el trascrito contiene información proveniente tanto de los intrones como de los exones y se denomina pre-ARNm.
Los intrones se eliminan luego por la acción de las ribonucleoproteínas nucleares pequeñas o snRNP (small nuclear ribonucleoproteins). Estas snRNP son enzimas que cortan los intrones y cortan y empalman los exones.
El producto resultante es una molécula funcional de ARNm que pasa a través de un poro de la membrana nuclear para poder alcanzar el citoplasma, donde se produce la traducción.
A pesar de que el genoma humano contiene alrededor de 30 mil genes, hay probablemente entre 500 mil y 1 millón de proteínas diferentes.
¿Cómo es posible que un número tan reducido de genes codifique para una cantidad enorme de proteínas?
Parte de la respuesta radica en el corte y empalme (splicing) alternativo del ARNm, proceso en el cual el pre-ARNm transcrito a partir de un gen es cortado y empalmado de diferentes formas para producir diversos ARNm.
Estos ARNm distintos se traducen más adelante en diversas proteínas. De tal manera, un solo gen puede codificar para 10 o más proteínas diferentes.
Además, las proteínas, después de ser sintetizadas, sufren modificaciones químicas que se realizan, por ejemplo, durante su paso a través del complejo de Golgi.
Estas alteraciones químicas pueden producir dos tipos o más de proteínas a partir de una sola traducción.
Traducción
En el proceso de traducción, la secuencia de nucleótidos de un ARNm especifica la secuencia de aminoácidos de una proteína.
Los ribosomas del citoplasma realizan la traducción. La subunidad menor de un robosoma tiene un sitio de unión para el ARNm; la subunidad mayor tiene dos sitios de unión para las moléculas de ARNt, un sitio P y un sitio A.
La primera molécula de ARNt, que lleva su aminoácido específico unido a un de sus extremos, se uno al ARNm en el sitio P.
El sitio A mantiene al ARNt inmediato, que también lleva su molécula de aminoácido. La traducción se produce de la siguiente manera:
1. Una molécula de ARNm se une a la subunidad ribosómica menor en el sitio de unión al ARNm. UnARNt especial, el ARNt iniciador, se une al codón de iniciación (AUG) en el ARNm, donde empieza la traducción.
El anticodón del ARNt (UAC) se fija al codón del ARNm (AUG) por el aparcamiento entre las bases complementarias. Además de ser el codón de inicio, el codón AUG también codifica para el aminoácido metionina. De tal manera, la metionina es siempre el primer aminoácido en el polipéptido en crecimiento.
2. La subunidad ribosómica mayor se une luego al complejo subunidad menor-ARNm y crea un ribosoma funcional. El ARNt inciador, con su aminoácido (metionina), encaja dentro del sitio P del ribosoma.
3. El anticodón de otro ARNt con su aminoácido unido se aparea con el segundo codón del ARNm en el sitio A del ribosoma.
4. Un componente de la subunidad ribosómica mayor cataliza la formación de una unión peptídica entre la metionina, que se separa de su ARNt ubicado en el sitio P, y el aminoácido transportado por el ARNt del sitio A.
5. Después de formarse la unión peptídica, el ARNt en el sitio P se desprende del ribosoma, y el ribosoma desplaza la cadena de ARNm un codón hacia adelante.
El ARNt ubicado en el sitio A, que lleva unida la proteína formada por dos péptidos, se mueve hacia el sitio P y permite que otro ARNt con su aminoácido se pueda unir a un nuevo codón, recientemente expuesto en el sitio A.
Los pasos 3 al 5 se repiten y la longitud de la proteína aumenta de modo progresivo.
6. La síntesis proteica finaliza cuando el codón de terminación del ARNm alcanza el sitio A del ribosoma, lo cual hace que la proteína ya sintetizada se libere del último ARNt final.
Cuando el ARNt libera el sitio A, el ribosoma se divide en sus subunidades correspondientes (mayor y menor).
La síntesis proteica avanza a un ritmo de alrededor de 15 uniones peptídicas por segundo. A medida que el ribosoma se desplaza a lo largo del ARNm y antes de que se complete la síntesis de toda la proteína, otro ribosoma se puede unir detrás del primero y comenzar la traducción de la misma cadena de ARNm.
Varios ribosomas unidos al mismo ARNm constituyen un polirribosoma.
El movimiento simultáneo de varios ribosomas a lo largo del ARNm permite que se produzca al mismo tiempo la traducción de varias proteínas iguales a partir de una única molécula.
ADN recombinante
Los científicos han desarrollado técnicas para la inserción de genes provenientes de otros organismos en carias células huésped.
La manipulación celular con esta técnica puede hacer que el organismo huésped produzca proteínas que no sintetizaría en condiciones normales.
Los organismos alterados de esta forma se denominan recombinantes.
Cuando el ADN recombinante funciona en forma adecuada, el huésped sintetiza la proteína especificada por el nuevo gen que adquirió. La tecnología que surgió de la manipulación del material genético se conoce como ingeniería genética.
Las aplicaciones prácticas de la tecnología del ADN recombinante son muchas.
Las cepas de bacterias recombinantes producen actualmente cantidades importantes de muchas sustancias terapéuticas, como la hormona de crecimiento humana (hGH), necesaria para el crecimiento y metabolismo normales; la insulina, una hormona que regula los niveles de glucosa en el sangre y se utiliza en el tratamiento de la diabetes; el interferón (IFN, un compuesto antiviral (y posiblemente anticancerígeno) y la eritropoyetina (EPO), hormona que estimula la producción de glóbulos rojos.
RESUMEN:
1. Las células producen proteínas por transcripción y traducción de la información genética contenida en el ADN.
2. El código genético es un conjunto de reglas que traducen las secuencias de los tripletes de bases del ADN en los codones correspondientes de ARN y el aminoácido que especifican.
2. En la transcripción, la información genética contenida en la secuencia de bases de los tripletes se utiliza como molde para la copa de esa información en una secuencia complementaria de codones en el ARN mensajero.
La transcripción comienza en una región del ADN denominada promotor. Las regiones del ADN que codifican para la síntesis de proteínas son los exones; aquellas que no lo hacen se llaman introntes.
4. Los pre-ARNm recién sintetizados son modificados antes de abandonar el núcleo.
5. En el proceso de traducción, la secuencia nucleotídica de ARNm especifica la secuencia aminoacídica de una proteína.
El ARNm se une a un ribosoma, aminoácidos específicos se unen al ARNt, y los anticodones del ARNt se unen a los codones del ARNm, de manera que el aminoácido específico es llevado a su posición en el polipétido en crecimiento. La traducción se inicia en el codón de comienzo y finaliza en el codón de terminación.