Etapas y Regulación de la Traducción

Dogma Central y Código Genético

Definición

• El dogma central de la expresión génica: para expresar un gen, el ácido desoxirribonucleico (ADN) se transcribe en ARN, que luego se traduce en un polipéptido.
• La traducción es el proceso por el que el ARNm se utiliza como molde para fabricar polipéptidos.

ADN

• Una molécula de doble hélice formada por 2 hebras antiparalelas, con una estructura similar a una escalera retorcida:
  • Los “lados” de cada escalera están formados por moléculas alternas de desoxirribosa (un azúcar de 5 carbonos) y de fosfato.
  • Los “peldaños” de la escalera están formados por moléculas que contienen nitrógeno emparejadas, llamadas nucleótidos, y que suelen denominarse “bases”.
• Pares de bases de ADN:
  • Guanina (G), citosina (C), adenina (A) y timina (T)
  • G se empareja con C (y viceversa) a través de 3 enlaces de hidrógeno.
  • A se empareja con T (y viceversa) a través de 2 enlaces de hidrógeno.
  • Estos pares de bases pueden “leerse” como una cadena de letras; e.g., GTATCGA.
  • Esta cadena de letras es el “código”, o manual de instrucciones, que se utiliza en última instancia para crear proteínas.

ARN

• Una molécula monocatenaria formada por moléculas alternas de ribosa (un azúcar de 5 carbonos) y fosfato
• Cada ribosa está unida a un nucleótido de ARN:
  • Guanina (G), citosina (C), adenina (A) y uracilo (U)
  • Observe que, en lugar de la timina, la adenina se une al uracilo (y viceversa) mediante 2 enlaces de hidrógeno.
• Codón: serie de 3 nucleótidos seguidos que codifican un aminoácido concreto
• Tipos de ARN:
  • ARNm: cadenas molde que son traducidas en polipéptidos por los complejos ribosomales
  • ARNr: componente del complejo ribosómico que ayuda a la síntesis de proteínas.
  • ARNt: moléculas que llevan los aminoácidos al ribosoma, donde se unen al ARNm

El código genético

El código genético es la forma en que los organismos traducen una secuencia de bases en una proteína real.

• La información del ARNm está contenida en secuencias de 3 bases llamadas codones.
• El código es específico: cada codón codifica solo un aminoácido.
• El código es redundante:
  • Con 4 bases, hay 64 posibles codones de 3 bases, pero solo 20 aminoácidos.
  • Algunos aminoácidos pueden estar codificados por varios codones diferentes:
    • Normalmente, es la 3ra base la que difiere (conocida como base oscilante).
    • Las mutaciones en la base oscilante, suelen ser mutaciones silenciosas que no afectan a la secuencia de aminoácidos.
    • Por ejemplo, GGG, GGA, GGC y GGU codifican todos para la glicina, por lo que, aunque GGG mute a GGA, la proteína final será la misma.
• El código contiene “puntuación”:
  • Codón de inicio (inicia la traducción): AUG → codifica la metionina
  • Codones de parada (terminan la traducción): UAA, UAG, UGA
• El código es universal:
  • El código es el mismo en todas las especies, incluidas las procariotas y las eucariotas.
  • Excepción: varios codones son ligeramente diferentes en las mitocondrias.
• El código es leído por los ARNt dentro de los ribosomas.

Componentes de la Traducción

Los ARNm son traducidos a proteínas por los ribosomas y los ARN de transferencia.

ARN de transferencia (ARNt)

Los ARNt transportan los aminoácidos a los ribosomas, donde se unen al ARNm, alineando los aminoácidos que se unirán para formar el polipéptido en crecimiento.

• Sintetizado por:
  • ARN polimerasa en procariotas
  • ARN polimerasa III en eucariotas
  • Hay un ARNt único para cada aminoácido.
• Estructura:
  • Una molécula de ARN monocatenario tiene una longitud de 70–85 nucleótidos.
  • Forma enlaces de hidrógeno/pares de bases consigo mismo para crear una estructura de trébol (secundaria)
  • El extremo 3′ (en el tallo del trébol) es un sitio de unión para un aminoácido.
  • El bucle central del trébol contiene un anticodón:
    • Una secuencia de 3 bases que son complementarias a un codón de ARNm.
    • Permite que el ARNt se una a un ARNm donde el codón y el anticodón coincidan
• Carga de ARNt:
  • El proceso de conexión de un aminoácido con el ARNt
  • Catalizada por la enzima aminoacil-ARNt sintetasa
• Aminoacil-ARNt sintetasa:
  • Responsable de conectar el aminoácido correcto con el ARNt correcto
  • Existe una aminoacil-ARNt sintetasa diferente para cada aminoácido/ARNt.
  • Contiene 2 sitios de unión primarios:
    • Sitio de unión del ARNt: incluye una estructura similar a un codón que se une al anticodón del ARNt
    • Sitio de unión del aminoácido: se ajusta al aminoácido que coincide con ese anticodón
  • Proceso de carga:
    • Aminoácido cargado en su sitio de unión
    • El adenosin trifosfato (ATP, por sus siglas en inglés) se escinde, creando un adenosin monofosfato (AMP, por sus siglas en inglés) para cargar el aminoácido.
    • El ARNt se carga en su sitio de unión.
    • El aminoácido se empareja con el ARNt, mientras que el AMP se libera.
    • El ARNt cargado se libera de la enzima.
  • El aminoácido unido en el extremo 3′ del ARNt coincidirá con el codón del ARNm al que puede unirse el anticodón del ARNt.
• ARNt iniciador: los ARNt que se emparejan con el codón de inicio
  • En los procariotas, el ARNt iniciador es el ARNt N-formilmetionina (fMet)
  • En los eucariotas, el ARNt iniciador es la metionina-ARNt (met-ARNt_i).

Ribosomas

Los ribosomas son complejos catalíticos que incluyen componentes proteicos y de ARNr. Dentro del complejo ribosomal, el ARNm es leído por los ARNt y se crea un polipéptido.

• Estructura del ribosoma:
  • Formado por 2 subunidades primarias: una subunidad grande y otra más pequeña
  • Contiene múltiples proteínas y ARNr
  • Los ARNr forman extensas estructuras secundarias al emparejarse con ellos mismos.
• Subunidad grande:
  • Contiene peptidil transferasa:
    • Una ribozima (un ARNr que funciona como enzima para catalizar una reacción): el ARNr más grande dentro del ribosoma.
    • Crea los enlaces peptídicos entre los aminoácidos
  • Contiene 3 sitios de unión para los ARNt cargados:
    • Sitio de llegada (A)
    • Sitio del polipéptido (P)
    • Sitio de salida (E)
• Subunidad pequeña: descodifica el ARNm
• Los ribosomas leen el ARNm de 5′ a 3′
• Se encuentran flotando libremente en el citosol o pueden unirse al retículo endoplásmico rugoso

Inicio de la Traducción

El inicio de la traducción implica el ensamblaje del ribosoma en el ARNm en la dirección adecuada y la búsqueda del codón de inicio.

Ensamblaje del ribosoma

• Las subunidades ribosomales se desmontan en el citosol cuando no se utilizan.
• La subunidad pequeña del ribosoma se une al extremo 5′ del ARNm.
• La subunidad grande no se une hasta después de que el ARNt iniciador se una al codón de inicio.
• En procariotas:
  • El ribosoma se ensambla en el ARNm mientras se transcribe del ADN.
  • No existe ni se requiere un tapón para determinar la direccionalidad.
• En eucariotas:
  • El ARNm debe ser transportado desde el núcleo, donde fue transcrito, hasta el citosol para su traducción.
  • Los ARNm tienen un tapón 5′ que:
    • Indica la direccionalidad del ARNm
    • Es un sitio de unión para los factores de iniciación eucarióticos
  • Se requieren múltiples factores de iniciación eucarióticos para ayudar a la subunidad pequeña y al ARNt iniciador a unirse al ARNm.
• La unión de los factores de iniciación eucarióticos y las subunidades ribosomales requiere energía.

Búsqueda del lugar de inicio

Una vez que la subunidad pequeña se ha unido al extremo 5′ del ARNm, la subunidad pequeña comienza a buscar el sitio de inicio.

• El sitio de inicio: AUG (el codón de la metionina)
  • Procariotas: utilizan una secuencia específica rica en purinas en el extremo 5′ para distinguir el AUG de inicio de otros AUG (internos)
  • Eucariotas: utilizan el primer AUG encontrado más cercano al extremo 5′
• El complejo ribosómico escanea el ARNm para el codón de inicio (AUG) moviéndose paso a paso en la dirección 5′ a 3′ a lo largo del ARNm. Este proceso requiere la hidrólisis de ATP para que la energía se mueva.
• Cuando la subunidad pequeña alcanza el codón de inicio (AUG) en el ARNm, este se une a un ARNt iniciador.
• Una vez que el ARNt iniciador se une al ARNm, la subunidad grande entra y se orienta para que el ARNt iniciador se sitúe en el sitio P del complejo.
• En los eucariotas se necesitan factores de iniciación eucarióticos y energía adicional para ensamblar completamente el ribosoma.

Elongación y Terminación de la Traducción

Proceso de elongación

• Un ARNt cargado de aminoácidos se une al sitio A dentro del ribosoma:
  • El anticodón del ARNt debe complementar el codón del ARNm para que se produzca la unión en el sitio A.
  • Requiere energía de un factor de elongación que hidroliza un guanosín trifosfato (GTP, por sus siglas en inglés)
  • Los factores de elongación específicos son:
    • eEF-1α en eucariotas
    • EF-Tu en procariotas
• La peptidil transferasa conecta el nuevo aminoácido a la cadena polipeptídica en crecimiento:
  • Transfiriendo la cadena polipeptídica desde el ARNt en el sitio P al extremo amino (“superior”) del aminoácido conectado al ARNt en el sitio A
  • Catalizando la formación de un enlace peptídico entre los 2 aminoácidos
• El ribosoma transloca 1 codón más en la dirección 3′:
  • La translocación requiere la energía de otro factor de elongación que hidroliza un GTP:
    • EF-G en procariotas
    • eEF-2 en eucariotas
  • Esta translocación desplaza los ARNt:
    • El ARNt en la posición A con la cadena polipeptídica en crecimiento se mueve a la posición P.
    • El ARNt en la posición P se desplaza al sitio E y es expulsado del ribosoma.
    • El sitio A está ahora abierto para que entre el siguiente ARNt cargado.
• Este ciclo se repite hasta que se encuentra un codón de parada.

Emparejamiento de wobble

• Las normas de emparejamiento de bases no son tan estrictas para la 3ra posición.
• Emparejamiento de wobble: cuando la base en la 3ra posición del codón no coincide con la base en la 3ra posición del anticodón
• Muchos aminoácidos tienen múltiples terceras bases posibles, en las que el emparejamiento de wobble no alteraría la estructura final de la proteína.
• Si el emparejamiento de wobble permite la inserción de un aminoácido diferente, puede resultar una proteína mutante.

Formación de enlaces peptídicos

• Catalizados por la peptidil transferasa (un ARNr enzimático dentro de un ribosoma)
• Une el carbono α-carboxilo con el nitrógeno α-amina
• Libera H₂O en el proceso

Finalización de la traducción

La terminación se produce cuando el ribosoma alcanza un codón de parada.

• Los codones de parada codifican un factor de liberación en lugar de aminoácidos.
• Los factores de liberación entran en el sitio A y provocan:
  • El ribosoma se desensambla
  • Liberación de la cadena polipeptídica

Regulación de la Traducción

La traducción puede regularse en la iniciación, elongación o terminación; principalmente a través de la regulación hacia arriba o hacia abajo de los factores de iniciación, elongación y terminación. La traducción se regula además mediante la interferencia del ARN, el empalme alternativo y la edición del ARN.

ARN de interferencia

El ARN de interferencia (ARNi) es una interferencia en la traducción por parte de pequeñas moléculas de ARN de doble cadena que acaba inhibiendo la traducción de ARNm específicos.

• Implica a los ARN de doble cadena y a un complejo de proteínas:
  • MicroARNs (miARNs): se originan dentro de la célula
  • ARN silenciador (o pequeño interferente) (ARNsi): se origina fuera de la célula
    • Puede tener su origen en un virus
    • De uso común en biotecnología
  • Complejo de silenciamiento inducido por ARN: complejo de proteínas que incorpora un miARN o un ARNsi y puede inhibir la traducción
• Los ARNsi y miARNs están implicados en:
  • Degradación selectiva del ARNm
  • Inhibición de la traducción
  • Alteración de la estructura de la cromatina (mecanismos epigenéticos)
• Cómo funciona el ARNi:
  • Una enzima llamada dicer escinde el ARN de doble cadena (ARNds) en segmentos de aproximadamente 20 pares de bases (miARNs o ARNsi)
  • Una vez cortado, el ARNds se separa en hebras simples.
  • Cuando estos segmentos de miARNs/ARNsi de cadena simple se unen al complejo de silenciamiento inducido por ARN, estas ayudan al miARNs/ARNsi a unirse a una cadena de ARNm complementaria e inhibirla.
  • Una vez unido a un ARNm, el complejo de silenciamiento inducido por ARN inhibe la traducción:
    • Escindiendo segmentos de ARNm con la enzima argonauta (parte del complejo de silenciamiento inducido por ARN).
    • Permaneciendo unido al ARNm y bloqueando el ribosoma para que no complete la traducción.
• Propósitos del ARNi:
  • Protección contra determinados virus
  • Regulación de la expresión génica
  • En biotecnología: permite a los biólogos moleculares silenciar genes específicos

Empalme alternativo

• Los intrones no codificantes son empalmados por los espliceosomas (complejos enzimáticos de ribonucleoproteínas).
• A partir de un solo gen se pueden producir múltiples proteínas con el empalme diferencial del ARNm.

Edición de ARN

• Las enzimas pueden editar los transcritos de ARNm después de que se hayan creado.
• Ejemplos de proteínas cuyos ARNm se someten a la edición del ARN:
  • Apolipoproteína B
  • Receptores de serotonina

Relevancia Clínica

• Macrólidos y cetólidos: un grupo de antibióticos comúnmente utilizados en las infecciones respiratorias que actúan inhibiendo la subunidad 50S del ribosoma, bloqueando la síntesis de proteínas en la bacteria. Los macrólidos más comunes son la eritromicina, claritromicina y azitromicina.
• Tetraciclinas: grupo de antibióticos bacteriostáticos de amplio espectro que actúan inhibiendo la subunidad 30S del ribosoma, bloqueando la síntesis de proteínas en la bacteria. Un ejemplo común es la doxiciclina.
• Toxina diftérica: la toxina diftérica ribosila el eEF-2, inhibiendo así la elongación y, por tanto, la síntesis de proteínas, lo que conduce a la muerte celular. Los hallazgos característicos de la difteria incluyen seudomembranas faríngeas (exudados amigdalinos grisáceos), faringitis severa y una linfadenopatía en forma de “cuello de toro”. El tratamiento consiste principalmente en la inmunización pasiva con antitoxina y antibióticos. La prevención es a través de la vacuna del toxoide diftérico.
• Cáncer: los miARNs pueden actuar como supresores de tumores o como oncogenes al desregular la expresión de los genes.