Los ribosomas
Los ribosomas de procariotas son de 70 S. Están formados por una subunidad grande de 50 S y una pequeña de 30 S. La grande está formada por rRNA 23 S y 5 S, más 31 proteínas llamadas L1, L2 y L3. La subunidad pequeña está formada por rRNA de 16 S y por 21 proteínas llamadas S1, S2 y S3.
Los ribosomas de eucariontes son de 80 S. Están formados por una subunidad grande de 60 S y una pequeña de 40 S. La grande está formada por rRNA 28 S y 5.8 S, más 50 proteínas llamadas L1, L2 y L3. La subunidad pequeña está formada por rRNA de 18 S y por 33 proteínas llamadas S1, S2 y S3.
La subunidad grande se conoce como L y la pequeña como S, ambas se encajan para dar el ribosoma completo. Aquí es donde tiene lugar la traducción o síntesis de proteínas. Para la traducción los ribosomas se unen al ARNm, cuya secuencia de nucleótidos determina, en dirección 5′-3′, la secuencia de amino cidos de la proteína que se va a sintetizar.
El ARNr se forma porque en un principio se transcribe ARN policistrónico pero posteriormente se corta por dos lugares quedando tres ARN diferentes que son los tres diferentes ARNr que forman los ribosomas.
El ARN de transferencia (ARNt)
El ARN de transferencia tiene una función muy importante en la síntesis proteica ya que es la molécula que transfiere los aminoácidos al ribosoma para que los ensamble en las proteínas.
Los ARNt son relativamente pequeños y monocatenarios. Como mínimo, ocho de los residuos de nucleótidos de todos los ARNt (en inglés, tRNA) tienen bases modificadas infrecuentes que son derivados metilados de las principales.
Tienen un residuo de G en el extremo 5′, y una secuencia 5’CCA3′ en el extremo 3′. Forman una estructura en forma de hoja de trébol con cuatro brazos mientras que su estructura tridimensional tiene el aspecto de una L retorcida. En el ARNt están los anticodones que son tres bases complementarias del ARNm que codifican las proteínas.
Brazos del ARN de transferencia
- Brazo AAI o del aminoácido: porta un aminoácido específico esterificado por su grupo carboxilo al grupo hidroxilo 2′ o 3′ del residuo de A en el extremo 3′.
- Brazo del anticodón: contiene el anticodón: Py-U-ANTICODÓN-Pu-Base (que no se aparea según el modelo Watson y Crick).
- Brazo D: contiene el nucleótido dihidrouridina y es donde se reconoce la aminoacil-tRNA-sintetasa
- Brazo TΨC: contiene ribotimina y pseudouridina y es el lugar de reconocimiento del ribosoma.
Aminoacil-tRNA-sintetasas
La aminoacil-tRNA sintetasas tienen dos sustratos: el tRNA y el aminoácido. Esto es así porque la función de esta enzima es ligar el aminoácido con el tRNA correspondiente, por así decirlo, carga el tRNA con el aminoácido.
Este proceso se realiza en dos pasos mediante la hidrólisis de ATP. Se tiene que formar un enlace éster entre el grupo carboxilo del aminoácido con el grupo OH del extremo 3′ del tRNA. Esta reacción se hace en dos pasos:
Primero se activa el aminoácido mediante su reacción con el ATP:
aa + ATP <———> aminoacil-AMP + PPi
Segundo este compuesto reacciona con el tRNA para dar:
aa-AMP <———> aminoacil-tRNA + AMP
Hay dos tipos de aminoacil-tRNA sintetasas que colocan el aminoácido en una u otra posición: unas colocan el aminoácido en la posición 2′ teniendo que sufrir después un proceso de transesterificación y otras lo hacen directamente en el extremo 3’OH.
Estas enzimas son muy específicas. Las tRNA sintetasas pueden reconocer sólo el anticodón, parcialmente el anticodón y elementos estructurales o no reconocer el anticodón.
El ARN ribosómico (ARNr)
El ARN ribosómico forma parte de los ribosomas y los hay de diferentes coeficientes de sedimentación. En procariotas el ribosoma es de 70 S, siendo su subunidad pequeña de 30 S y la grande de 50 S. La subunidad pequeña está formada por ARNr 16 S, y la grande por ARNr 5 S y 23 S. En eucariotas el ribosoma es de 80 S, siendo su subunidad pequeña de 40 S y la grande de 60 S. La subunidad pequeña está formada por ARNr 18 S, y la grande por ARNr 5 S, 5.8 S y 28 S. Los genes del ARNr actúan como organizadores nucleolares.
Elementos de la traducción
En la traducción los nucleótidos se leen de tres en tres y no solapadamente, tres nucleótidos codifican un aminoácido, y las proteínas siempre se sintetizan desde el extremo amino al carboxilo siendo el primer aminoácido (aa) metionina siempre.
Al complejo formado por los ribosomas en la traducción se llama polisoma o polirribosoma.
Para la traducción se necesitan: aa-ARNt, factores de iniciación IF1, IF2, IF3, mRNA, GTP, Mg, peptidil-transferasa, factores de elongación EF-TU, EF-TS, EF-G, codón stop y factores de terminación RF1, RF2 y RF3.
El ARNt contiene el anticodón que es la secuencia complementaria del codón del ARNm y que es la que reconoce el aa a poner.
Traducción
La traducción es el proceso por el cual un molécula de ARN mensajero se transforma en una secuencia de aminoácidos (proteínas/enzimas).
Iniciación
Hay un único codón que codifica para metionina. Pero hay dos tRNA: tRNAfMet y tRNAMet en los que el primero es el que se usa cuando AUG representa el codón de inicio y el segundo para AUG en posiciones interiores.
La subunidad pequeña ribosómica se fija al factor de iniciación IF3 que impide que las dos subunidades se fijen. Para esto ayuda IF1.
Se fija el mRNA a la subunidad de tal forma que AUG se sigua en el lugar preciso, junto con él se fijan IF2 y GTP. AUG es conducido a la posición correcta en la subunidad gracias a que se reconoce una señal iniciadora (Shine-Dalgarno) que es rica en purinas y se emparejan las bases del rRNA 16 S con esta secuencia.
Así se posiciona correctamente AUG. En eucariotas, la subunidad pequeña se une al casquete y corre hasta el AUG.
Los ribosomas tienen dos sitios el sitio A (aminoacilo) y el sitio P (peptidilo). En P se posiciona AUG que es el único sitio en el que se puede posicionar el f-Met-tRNAfMet. Ahora se libera IF3, y la unidad mayor se acopla hidrolizando GTP y liberando IF1 y IF2.
Elongación
El ciclo de elongación se produce en tres pasos: entrada, enlace peptídico y traslocación. Los factores de elongación catalizan: EF-G la traslocación, EF-TS desplaza GTP de EF-TU y EF-TU forma el complejo aa-tRNA.
Ya tenemos fijada la formilmetionina y el siguiente paso es el primero de la elongación. El segundo aa-tRNA entra fijado a EF-TU que también contiene GTP unido. Este aa-tRNA se une al sitio A del ribosoma cosa que va acompañada de la hidrólisis de GTP y entonces EF-TU-GDP abandona el ribosoma. Se regenera entonces el GDP mediante EF-TS que quita a GDP para hacer hueco a GTP y de nuevo comenzar este ciclo.
A continuación se produce un desplazamiento nucleofílico del tRNA del stio P por el grupo amino de un tRNA situado en A. El aminoácido se transfiere al sitio A y queda el tRNA libre en P, se produce una transpeptidización que cataliza la subunidad grande, el centro activo es peptidil-transferasa.
El tercer paso o translocación consiste en que el ribosoma se traslada un codón hacia el extremo 3′ del mRNA utilizando energía proporcionada por la hidrólisis de GTP unido a EF-F. Así se deja el stio A libre y el dipeptidil-tRNA está en P.
Terminación
Para la terminación de las cadenas es fundamental la presencia de los factores de terminación.
RF3 se une a GTP y estimula la unión al ribosoma deRF1 y RF2 que actúan a nivel de A. Entonces se hidroliza el enlace éster entre el polipéptido en crecimiento y el tRNA del sitio P y se libera el polipéptido acabado. Posteriormente se libera el ribosoma, el mRNA y el tRNA desacilado y el factor de liberación RF3.
Descifrando el código genético
El aminoácido codificado debe estarlo por un número pequeño pero no uno ni dos porque las combinaciones respectivas darían un máximo de 4 y 16 aa y son 20 los fundamentales. Mediante mutaciones se probó que el código sólo puede ser secuenciado por tripletes de nucleótidos. Es un código no solapado y en el que no hay puntuaciones entre codones. Si el código fuera solapado a la hora de las inserciones y deleciones se producirían problemas graves. Al no ser solapado tenemos tres marcos de lectura posibles, pero sólo uno de ellos es verdadero.
El código genético, además, es degenerado, pues existe cada aminoácido es secuenciado por más de un codón.
En 1961 Marshall Nirenberg y Heninrich Matthaei incubaron un polirribonucleótido de poliU con un extracto de E. coli, GTP y una mezcla de los 20 aminoácidos. en tubos diferentes. En cada tubo marcaron de forma radiactiva un aminoácido distinto. El polipéptido radiactivo se formó en el tubo de Phe y por tanto concluyeron que UUU codificaba Phe. De la misma manera se demostró para CCC y AAA. Con estos métodos podían hallar la composición de bases pero no su secuencia.
Por esta época Khorana aporto otro método que permitía sintetizar polirribonucleótidos con secuencias repetitivas y definidas de dos a cuatro bases.
Hipótesis del balanceo
Los tRNA reconocen codones medinte apareamiento de bases del codón del mRNA y una secuencia de tres bases del tRNA denominada anticodón.
Los dos RNA se aparean antiparalelamente. La primera base del codón se encuentra en el extremo 5′ pues el mRNA va en dirección 5′-3′ y la primera del tRNA se encuentra en el extremo 3′ ya que va en dirección 3′-5′.
El número de tRNA para cada aminoácido no es el mismo que el número de sus codones Además, algunos de los tRNA tiene inosinato (I), que contiene la base poco frecuente hipoxantina que puede aparearse con U, C y A, aunque son más débiles que los habituales.
Las terceras bases de los codones forman puentes de hidrógeno bastante débiles con el resíduo I del anticodón.
Crick observó que la tercera base de casi todos los codones se aparea de manera bastante suelta con su correspondiente, es decir, la tercera base se balancea.
Las primeras bases de un codón en el mRNA siempre forman pares de bases de Watson y Crick con las bases del anticodón de tRNA confiriéndole así la parte más importante de la especificidad a las dos primeras.
La primera base de un anticodón (leyendo en 5′-3′) determina el número de codones leídos por un tRNA dado dada la especificidad mayor o menor del enlace:
- ARNt 321
- ARNm 123
Cuando un aminoácido es especificado por varios codones y éstos difieren en cualquiera de las dos primeras bases, requieren tRNAs diferentes.
Para traducir los 61 codones se necesita un número mínimo de 32 tRNA.
La tercera base es la del balanceo y permite la rápida disociación del tRNA de su codón durante la síntesis.
El código genético es casi universal difiriendo en aquellos organismos que se diversificaron muy pronto y en las mitocondrias.
