Síntesis de proteínas

Autora: Silvia Sokolovsky

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Las proteínas, por su tamaño, no pueden atravesar la membrana plasmática de la célula, por eso es que existe en su interior un mecanismo que las construye (síntesis) según las necesidades que tenga en ese momento la célula.

La síntesis de proteínas consta en realidad de dos etapas: la primera etapa (transcripción) ocurre dentro del núcleo de las células eucariotas, aquí la secuencia de nucleótidos que denominamos gen (segmento de ADN que determina una proteína) se transcribe en una molécula de ARN. Posteriormente, en la segunda etapa (traducción - síntesis de proteína propiamente dicha) el ARN pasa del núcleo al citoplasma donde es traducida por los ribosomas que arman una proteína.

Este proceso es de fundamental importancia ya que básicamente todos los caracteres que la célula presenta (fenotipo) está regulado por la suma de sus actividades enzimáticas (ver enzimas). En pocas palabras, todo lo que la célula es y puede realizar depende de la acción enzimática específica. Como las enzimas son proteínas, la morfología y funcionamiento celular dependen de que tipo de proteínas la célula pueda armar. En el transcurso de la evolución, todos los organismos se han asegurado que la información correspondiente para sintetizar sus enzimas específicas se halle presente en sus células y en su descendencia. Químicamente esa información reside en el ADN y gracias a la replicación, la transmisión está garantizada. 

Transcripción

Para formar la hebra de ARN a partir del ADN se debe tener en cuenta que cada nucleótido del ADN se ensambla con un determinado nucleótido del ARN. La molécula helicoidal de ADN se desenrolla y deja accesible la hebra paralela, a partir de la cual se inicia la síntesis (armado) del ARN. La enzima (polimesara del ARN) que controla la reacción detecta una región de la secuencia del ADN, llamada promotor, que marca el punto de inicio de la síntesis. La enzima se une al ADN en el sitio preciso para iniciar la síntesis de ARN y selecciona el primer nucleótido, que se convertirá en el extremo 5' de la cadena (ver estructura del ARN). A continuación, se desplaza rápidamente por la cadena de ADN, añadiendo los nucleótidos correspondientes a la cadena de ARN. Según se forma, el ARN se va separando del ADN, comenzando por el extremo 5'; no obstante, hasta que no se llega al extremo 3' no se separa la molécula de ARN. Los nucleótidos se añaden uno por uno en orden complementario, de esta manera la adenina del ADN se combina con el uracilo del ARN (A – U), en el mismo orden, la timina se ensambla con la adenina (T – A), y la citosina se combina con la guanina y viceversa (C – G, G – C). Hay por lo tanto complementariedad entre el ARN y el ADN de donde se copia. Al conservar la información impresa en esta parte del genoma (dotación genética), el ARN se constituye en portador de las instrucciones que determinan la secuencia de aminoácidos de una proteína. Dichas instrucciones , en clave, se descifran leyendo los nucleótidos de tres en tres ("tripletes"), y cada triplete de nucleótido, que determina uno de los 20 aminoácidos existentes, recibe el nombre de codón. Durante la traducción, a medida que se "leen" los codones, se van añadiendo los aminoácidos correspondientes a la proteína que se está formando.

A finales de la década del '70 ya se sospechaba que el paso de ARN primario, o recién transcripto, a ARN mensajero (ARNm) maduro, tal como se requiere en la traducción, exigía ciertas manipulaciones imprescindibles: adición de diferentes estructuras en ambos extremos  del ARN y modificación química de ciertos nucleótidos. Sin embargo, con cierta frecuencia, una vez transcripta la molécula de ARN podía sufrir cortes y empalmes disminuyendo su tamaño quedando ARNm más corto. Incluso una misma molécula de ARN, según los cortes y empalmes que sufra, puede dar lugar a diferentes ARNm maduro y por lo tanto, a diferentes tipos de proteínas. Estos procesos hoy se los conoce con el nombre de maduración del ARN.

Traducción

Queda claro que el ARNm es el que lleva la información que se decodificará en la síntesis (armado) de proteínas, determina el orden en que se unirán los aminoácidos. La síntesis de proteínas o traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma celular. Los aminoácidos son transportados por el ARN de transferencia (ARNt) específico para cada uno de ellos, y son llevados hasta el ARN mensajero (ARNm), dónde se aparean el codón de éste y el anticodón del ARN de transferencia, por complementariedad de bases, y de ésta forma se sitúan en la posición que les corresponde. Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente, esta estructura se conoce con el nombre de polirribosoma (polisoma).

La primera etapa de la síntesis proteica comienza cuando la unidad más pequeña del ribosoma se inserta en el extremo 5' del ARNm, exponiendo el primer codón o codón iniciador al que siempre es el AUG (5' a 3') al primer anticodón UAC en el ARNt, por lo cual el primer aminoácido es metionina modificada, la N - formilmetionina que después de elimina. A continuación la unidad mayor del ribosoma se inserta en la más pequeña y el primer ARNt unido con su N - formilmetionina se fija en un sitio p (péptido) de la subunidad más grande. Se ha iniciado así la etapa de iniciación. Al comenzar la etapa de alargamiento, el segundo codón del ARNm se coloca frente al sitio A (aminoácido). Un ARNt con un anticodón para ese segundo codón se fija a la molécula de ARNm y, junto con el aminoácido, pasa a ocupar el sitio A del ribosoma. Cuando ambos sitios están ocupados, una enzima que forma parte de la estructura ribosomal mayor establece el enlace peptídico entre los dos aminoácidos, insertando el primero en el segundo. El primer ARNt se libera y el segundo ARNt, que ahora está unido al N - formilmetionina y al segundo aminoácido, pasa a la posición P. Un tercer ARNt - aminoácido pasa a la posición A frente al tercer codón del ARNm y la operación vuelve a repetirse.

El trabajo de los ARNt consiste en tomar del citosol a los aminoácidos y conducirlos al ribosoma en el orden marcado por los nucleótidos del ARNm, que son los moldes del sistema. La síntesis de las proteínas comienza con la unión entre sí de dos aminoácidos y continúa por el agregado de nuevos aminoácidos -de a uno por vez- en uno extremos de la cadena.

Como se ha explicado, la clave de la traducción reside en el código genético, compuesto por combinaciones de tres nucleótidos consecutivos -o tripletes- en el ARNm. Los distintos tripletes se relacionan específicamente con tipos de aminoácidos usados en la síntesis de las proteínas. Cada triplete constituye un codón, existen en total 64 codones (cuatro nucleótidos se combinan de a tres, así que: 4³ = 64), 61 de los cuales sirven para cifrar aminoácidos y 3 para marcar el cese de la traducción. 

Dado que existen más codones que tipos de aminoácidos, casi todos pueden ser reconocidos por más de un codón, por lo que algunos tripletes a como "sinónimos". Solamente el triptófano y la metionina -dos de los aminoácidos menos frecuentes en las proteínas - son codificados, cada uno, por un solo codón. Generalmente los codones que decodifican a un mismo aminoácido se parecen entre sí y es frecuente que difieran sólo en el tercer nucleótido. Es importante destacar que el número de codones en el ARNm determina la longitud de la proteína.

Las moléculas intermediarias entre los codones del ARNm y los aminoácidos son los ARNt, los cuales tienen un dominio que se liga específicamente a uno de los 20 aninoácidos (en el extremo 3') y otro que lo hace, específicamente también, con el codón apropiado. El segundo dominio consta de una combinación de tres nucleótidos - llamado anticodón - que es complementaria de la del codón. Cada tipo de ARNt lleva antepuesto el nombre del aminoácido que transporta: lisinil-ARNt para el de la lisina, fenilalanil-ARNt para el de la fenilalanina, metionil-ARNt para el de la metionina, etc. Por su lado el ARNt unido al aminoácido compatible con él se designa aminoacil-ARNt^aá, en el que "aá" corresponde a la sigla del aminoácido. Por ejemplo, leucinil-ARNt^Leu, lisinil-ARNt^lys, fenilalanil-ARNt^Phe, metionil-ARNt^Met, etc.

Si bien teóricamente pueden existir 61 tipos de ARNt diferentes, sólo hay 31; el déficit se resuelve por la capacidad que tienen algunos ARNt de reconocer más de un codón. Lo logran porque sus anticodones suelen poseer la primera base "adaptable", es decir, que puede unirse con una base no complementaria situada en la tercera posición del codón. Así, la guanina en la primera posición del anticodón puede aparearse tanto con una citocina (más comunmente) o con un uracilo del codón. Similarmente, el uracilo en la primera posición del anticodón puede hacerlo con una adenina, forma habitual, o con una guanina. Por otra parte, la inosina (I), base inusual que se encuentra en la primera posición del anticodón en varios ARNt y es capaz de aparearse con cualquier base (excepto con una guanina) localizada en la tercera posición del codón.

Al final de la cadena del ARNm se encuentra un codón que sirve de señal de terminación del proceso. La etapa de terminación determina la conclusión de la síntesis de la proteína cuando el sitio A del ribosoma es abordado por este codón de terminación del ARNm que puede ser UUA, UGA o UAG. Sobre ese codón de terminación no se une ningún ARNt. El sitio A es ocupado por un factor de terminación llamado factores de liberación (eRF = eucaryotic releasing factor), constituido por dos proteínas que saben reconocer a los tres codones de terminación. Cuando esto sucede, la proteína terminada se libera del último ARNt, que también se separa del ARNm, disociándose las subunidades ribosómicas. 

Todos estos elementos quedan libres para ser reutilizados en una nueva síntesis.