Traducción
Introducción
¡Hola!
¡Qué emoción volvernos a encontrar! Espero que continúes con ese mismo ímpetu de la primera clase y sigas aprendiendo, por lo tanto te invito a esta séptima clase titulada Traducción de la unidad de aprendizaje Biología Molecular.
En las clases anteriores hemos visto que la replicación es el proceso mediante el cual el ADN se copia a sí mismo y que la transcripción es la etapa en la cual la información almacenada en el ADN se copia a una molécula de ARN. Con esto se han abarcado dos de las 3 etapas que conforman el Dogma Central de la Biología Molecular por lo que solo resta una por conocer:, la traducción.
La traducción corresponde al paso de ARN a proteína, es decir, es el proceso mediante el cual la información albergada en el ARN mensajero, es convertida a proteína. Para ello, es necesario conocer tanto los participantes como los elementos necesarios para que se lleve a cabo.
Habiendo comentado esto ¡te invito a que iniciemos la clase!
Desarrollo del tema
Traducción y código genético
Como se mencionó anteriormente, la traducción es el paso de RNA a proteína. Es decir, la información almacenada en el ARN mensajero es traducida a proteína. Se lleva a cabo un cambio de lenguaje, de un código de cuatro letras (A,G,C,U) se cambia a lenguaje de aminoácidos (20 aminoácidos) de ahí el nombre de traducción. Se traduce la información, y para ello es necesario contar con un código, que permita pasar de la secuencia de 4 nucleótidos a secuencia de aminoácidos. Este código se denomina Código genético.
¿Cómo funciona dicho código? Primero necesitas saber que la secuencia en el ARN mensajero se lee en tripletes, es decir, se va leyendo de 3 en 3 nucleótidos. A estos tripletes se les llama codones, y cada codón especifica un aminoácido (Imagen 1).
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
La lectura en tripletes permite que se tengan 64 posibles combinaciones de 3 nucleótidos (43) lo que es más que suficiente para codificar los 20 aminoácidos que existen de forma común en las proteínas. De hecho, se tiene un exceso de codones, se requieren 20 y se tienen 64, lo que ocasiona que un solo aminoácido pueda ser codificado por más de un codón, por lo que se dice que el código genético es degenerado o redundante (Imagen 2 y 3).
Otra característica del código es que es universal. Aunque está presente en todos los organismos, existen pequeñas diferencias. Un ejemplo es en las mitocondrias, debido a que estas cuentan con su propia maquinaría de transcripción y síntesis de proteínas que opera de manera independiente al resto de la célula.
La traducción se lleva a cabo con la participación de los ribosomas y los RNAs de transferencia (Imagen 4). Los ribosomas se encargan de leer el mensaje y los RNAs de transferencia de transportar y transferir el aminoácido adecuado con base en la secuencia del ARN mensajero.
RNA de transferencia
Como se mencionó, el RNA de transferencia (RNAt) se encarga de transportar y transferir el aminoácido adecuado. En él se encuentra lo que se conoce como el anticodón, el cual es complementario a la secuencia del codón en el ARN mensajero. En el extremo 3′ del RNAt se localiza el aminoácido (Imagen 5).
Al ser el código genético degenerado, significa que vamos a tener más de un RNAt para cada aminoácido o un RNAt puede unirse con más de un codón. Esto último se da debido a que los RNAt están diseñados de tal forma que solo requieren que dos bases del anticodón coincidan en las dos primeras posiciones del codón, permitiendo que la tercera no coincida. A esto se le conoce como bamboleo, lo que permite dar cierta tolerancia a que ocurra un error en la coincidencia de la tercera base del codón (Imagen 6). Esto explica porqué la mayoría de los codones para un mismo aminoácido difieren únicamente en el tercer nucleótido.
Tomado de Alberts B. et al. (2015).
Unión del aminoácido al RNA de transferencia
El reconocimiento y la unión del aminoácido al RNAt correcto depende de unas enzimas denominadas aminoácil-RNAt sintetasas. Estas unen covalentemente cada aminoácido al RNAt. Estas enzimas necesitan del ATP para llevar a cabo la reacción, la cual sucede en dos pasos. El primer paso consiste en la activación del aminoácido mediante la unión del AMP al grupo carboxilo del mismo, generando lo que se conoce como un aminoácido adenilado. Posteriormente, el aminoácido adenilado es transferido a un grupo hidroxilo presente en el azúcar del extremo 3′ del RNAt. Esto se realiza sin que el aminoácido se separe de la enzima. Se forma un enlace tipo éster con el RNAt, el cual es un enlace de alta energía. De esta manera el RNAt queda cargado (Imagen 7).
Tomado de Alberts B. et al. (2015)..
Ribosomas
La síntesis de la proteína se lleva a cabo en los ribosomas. Estos son complejos formados por proteínas y ARN ribosomal. Están conformados por dos subunidades, una subunidad mayor y una menor (Imagen 8). La subunidad menor interactúa con el RNA mensajero mientras que la subunidad mayor lo hace con el RNA de transferencia y es en donde se lleva a cabo el enlace peptídico. Cuando no están sintetizando proteínas, las dos subunidades se encuentran separadas. Estas se ensamblan cuando interactúan con el RNA mensajero, cerca del extremo 5′.
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
Cada ribosoma contiene 3 sitios de unión para el RNAt, denominados sitio A, sitio P y sitio E. El sitio A se llama sitio aminoacil y es el lugar en el que entra el RNAt cargado con el aminoácido. En el sitio P o peptidil, se lleva a cabo el enlace peptídico y el sito E o de salida (exit en inglés) es por donde sale el RNAt una vez que ha dejado el aminoácido (Imagen 9).
Tomado de Alberts B. et al. (2015).
Como se verá más adelante, el RNAt se va colocando en cada uno de estos sitios conforme el ribosoma se va desplazando.
Traducción en procariotas
Una vez conocidos los participantes del proceso de traducción, vamos a ver como es que se lleva a cabo. Comenzaremos con los procariotas y después lo veremos en eucariotas. Al igual que la replicación y la transcripción, para su estudio la traducción se divide en 3 etapas, iniciación, elongación y terminación. Comencemos con la iniciación.
Iniciación
La etapa de iniciación incluye las reacciones que preceden a la formación del enlace peptídico entre los dos primeros aminoácidos. Requiere que el ribosoma se una al RNA mensajero formando un complejo de iniciación que contiene el primer RNAt cargado con el aminoácido (aminoacil-RNAt). Este paso es importante debido a que la selección del sitio de inicio de la traducción es crítico para que la proteína generada sea correcta.
En procariotas el inicio de la traducción ocurre en una secuencia específica en el RNAm, denominada sitio de unión al ribosoma. La cuál es una secuencia corta localizada antes de la región codificante y que es complementaria a una porción del ARN ribosomal 16S, el cual forma parte de la subunidad menor del ribosoma. En el sitio de unión al ribosoma se encuentra la secuencia Shine-Dalgarno, la cual se localiza aproximadamente a 10 pares de bases río arriba del codón de inicio de la traducción. Este codón es el AUG (en bacterias en ocasiones también es GUG y UUG), codifica para el aminoácido metionina y está localizado al inicio de la región codificante. Los pares de bases que conforman la secuencia Shine-Dalgarno son 5′-AGGAGG-3′ (Imagen 10).
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
La subunidad 30S es la que se une directamente al sitio de unión al ribosoma. Esta subunidad no puede iniciar la síntesis por sí sola, requiere la ayuda de proteínas adicionales denominadas Factores de iniciación (IF). Estos factores se unen a la subunidad menor y se separan cuando esta se une a la subunidad 50S. En procariotas existen tres factores de iniciación que son necesarios para que el RNAm y el RNAt entren al complejo de iniciación:
- IF-1: Se une al complejo cerca del sitio A del ribosoma. Previene la entrada del aminoacil-RNAt.
- IF-2: Se une a un iniciador especial del RNAt cargado con la formil metionina y controla su entrada al ribosoma.
- IF-3: Estabiliza a la subunidad 30S e inhibe la unión prematura de la subunidad 50S. Permite que la subunidad 30S se una a los sitios de inicio en el ARNm.
Cada uno de estos factores se va uniendo por etapas hasta formar el complejo de iniciación. Primero, la subunidad 30S, junto con los factores IF-1 e IF-3, se une al RNAm en el sitio de unión al ribosoma, que se encuentra cerca del sitio de inicio de la traducción (Imagen 11).
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
Una vez posicionada en el sitio de unión al ribosoma, el factor IF-2 se une a la subunidad menor, cabe mencionar que este factor se encuentra unido al RNAt que lleva el aminoácido formil metionina (Imagen 12). En procariotas, el primer aminoácido que se une es una metionina modificada. Esto es para diferenciar el codón de inicio de aquel que codifica para el aminoácido metionina.
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
Una vez que se ha unido el factor IF-2 junto con el RNAt a la subunidad menor del ribosoma, todo esta listo para que se una la subunidad mayor. Para ello es necesario que los otros factores se desacoplen y esto lo hacen mediante la hidrólisis del GTP (Imagen 13).
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
En este punto ya se tiene ensamblado el ribosoma y el RNAt cargado con el primer aminoácido se encuentra localizado en el sitio P, quedando libre el sitio A y el sitio E. Con esto se termina la etapa de iniciación y comienza la de elongación.
Elongación
El primer paso en la etapa de elongación es la entrada de un nuevo ARNt, la cual es mediada por la presencia del factor de elongación EF-Tu, el cual es una proteína monomérica de unión a GTP. Esta activo cuando se encuentra unido a GTP e inactivo cuando se une a GDP. Este factor, EF-Tu, solo se asocia al ribosoma durante el proceso de entrada del RNAt al sitio A. Una vez que el RNAt está en su lugar, EF-Tu se desacopla del ribosoma y repite el ciclo con otro RNAt. Una vez posicionado el segundo RNAt en el sitio A, el aminoácido es transferido al RNAt presente en el sitio A, dejando libre al RNAt del sitio P. En este momento, se genera el enlace peptídico entre los dos aminoácidos (Imagen 14). Esta reacción se denomina peptidil transferasa y la lleva a cabo la subunidad 50S del ribosoma (Imagen 15).
Tomado de Alberts B. et al. (2015).
Tomado de Alberts B. et al. (2015).
Una vez realizado el enlace, el ribosoma se transloca 3 nucleótidos hacia adelante. De esta manera, el RNAt en el sitio P se mueve al sitio E, el que estaba en el sitio A se mueve al P quedando libre el sitio A para recibir un nuevo RNAt. Durante la translocación, la subunidad 50S se mueve primero y después la subunidad 30S. El proceso de translocación requiere la participación de factores de elongación y de GTP. Uno de estos factores es el EF-G, el cual se une al ribosoma para facilitar la translocación. Una vez que se mueve el ribosoma, este factor se desacopla y para ello requiere la hidrólisis del GTP. Cabe mencionar que los factores EF-Tu y EF-G no pueden unirse al ribosoma al mismo tiempo, es decir, su unión es excluyente. Primero debe desacoplarse EF-Tu para que se pueda unir EF-G y viceversa (Imagen 16).
Tomado de Alberts B. et al. (2015).
Terminación
La terminación de la traducción está señalada por la aparición del condón de paro en el sitio A del ribosoma. Son 3 los codones de terminación UAG (llamado ámbar) UAA (llamado ocre) y UGA (llamado ópalo). Estos codones no especifican para ningún aminoácido, por lo que no atraen a ningún RNAt. Cualquiera de estos tres codones es necesario y suficiente para terminar la traducción. En los genes bacterianos el codón UAA es el más utilizado como codón de paro. A esto se le conoce como preferencia de codones y lo mismo sucede para los otros codones que si especifican para un aminoácido en particular. Lo anterior se refiere a que en distintos organismos un determinado codón es el más utilizado para un aminoácido y en otros se prefiere otro codón para el mismo aminoácido.
La terminación se lleva a cabo en dos etapas, la primera corresponde a la liberación del polipéptido del último RNAt y la segunda a la liberación del RNAt, RNAm y la disociación del ribosoma. Para esto, los codones de terminación son reconocidos por proteínas denominadas Factores de liberación clase I. En bacterias se han identificado dos de estos factores RF1 y RF2. RF1 reconoce al codón UAA y RF2 reconoce a los codones UGA y UAA. Estos factores actúan en el sitio A del ribosoma y ayudan a liberar la cadena polipeptídica y a desensamblar el ribosoma. Además, estos factores requieren la asistencia de los factores de liberación clase II, los cuales no reconocen a ningún codón. Este factor se denomina RF3 en bacterias y se encarga de liberar a FR1 y RF2 del ribosoma.
El mecanismo de terminación se da de la siguiente manera: primero, RF1 o RF2 reconocen el codón de paro, luego, activan al ribosoma para hidrolizar el enlace entre el RNAt y el polipéptido. Posteriormente, RF1 o RF2 son liberados del ribosoma por la acción de RF3, el cual utiliza el mismo sitio de unión que los factores de elongación (Imagen 17).
Una vez desacoplado el ribosoma, cada subunidad esta lista para unirse nuevamente al sitio de inicio de la traducción y así comenzar con un nuevo ciclo de traducción. Esto continúa mientras el RNAm se encuentre disponible y depende de la estabilidad del mismo Con esto terminamos el proceso de traducción en procariotas. En la siguiente sección se abordará el proceso en eucariotas.
Traducción en eucariotas
El proceso de traducción en eucariotas es muy similar a como ocurre en procariotas, lo que cambia es el orden y el número de factores involucrados, así como los sitios de reconocimiento en donde se va a unir el ribosoma. De igual manera el proceso de traducción se divide en 3 etapas: iniciación, elongación y terminación. Veamos la primera etapa, la iniciación.
Iniciación
En eucariotas la subunidad 40S reconoce el extremo 5′ del RNAm que es donde se localiza el CAP. Este es necesario para que se de una traducción eficiente del RNAm. Es decir, el CAP sirve como sitio de reconocimiento para la unión de la subunidad menor del ribosoma. Además, también se requiere la unión de varios factores de iniciación, incluyendo proteínas que reconocen al CAP.
El proceso comienza cuando la subunidad menor se une al ARNm en el extremo 5′, donde se localiza el CAP, posteriormente va leyendo hasta que se encuentra el codón de inicio. Este solo funciona como inicio cuando está en el contexto adecuado. Las bases importantes son las que están en la posición -4 y +1 a partir del codón de inicio de la traducción. Estas bases conforman lo que se conoce como secuencia de Kozak (Imagen 18).
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
Para que la subunidad menor sea capaz de unirse al CAP y posteriormente desplazarse hasta el codón de inicio de la traducción, se requiere de la participación de varios factores de iniciación. En eucariotas son aproximadamente 12 factores y se nombran de la misma manera que los procariotas solo anteponiendo una letra «e» al nombre (Ejem. eIF1, eIF2, eIF3, etc.). Estos participan en todo el proceso de iniciación.
A diferencia de los procariotas, en los eucariotas el RNAt iniciador cargado con metionina, se une a la subunidad menor del ribosoma antes de su unión con el RNAm. También se une el factor eIF-2. Por otro lado, en el extremo 5′, donde se localiza el CAP, se unen los factores eIF4G y eIF4E los cuales van a ayudar a la subunidad menor a reconocer el CAP y a unirse a él. Adicionalmente, en el extremo 3′ del RNAm se unen las proteínas de unión al PoliA las cuales van a interactuar con eIF4G (Imagen 19).
La formación de este complejo en el 5′ ayuda a la subunidad menor a unirse al CAP y a comenzar el escaneo en busca del condón de inicio de la traducción (Imagen 19). La subunidad menor se mueve a lo largo de la secuencia del ARNm hasta encontrar el codón de inicio, el cual es localizado gracias al anticodón del RNAt que se encuentra unido a la subunidad menor en el sitio P de la misma (Imagen 20).
Tomado de Alberts B. et al. (2015).
La formación de este complejo en el 5′ ayuda a la subunidad menor a unirse al CAP y a comenzar el escaneo en busca del condón de inicio de la traducción (Imagen 19). La subunidad menor se mueve a lo largo de la secuencia del ARNm hasta encontrar el codón de inicio, el cual es localizado gracias al anticodón del RNAt que se encuentra unido a la subunidad menor en el sitio P de la misma (Imagen 20).
Elongación y terminación
La etapa de elongación y terminación se lleva a cabo de la misma manera que sucede en procariotas, la única diferencia son los factores que participan en el proceso. De igual manera se requiere de un factor que acarree a los RNAt hacia el sitio A del ribosoma, de un factor que ayude en su translocación y de un factor que se una al codón de terminación. Estos factores son eEF1α que se encarga de acarrear a los RNAt, eEF2 que ayuda a la translocación del ribosoma utilizando la hidrólisis del ATP y eRF1 que reconoce a los tres codones de terminación y se une a ellos (Imagen 14-17). Estas dos etapas se llevan a cabo de manera similar a como sucede en procariotas.
Polirribosomas
Como se vio, en procariotas el RNAm es transcrito y traducido en el mismo sitio, por lo que los dos procesos ocurren de forma simultánea. En eucariotas, la síntesis y la maduración del RNAm se dan en el núcleo mientras que la traducción ocurre en el citosol. Debido a esto, el RNAm eucariota es relativamente más estable que el procariota y continua su traducción por varias horas. Mientras que en procariotas el extremo 5′ del RNAm comienza a degradarse incluso antes del que el extremo 3′ sea transcrito. Por lo tanto, el RNAm debe traducirse lo más pronto posible, tanto en procariotas como en eucariotas, y para ello los ribosomas son capaces de unirse uno tras otro generando lo que se conoce como polirribosomas (Imagen 21). Esto acelera el proceso de traducción para generar la mayor cantidad de polipéptido posible.
A manera de resumen y para reforzar los conocimientos adquiridos en esta clase te invito a que visualices el siguiente video.
Posteriormente, realices la actividad interactiva en el siguiente sitio titulado Transcribe and Translate a Gene.
Conclusión
En resumen, en esta clase conociste el proceso de traducción tanto en procariotas como en eucariotas. Como pudiste observar existe mucha similitud del proceso en ambos sistemas, siendo los factores que participan la mayor de las diferencias, así como la manera en que es localizado el codón de inicio de la traducción. También se abordó el código genético, sus características y cómo es utilizado para cambiar la secuencia de pares de bases a secuencia de aminoácidos. Se vio lo que es el codón y el anticodón y como el RNAt identifica la secuencia correcta en el RNA mensajero. Es importante recordar que en eucariotas la subunidad menor requiere la presencia del CAP para poder identificar el extremo 5′ mientras que en procariotas la secuencia Shine-Dalgarno es la que se utiliza principalmente como sitio de unión al ribosoma.
Con esta clase terminamos de revisar cada una de las etapas del Dogma Central de la Biología Molecular: la replicación, la transcripción y la traducción. El conocer como se llevan a cabo estos procesos es de gran importancia porque sientan las bases del funcionamiento de muchas de las técnicas que se utilizan en el laboratorio, así como de los procesos de regulación que se verán en clases posteriores.
Hemos llegado al final de la sesión y no me resta más que felicitarte por llegar hasta esta parte del curso. Te invito a que continúes con tu proceso formativo realizando la tarea asignada y mandarla como corresponde. Te encuentro en la próxima clase donde comenzaremos a ver el proceso de regulación, es decir, como se encuentra regulada la expresión de genes.
Fuentes de información
- Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018). Lewin’s Genes XII. Editorial Jones and Bartlett
- Alberts B. et al. (2015). Molecular Biology of the cell. Garland Science