FLUJO DE INFORMACIÓN Y SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

FLUJO DE INFORMACIÓN Y SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR.
El “Dogma Central” de la biología molecular, postulado en 1958 por Francis
Crick establece que es posible la transferencia de información de unos ácidos
nucleicos a otros o de ácidos nucleicos a proteínas, pero que no es posible la
transferencia de información entre proteínas o de proteínas a ácidos nucleicos. El
dogma central se propuso en un periodo en el que el principal problema de la
biología molecular residía en el establecimiento de las reglas generales para la
transferencia de información de un polímero a otro, cada uno con “alfabeto”
diferente. Con el dogma central se definieron los tres procesos fundamentales de
la preservación y la transmisión de la información genética: la replicación, la
transcripción y la traducción.
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La replicación del DNA, para formar nuevas cadenas complementarias.
La transcripción, proceso mediante el cual se sintetiza RNA complementario
a una cadena de DNA.
La traducción, proceso por el cual la información genética contenida en las
secuencias nucleotídicas del RNA mensajero es descifrada para dirigir la
síntesis de las cadenas polipeptídicas correspondientes.
En 1970 apareció en la revista “Nature” un editorial titulado “El dogma
central se invierte”, en el que se hacía referencia a los trabajos realizados por
Temin y Mizutani, por una parte, y Baltimore por otra, respecto a los virus cuyo
material genético es RNA. Estos autores encontraron que estos virus contienen
una enzima llamada transcriptasa reversa, la cual utiliza el RNA viral como molde
para la síntesis de DNA y revierte así la dirección de la transcripción genética
conocida hasta entonces. Esta transferencia especial no parece presentarse en
bacterias, pero la transcriptasa reversa se ha encontrado en algunas células
eucariotas como los espermatozoides y los macrófagos.
De esta manera, el esquema del dogma central se define actualmente de la
siguiente manera:
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1
DNA
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RNA
Proteínas
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TRADUCCIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO (SÍNTESIS DE PROTEÍNAS)
La traducción exacta del mensaje genético codificado en el RNA m requiere
interacciones apropiadas de los tres tipos de RNA y varias proteínas estructurales,
reguladoras y catalíticas. Los procesos moleculares que intervienen en la síntesis
de proteína son complejos, y aunque se sabe bastante acerca de muchos de ellos
individualmente, en realidad no es posible reunir todas las piezas y comprender
toda la labor de la traducción en su totalidad. La omisión de cualquier componente
o su malfuncionamiento puede impedir la síntesis de una proteína o hacer que el
polipéptido no sea funcional por una o más razones. Esta sola observación
demuestra claramente que todas las partes del mecanismo de la traducción
actúan de manera concertada para asegurar la síntesis exacta del producto de un
gen codificado. En general, son 4 los procesos que toman lugar para la síntesis de
una proteína: activación de los aminoácidos, iniciación, elongación, y terminación.
1. Activación de Aminoácidos.
Los aminoácidos libres no pueden participar en la síntesis de proteínas sino
hasta que han sido elevados a un nivel de energía suficientemente alto para las
reacciones de polimerización. Además, la inserción del aminoácido correcto en su
localización correcta en una cadena polipeptídica en crecimiento se verifica por
mediación de su RNAt específico, el cual constituye un componente del
mecanismo de reconocimiento que respalda la exactitud de la traducción. La
reacción que proporciona energía o activa al aminoácido a su forma aminoacilo
(de mayor energía) y la reacción que une al residuo aminoacilo a su portador
específico RNAt son catalizadas por la misma enzima, denominada aminoacilRNAt sintetasa. Existe por lo menos una sintetasa para cada uno de los 20
aminoácidos en el código genético.
La sintetasa impulsa la primera reacción por acoplamiento con hidrólisis de
ATP para producir un intermediario de alta energía llamado aminoacil-adenilato.
Este intermediario permanece unido a la enzima hasta la segunda reacción, en la
cual el grupo carboxilo del residuo aminoacilo se une al nucleótido A en el extremo
3’ del RNAt (Fig. 13.36). Un RNAt específico recibe el nombre del aminoácido que
puede transportar; por ejemplo, RNAtLeu es el RNAt transportador de leucina. Cada
aminoacil-RNAt se identifica por su residuo aminoacilo y su RNAt; así, Leu-RNAtLeu
es el leucil-RNAt que es transportado al ribosoma para la incorporación de leucina
en la cadena polipeptídica en crecimiento.
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2. Proceso de Iniciación de la Síntesis de Proteínas.
Para el inicio de la traducción se requiere la formación de un complejo de
inicio, el cual consta de la subunidad pequeña del ribosoma, RNAm y el iniciador
específico aminoacil RNAt (Fig. 13-48). Además, deben estar presentes proteínas
como factores de inicio y enlazarse a la subunidad pequeña del ribosoma. En las
células bacterianas hay tres factores de inicio (IF1, IF2, IF3), pero se han hallado 8
ó más de estas proteínas en los reticulocitos de mamíferos (todos los factores de
inicio en eucariotes se designan por el prefijo “e”, como en eIF1).
En eucariotes, el iniciador aminoacil-RNAt específico transporta metionina
(Met), y en procariotes, mitocondrias y cloroplastos, el iniciador transporta una
metionina modificada, N-formilmetionina (f-Met). Este iniciador aminoacil-RNAt
reconoce el codón de inicio AUG. Aunque Met, o fMet, es el primer aminoácido en
ser colocado, posteriormente estos residuos pueden ser fragmentados o
modificados por enzimas específicas. Por tanto, al amino terminal de una cadena
peptídica puede tener algún aminoácido diferente de Met o fMet, dependiendo de
los procesos posteriores.
No se conoce con certeza la función de IF1 en el inicio de la cadena
bacteriana, pero se sabe que IF2 contribuye a la colocación del iniciador
aminoacil-RNAt en el sitio correcto del complejo subunidad de 30S-RNAm en
bacterias, y el IF3 es necesario para que la subunidad de 30S se una
específicamente al sitio de inicio del RNAm y a ninguna otra parte. Los tres
factores de inicio se disocian del complejo después de que la subunidad grande se
vincula al complejo de inicio y el conjunto está listo para el alargamiento de la
cadena. Cuando el ribosoma se mueve del codón iniciador RNAm al siguiente
triplete codón en la dirección 5’  3’, el RNAm puede continuar participando en la
formación de nuevos complejos de inicio con tal de que su extremo 5’ esté libre.
De este modo, los polisomas se forman cuando ribosomas extra se unen a la
cadena de RNAm y se desplazan hacia el extremo 3’ del mensaje.
3. Proceso de Elongación o Alargamiento de la Cadena Polipeptídica.
Cada ribosoma tiene dos centros activos que amplían la partícula del
monosoma: son el sitio A (sitio de entrada del aminoácido) y el sitio P (sitio
peptidilo). El iniciador aminoacil RNAt es el único que se une primero al sitio P o
sitio P parcial en la subunidad pequeña del ribosoma. Todos los otros aminoacilRNAt entran solamente en el sitio A del monómero ribosómico completo durante el
alargamiento de la cadena.
El segundo aminoácido de la secuencia codificada es llevado al sitio A del
ribosoma por su portador RNAt y entonces el residuo Met o fMet del sitio P se une
al aminoacil-RNAt recién llegado para formar un dipeptidil-RNAt. El RNAtMet libre es
descargado del sitio P, el cual queda disponible para aceptar el dipeptidil RNA t
después de que ha ocurrido una reacción de translocación. Después de la
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translocación del dipeptidil-RNAt al sitio P, el sitio abierto A está libre para aceptar
el siguiente aminoacil-RNAt que llegue. Los procesos de formación del enlace
peptídico y translocación están coordinados y apoyados catalíticamente por
proteínas ribosómicas y RNA. La formación del enlace peptídico es catalizada por
la peptidil-transferasa, situada en la subunidad grande; la translocación es
mediada por un factor de alargamiento que funciona como una translocasa y es
unido a la subunidad grande durante el proceso.
Se han identificado en las células dos factores de alargamiento o elongación.
En las bacterias se llaman EF-Tu y EF-G; sus equivalentes en eucariotes son
denominados eEF1 y eEF2. Ambos factores experimentan asociación y
disociación cíclicas con el ribosoma y median la entrada del aminoacil-RNAt al sitio
A y promueven la translocación del peptidil-RNAt del sitio A al P (Fig. 13.52). Un
total de 3 enlaces de alta energía se deben romper por cada aminoácido añadido
a la cadena polipeptídica en crecimiento durante el alargamiento. Ocurre una
hidrólisis cuando el ATP se desdobla durante la carga del RNA t con su
aminoácido, en la formación del aminoacil-RNAt. Los otros dos enlaces de alta
energía son proporcionados por la hidrólisis de GTP durante el alargamiento de la
cadena: un GTP se desdobla después de que un aminoacil-RNAt se vincula al sitio
A y otro GTP se hidroliza cuando al ribosoma se transloca al siguiente triplete
codón junto con el RNAm. La reacción de translocación se desencadena cuando el
EF-G o el eEF2 se unen al ribosoma y, con la hidrólisis del GTP, el peptidil-RNAt
es translocado al sitio P y el factor de alargamiento se libera para ser reciclado.
Las mismas series de eventos y de factores están implicadas en cada paso del
alargamiento de la cadena, independientemente del polipéptido específico que se
esté sintetizando, lo cual es en verdad un mecanismo muy económico y elegante.
4. Proceso de Terminación de Síntesis de la Cadena Polipeptídica.
Para la terminación de la síntesis de la cadena se requiere la acción de las
proteínas llamadas factores de liberación (FL), que hacen que el ribosoma se una
a los tripletes codones de terminación. En las células eucarióticas se ha
identificado sólo un factor de liberación (eFL), pero hay tres factores en las células
bacterianas. El polipetidil-RNAt debe estar en el sitio P, dado que el FL actúa
únicamente en el sitio A del ribosoma. En las bacterias, el FL1 reconoce los
codones de terminación UAA, y UAG, el FL2 a los codones UAA y UGA, y el FL3
estimula la acción de los otros FL.
La secuencia de terminación implica varias reacciones distintas: (1) liberación
del polipéptido del RNAt terminal, probablemente junto con hidrólisis de GTP, (2)
desprendimiento del RNAt del ribosoma, y (3) separación del ribosoma de la
cadena de RNAm. Después de la liberación de un ribosoma, se disocian las dos
subunidades y regresan al depósito citoplásmico de subunidades para realizar
otros ciclos de síntesis de proteínas. Generalmente no se encuentran monosomas
intactos en las células activas, excepto como partes de polisomas. De hecho, si
las subunidades no se disocian, la síntesis de proteínas se hace lenta o incluso se
detiene a causa de la deficiencia de subunidades pequeñas libres para el inicio y
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de subunidades grandes para los procesos de alargamiento. Al parecer, uno de
los factores de inicio, IF3, ayuda a la disociación de los monosomas en
subunidades por unión a la subunidad pequeña. De este modo, el IF3 ayuda a
disociar monosomas al mismo tiempo que prepara la subunidad pequeña del
ribosoma para otro proceso de inicio de una cadena polipeptídica.
Referencia bibliográfica:
Avers, C.J. 1991. Biología Celular. Grupo Editorial Iberoamérica. Segunda
edición. México, D.F. 748 p.
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