Organización general de las células: Citosol y sistema de

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Organización general de las células: Citosol y sistema de endomembranas
Resumen
Tema 11. Ribosomas. Estructura de los ribosomas libres y asociados a membranas. Ribosomas en
células eucariotas y procariotas. Polirribosomas. Introducción a la síntesis de proteínas desde la
perspectiva del ribosoma. Destino de las proteínas sintetizadas en los ribosomas
1. Ribosomas. Estructura de los ribosomas libres y asociados a membranas
•
•
Sustancia cromidial, material basófilo (Garnier, 1900).
Basofilia: difusa, grumos y localizada.
Los ribosomas son partículas compactas, adheridas o no a la cara externa de la membranas del RE,
que aseguran la síntesis de proteínas uniéndose a los aminoácidos en un orden predeterminado.
(Claude y Palade, 1953).
•
•
•
•
Son muy numerosos y existen en todas las células, excepto en espermatozoides maduros y en los
eritrocitos son muy escasos. Aparecen:
- Adheridos a la cara externa de la membrana del RE mediante la subunidad mayor y mediado por
dos glucoproteínas, riboforina I y II.
- Adheridos a la envoltura nuclear externa.
- Libres en el citosol, pudiendo encontrarse aislados o formando polisomas o polirribosomas.
El hecho de que estén libres o fijos, hace que las proteínas sintetizadas por ellos tengan distintos
destinos finales.
Ciertas proteínas ribosomales son necesarias para la unión de la subunidad pequeña a la mayor
(proteínas estructurales) y otras son necesarias para la síntesis proteica (proteínas funcionales).
En las células eucariotas, las subunidades ribosomales son sintetizadas en el núcleo.
1.1. Recambio de los ribosomas
•
La destrucción de los ribosomas parece ocurrir al azar, sin depender de la antigüedad del ribosoma.
2. Ribosomas en células procariotas y eucariotas
2.1. Procariotas
2.2. Eucariotas
•
•
Ribosomas de plastos: 70S.
Ribosomas mitocondriales: 55S - 60S. La subunidad mayor presentan un RNA 4S, equivalente al 5S.
3. Polirribosomas
•
•
•
Los ribosomas se asocian en grupos mediante un filamento de mRNA de unos 2 nm de espesor para
realizar cualquier tipo de síntesis proteica.
El número de ribosomas de un polisoma y la longitud del mRNA que los une depende del peso
molecular de la proteína a sintetizar.
Las bacterias poseen una velocidad de síntesis proteica mayor.
4. Introducción a la síntesis de proteínas desde la perspectiva del ribosoma
•
•
•
•
La traducción del mRNA en proteínas depende de moléculas adaptadoras que pueden reconocer y
unirse tanto al codón como al aminoácido, los tRNA.
El código genético es redundante (diferentes codones determinan un mismo aminoácido):
- Muchos de los aminoácidos tienen más de un tRNA
- Algunas moléculas de tRNA pueden aparearse con más de un codón (balanceo).
El reconocimiento y la unión del aminoácido correcto dependen de las aminoacil-tRNA sintetasas.
En el proceso de traducción las sintetasas son tan importantes como los tRNA, es la acción combinada
de sintetasas y tRNA la que permite asociar cada codón de la molécula de mRNA con su aminoácido
correspondiente.
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Resumen Tema 11: Los ribosomas
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4.1. Decodificación del mensaje del ARN
•
La traducción cuidadosa y rápida de un mRNA a proteína requiere una gran maquinaria molecular, el
ribosoma:
• Subunidad pequeña enlaza los tRNA a los codones del mRNA.
• Subunidad grande cataliza la formación de los enlaces peptídicos que unen los aminoácidos
entre si.
¿Pero cómo puede el ribosoma orquestar los movimientos necesarios para la traducción?
•
Un ribosoma presenta cuatro lugares de unión para moléculas de RNA: uno es para el mRNA y tres
(llamados sitios A, P y E) son para moléculas de tRNA.
- Inicio de la síntesis proteínas
• La traducción del mRNA se inicia con AUG y necesita un metionina-tRNA (bacterias usan
formilmetionina).
• Los mRNA procariotas son policistrónicos
• Los mRNA eucariota son monocistrónicos.
- Proceso de elongación de la síntesis de proteínas
- Terminación de la síntesis de proteínas
•
Chaperonas: identifican las proteínas al ser sintetizadas y las van plegando correctamente sintetizando.
5. Destino de las proteínas sintetizadas en los ribosomas
- Ribosomas libres:
• Proteínas solubles del citoplasma fundamental.
• Proteínas periféricas de la membrana plasmática (enzimas, actina, espectrina, etc.).
• Proteínas mitocondriales.
• Proteínas para los plastos.
• Proteínas del interior de los peroxisomas (catalasa, oxidas de aminoácidos, etc.).
• Proteínas nucleares (histonas, láminas, etc.)
- Ribosomas del retículo endoplasmático rugoso: diferentes destinos (sistema de endomembranas).
•
Las proteínas recién sintetizadas pueden poseer uno o varios péptidos señal (secuenciales), que sirven
para clasificarlas.
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Tema 11. Ribosomas. Estructura de los ribosomas libres y asociados a membranas.
Ribosomas en células eucariotas y procariotas. Polirribosomas. Introducción a la síntesis de
proteínas desde la perspectiva del ribosoma. Destino de las proteínas sintetizadas en los
ribosomas
1. Ribosomas. Estructura de los ribosomas libres y asociados a membranas
Con microscopía óptica se observa en el citoplasma de muchas células un material basófilo,
denominado por Garnier (1900) sustancia cromidial. Garnier notó que la sustancia cromidial variaba
de unas células a otras y, dentro de una misma célula, se incrementaba al aumentar el trabajo que
debía realizar esa célula; p. ej., en las células acinares pancreáticas la basofilia era más aparente al
aumentar la actividad secretora.
Para designar este material se suele utilizar el término basofilia, que significa apetencia por
colorantes básicos, como hematoxilina. La basofilia viene causada por los ribosomas que, al estar en
número considerable, hacen que el colorante básico absorbido sea perceptible al microscopio óptico;
sin especificar si los ribosomas están libres o adheridos a membranas, formando retículo
endoplasmático rugoso (RER). Así, puede decirse que las células del páncreas son muy basófilas
(contienen mucho RER) y que también lo es un eritroblasto (contiene muchos ribosomas libres). En
general, la basofilia se manifiesta como: a) difusa, extendiéndose por todo el citoplasma, como en
células embrionarias, células plasmáticas o eritroblastos; b) en grumos, formando grumos distribuidos
por el citoplasma, como ocurre en hepatocitos y neuronas, y c) localizada, ocupando ciertas áreas del
citoplasma, como p. ej., la base de las células acinares del páncreas.
Los ribosomas son partículas compactas, adheridas o no a la cara externa de las membranas
del RE, que aseguran la síntesis de proteínas uniéndose a los aminoácidos en un orden
predeterminado. Su hallazgo fue posible gracias al microscopio electrónico (Claude y Palade, 1953).
Se aislaron por centrifugación diferencial (a 100.000 g en gradiente de sacarosa 0,25M y Cl2Mg),
determinándose su morfología y composición en procariotas y eucariotas. Constan de dos
subunidades (mayor y menor):
•
La subunidad menor consta de:
•
Cabeza: abarca un tercio de la subunidad.
•
Base: Abarca dos tercios de la subunidad.
•
Plataforma: separada de la cabeza por una cavidad o hendidura.
La cabeza y la base se encuentran separadas por una pequeña constricción.
•
La subunidad mayor consta de:
•
Protuberancia central: situada entre el tallo y la cresta.
•
Tallo: proyección alargada.
•
Valle: situado entre protuberancia central y cresta.
•
Cresta: proyección corta.
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Ensambladas las dos subunidades la protuberancia central queda alineada con la cabeza.
Existen diferencias entre los ribosomas de células procariotas y eucariotas.
Una célula típica contiene en su citoplasma millones de ribosomas. Existen en todas las
células, excepto en espermatozoides maduros y en los eritrocitos son muy escasos. Pueden situarse:
•
Adheridos a la cara externa de la membrana del RE mediante la subunidad mayor y mediado
por dos glucoproteínas, riboforina I y II.
•
Adheridos a la envoltura nuclear externa.
•
Libres en el citosol, pudiendo encontrarse aislados o formando polisomas o polirribosomas.
El hecho de que estén libres o fijos, hace que las proteínas sintetizadas por ellos tengan
distintos destinos finales. Las proteínas sintetizadas por ribosomas libres quedan en el citosol;
mientras que las sintetizadas por ribosomas adheridos a RE se transfieren a su lumen para ser
destinadas posteriormente a otros orgánulos intracelulares o ser expulsadas fuera de la célula, pero
nunca quedan libres en el citosol.
En la síntesis proteica se requiere la unión de una subunidad mayor y otra menor, pero no es
necesario que sean siempre las mismas, como se demuestra mediante isótopos radiactivos, que
marcan una sola subunidad. Al terminar de fabricar una cadena proteica, ambas subunidades se
separan y cuando se vuelven a unir las subunidades mayores con las menores para iniciar una nueva
cadena, estas uniones ocurren al azar entre el "pool" (o reservorio) de subunidades; por ello es
altamente improbable que vuelvan a coincidir las parejas que formaron parte del ribosoma anterior.
Ciertas proteínas ribosomales son necesarias para la unión de la subunidad pequeña a la mayor
(proteínas estructurales) y otras son necesarias para la síntesis proteica (proteínas funcionales).
Se ha conseguido sintetizar proteínas uniendo los dos tipos de subunidades ribosómicas,
cada tipo procedente de un individuo diferente. También se ha logrado esta síntesis uniendo dos tipos
de subunidades procedentes de especies afines, como la subunidad de 50S de Bacillus subtilis con la
de 30S de Escherichia coli, aunque en este caso el rendimiento era mucho menor. Otro experimento
efectuado ha sido unir los ribosomas de una especie con el citosol de otras especies, observándose
que sólo se realizaba la síntesis proteica cuando ambas especies eran muy afines.
En las células eucariotas, las subunidades ribosomales son sintetizadas en el núcleo, por
asociación del rRNA recién transcrito con las proteínas ribosomales, las cuales han sido
transportadas al núcleo tras ser sintetizadas en el citoplasma. Después, las subunidades ribosomales
individuales son reexportadas al citoplasma para que participen en la síntesis de proteínas.
1.1. Recambio de los ribosomas
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Los ribosomas deben tener una duración limitada; ya que las células con gran cantidad de
ribosomas presentan nucléolo durante toda su vida (como las células acinares del páncreas). Si los
ribosomas no se gastaran, no habría necesidad de seguirlos fabricando. Además, estas células van
perdiendo la basofilia cuando llevan mucho tiempo sintetizando proteínas. Estos hechos parecen
indicar la limitación temporal de la existencia de los ribosomas. De la que, no obstante, no se conoce
su duración. La destrucción de los ribosomas parece ocurrir al azar, y no depende, por tanto, de la
antigüedad del ribosoma.
2. Ribosomas en células procariotas y eucariotas
2.1. Procariotas
Los ribosomas de procariotas, concretamente de Escherichia coli, han sido bien estudiados.
Los ribosomas completos son de 70S y tienen un peso molecular de unos 2.500 kDa. En la
composición de los ribosomas entran a formar parte rRNA (65%) y proteínas ácidas y básicas (35%).
El rRNA forma un doble helicoide en un 60% de su longitud, y quedaría por fuera rodeando la
proteína, de ahí la basofilia. La subunidad mayor (50S) presenta tres salientes a modo de picos.
Contiene una molécula de RNA de 23S y otra de 5S. La subunidad menor (30S) muestra dos lóbulos
y contiene RNA de 16S. Hay 21 proteínas en la subunidad menor y 34 en la mayor, y sólo una de
ellas es común a ambas subunidades. Casi todas las proteínas son ricas en aminoácidos básicos y
su peso molecular está entre 10 y 30 kDa. Hay agentes inhibidores de la síntesis proteica ribosomal
en procariotas que actúan igualmente en eucariotas; es el caso de la puromicina y la actinomicina D.
Otros agentes, como el cloranfenicol, la eritromicina, la estreptomicina y la rifamicina, son inhibidores
específicos de los ribosomas de procariotas.
2.2. Eucariotas
Los ribosomas de eucariotas tienen aproximadamente 80S y un peso molecular de unos
4.200 kDa, aunque existen pequeñas diferencias entre especies. En eucariotas el rRNA, que es el
70% de todo el RNA de la célula, constituye el 40% del peso del ribosoma. La composición en bases
de este rRNA es diferente a la del rRNA de procariotas. La subunidad mayor (60S) tiene un RNA de
28S, otro de 5,8S y otro de 5S. La subunidad menor tiene un RNA de 18S, aunque hay pequeñas
variaciones dependiendo del organismo en particular. Las proteínas ribosomales difieren de las de
procariotas. Hay 33 proteínas en la subunidad menor y 49 en la subunidad mayor, y la mayoría de las
proteínas de cada subunidad (o posiblemente todas) son diferentes de las presentes en la otra
subunidad. La síntesis proteica de estos ribosomas es inhibida por agentes que también inhiben la
síntesis proteica en procariotas (como puromicina y actinomicina D) y por inhibidores específicos,
como la alfa-amanitina, la anisomicina y la cicloheximida.
En eucariotas también hay ribosomas en las mitocondrias y en los plastos que se asemejan a
los de procariotas y, como ellos, son inhibidos por cloranfenicol. Los ribosomas de los plastos son
muy semejantes a los ribosomas procarióticos y, como éstos, tienen 70S. Los ribosomas
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mitocondriales difieren de ellos en ciertos aspectos. En células animales, los ribosomas
mitocondriales son menores que los ribosomas de bacterias y varían algo de unas especies a otras
(entre 55S y 60S). Por el contrario, en levaduras y ciliados, los ribosomas mitocondriales suelen ser
mayores que los de procariotas. En la subunidad mayor presentan un RNA de 4S, equivalente al de
5S presente en los ribosomas de procariotas y en los ribosomas citoplasmáticos de eucariotas.
3. Polirribosomas
Para la síntesis de proteínas, los ribosomas se asocian en grupos mediante un filamento de
mRNA de unos 2 nm de espesor, formando polirribosomas o polisomas, que suelen adoptar una
configuración en espiral, con la subunidad menor dispuesta hacia el interior de la espiral. El filamento
de mRNA pasa por el surco entre las dos subunidades (aunque más bien queda en la subunidad
menor). Se han propuesto dos modelos de la posición del mRNA respecto a las subunidades de los
ribosomas: entre los dos lóbulos de la subunidad menor, o atravesando ambos lóbulos de la
subunidad menor; esto es, una disposición perpendicular a la de la hipótesis anterior.
Los ribosomas forman polisomas para realizar cualquier tipo de síntesis proteica: tanto la
efectuada por los ribosomas libres, como la realizada por los asociados a membranas (RER). En el
RER la subunidad mayor es la que se adosa a la membrana y el surco entre ambas subunidades es
paralelo a la superficie de la membrana.
El número de ribosomas que forman un polisoma y la longitud del mRNA que los une varían
según el peso molecular de la proteína que se va a sintetizar. Así, para sintetizar un polipéptido de
150 aminoácidos se necesita un mRNA con 450 nucleótidos (3 nucleótidos por aminoácido). Como
cada triplete de nucleótidos mide 1 nm de longitud, para sintetizar los 150 aminoácidos se necesitarán
150 nm de mRNA. Sobre este mRNA se disponen los ribosomas posibles dejando una distancia entre
cada dos ribosomas (entre sus centros) de unos 34 nm. De este modo, un polisoma que sintetice un
polipéptido de 150 aminoácidos consta de unos cinco ribosomas. Esta proporción se mantiene para
cualquier proteína; así, para sintetizar una proteína de 300 aminoácidos, haría falta un mRNA de 300
nm sobre el que se acomodarían unos 10 ribosomas.
La síntesis de la mayoría de las proteínas tarda entre 20 segundos y algunos minutos. Pero
incluso durante este periodo de tiempo tan corto, sobre cada una de las moléculas de mRNA que se
está traduciendo tienen lugar múltiples inicios de traducción. En cuanto el ribosoma ha traducido
una secuencia de nucleótidos que supone un espacio suficientemente grande, un nuevo ribosoma
salta sobre el extremo 5' de la molécula de mRNA. Por ello, las moléculas de mRNA que están siendo
traducidas generalmente se encuentran en forma de polirribosomas. Este inicio múltiple permite que
se puedan sintetizar muchas más moléculas de proteína por unidad de tiempo de las que sería
posible si para poder comenzar la síntesis de una proteína se tuviera que terminar la anterior.
Para la síntesis de proteínas los ribosomas recorren el mRNA desde un extremo a otro (5’ a
3’). Por cada tres nucleótidos recorridos incorporan un aminoácido a la cadena de proteína que están
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sintetizando; aminoácidos que son proporcionados por los tRNAs. Cuando han completado el
recorrido, los ribosomas se liberan del mRNA y sueltan la proteína ya terminada. Mientras se esté
sintetizando proteína, por cada ribosoma que abandona el polisoma en el extremo final, otro se
incorpora en el inicial, de modo que el polisoma mantiene una apariencia estable aunque sus
ribosomas cambien.
Tanto las bacterias como las células eucariotas utilizan polisomas, pero las bacterias pueden
incrementar aún más la velocidad de síntesis proteica. Debido a que el mRNA bacteriano no necesita
ser procesado y es accesible físicamente a los ribosomas a medida que se va sintetizando, los
ribosomas ya se unen al extremo libre de la molécula de mRNA e inician la traducción antes de que
se termine la transcripción del RNA, siguiendo de cerca a la polimerasa en su desplazamiento sobre
el ADN.
4. Introducción a la síntesis de proteínas desde la perspectiva del ribosoma
La traducción del mRNA en proteínas depende de moléculas adaptadoras que pueden
reconocer y unirse tanto al codón como, en otro lugar de su superficie, al aminoácido. Estos
adaptadores son un conjunto de moléculas pequeñas de RNA, conocidas como RNA de
transferencia (tRNA), que tienen unos 80 nucleótidos de longitud.
Normalmente, las moléculas de tRNA se pliegan formando una estructura tridimensional de
doble hélice mediante la formación de pares de bases entre diferentes regiones de la molécula. Las
moléculas de tRNA presentan cuatro segmentos de doble hélice, produciendo moléculas que tienen
un aspecto de hoja de trébol, esquemáticamente. Esa hoja de trébol presenta otro plegamiento
añadido, adquiriendo una estructura compacta en forma de “L” que está estabilizada por enlaces de
hidrógeno adicionales entre diferentes regiones de la molécula.
Hay dos regiones de nucleótidos desapareados, situadas a ambos extremos de la molécula
en forma de “L”, que son cruciales para la función del tRNA en la síntesis de proteínas. Una de estas
regiones forma el anticodón, un conjunto de tres nucleótidos consecutivos que se aparea con el
codón complementario de la molécula de mRNA. El otro es una región corta de cadena sencilla en
el extremo 3' de la molécula; es el lugar donde el tRNA se une al aminoácido que corresponde al
codón.
El código genético es redundante; es decir, que diferentes codones determinan un mismo
aminoácido. Esta redundancia implica o bien que muchos de los aminoácidos tienen más de un tRNA,
o bien que algunas moléculas de tRNA pueden aparearse con más de un codón. De hecho,
realmente ocurren ambas cosas. Algunos aminoácidos tienen más de un tRNA y algunos tRNA están
formados de manera que sólo requieren el apareamiento preciso de las dos primeras posiciones del
codón, tolerando un desapareamiento (denominado balanceo) en la tercera posición. Este balanceo
en el apareamiento de bases explica por qué muchos de los codones alternativos para un aminoácido
solamente se diferencian en el tercer nucleótido. El balanceo en el apareamiento de bases hace
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posible ajustar los 20 aminoácidos a los 61 codones, con únicamente 31 tipos de moléculas de tRNA.
Sin embargo, el número exacto de diferentes tipos de tRNA varía entre unas especies y otras.
Cada molécula de tRNA se une específicamente a su aminoácido correspondiente de los 20
posibles. El reconocimiento y la unión del aminoácido correcto dependen de las aminoacil-tRNA
sintetasas, que acoplan covalentemente cada aminoácido a su conjunto apropiado de moléculas de
tRNA. Hay una sintetasa diferente para cada aminoácido (20 sintetasas en total). Unos nucleótidos
determinados, tanto del anticodón como de la zona de unión al aminoácido, permiten a cada enzima
sintetasa reconocer su tRNA. En el proceso de traducción las sintetasas son tan importantes como
los tRNA, por que es la acción combinada de sintetasas y tRNA la que permite asociar cada codón de
la molécula de mRNA con su aminoácido correspondiente.
La reacción catalizada por la sintetasa que une el aminoácido al extremo 3' del tRNA es una
de las muchas reacciones celulares acopladas a liberación de energía por hidrólisis de ATP, y
produce un enlace de alta energía entre el tRNA y el aminoácido. La energía de este enlace se utiliza
en una etapa posterior para unir covalentemente el aminoácido a la cadena polipeptídica en
crecimiento.
4.1. Decodificación del mensaje del ARN
El reconocimiento de un codón por el anticodón de una molécula de tRNA depende del mismo
tipo de apareamiento complementario de bases que se produce en la replicación y en la transcripción
del ADN. Sin embargo, la traducción cuidadosa y rápida de un mRNA a proteína requiere una gran
maquinaria molecular, el ribosoma; que se desplaza sobre el mRNA capturando moléculas de tRNA
complementarias, manteniéndolas en posición y uniendo los aminoácidos que transportan, para
formar la cadena proteica. La subunidad pequeña enlaza los tRNA a los codones del mRNA, mientras
la subunidad grande cataliza la formación de los enlaces peptídicos que unen los aminoácidos entre
si en la cadena polipeptídica.
Para iniciar la síntesis de una proteína, las dos subunidades se unen sobre una molécula de
mRNA, generalmente cerca de su inicio (extremo 5'). Entonces, el ribosoma se desplaza a lo largo del
mRNA, traduciendo la secuencia de nucleótidos a secuencia de aminoácidos, leyendo codones de
uno en uno y utilizando los tRNA como adaptadores para añadir cada aminoácido en la secuencia
correcta sobre el extremo de la cadena polipeptídica en crecimiento. Finalmente, cuando la síntesis
de la proteína termina, las dos subunidades del ribosoma se separan.
Los ribosomas trabajan con una eficiencia sorprendente: un ribosoma de una célula eucariota
añade 2 aminoácidos por segundo a una cadena polipeptídica y los ribosomas de las células
bacterianas trabajan aún más deprisa, a una velocidad de 20 aminoácidos por segundo
aproximadamente. ¿Pero cómo puede el ribosoma orquestar los movimientos necesarios para
la traducción?
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Un ribosoma presenta cuatro lugares de unión para moléculas de RNA: uno es para el mRNA
y tres (llamados sitios A, P y E) son para moléculas de tRNA. Una molécula de tRNA se mantiene
unida fuertemente en los sitios A y P solamente si su anticodón forma apareamientos de bases
(permitiendo el balanceo) con un codón complementario de la molécula de mRNA que está unida al
ribosoma. Los sitios A y P están suficientemente próximos como para que las dos moléculas de tRNA
estén forzadas a formar apareamientos con codones adyacentes en la molécula de mRNA.
- Inicio de la síntesis proteínas:
El lugar del mRNA donde se inicia la síntesis de proteínas es crucial, ya que determina la
pauta de lectura para todo el mensaje. Un error en esta etapa de un solo nucleótido en cualquiera de
los dos sentidos causará errores de lectura de todos los codones siguientes, de forma que se
producirá una proteína no funcional, cuya secuencia de aminoácidos será completamente errónea. La
etapa de iniciación también es de gran importancia en otro aspecto: es el último punto en el que la
célula puede decidir si el mRNA ha de traducirse y la proteína ha de ser sintetizada; la velocidad de
iniciación determina la velocidad a la que se sintetizará la proteína.
La traducción de un mRNA se inicia con el codón AUG, y se necesita un tRNA especial para
iniciarla. Este tRNA de iniciación transporta el aminoácido metionina (las bacterias usan la
formilmetionina) de modo que todas las proteínas recién sintetizadas tienen metionina como primer
aminoácido en su extremo amino. Frecuentemente esta metionina es eliminada posteriormente por
una proteasa específica. El tRNA de iniciación es distinto al tRNA que normalmente une metionina.
En los eucariotas, el tRNA de iniciación (que está acoplado a la metionina) se carga en primer
lugar en la subunidad pequeña del ribosoma junto con unas proteínas adicionales denominadas
factores de iniciación. De todos los tRNA cargados que hay en la célula, sólo el tRNA de iniciación
es capaz de unirse fuertemente a la subunidad ribosomal pequeña. A continuación, la subunidad
ribosomal cargada se une al extremo 5' de una molécula de mRNA, que es reconocida en parte
gracias a la caperuza que se encuentra en los mRNA eucariotas. A continuación, la subunidad
ribosomal pequeña se desplaza hacia adelante (5' a 3') a lo largo del mRNA buscando el primer AUG.
Cuando lo encuentra, algunos factores de iniciación se liberan de la subunidad ribosomal pequeña
dejando espacio para ensamblar la subunidad ribosomal grande y completar el ribosoma. Dado que el
tRNA de iniciación está unido al sitio P, la síntesis de la proteína puede empezar con la unión del
siguiente tRNA acoplado a su aminoácido.
En bacterias el mecanismo para seleccionar un codón de inicio es diferente. Los mRNA
bacterianos no presentan caperuzas 5' para indicar al ribosoma a partir de dónde comenzar a buscar
el inicio de traducción. Por el contrario, presentan secuencias específicas de unión al ribosoma, de
hasta 6 nucleótidos de longitud, situadas unos cuantos nucleótidos por delante de los AUG donde
comienza la traducción. A diferencia de los ribosomas eucariotas, los ribosomas procariotas pueden
unirse directamente a un codón de inicio que se encuentre en el interior de un mRNA, siempre que el
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lugar de unión al ribosoma esté precedido por una secuencia de unos cuantos nucleótidos. Como
consecuencia de ello, frecuentemente los mRNA procariotas son policistrónicos; es decir, codifican
varias proteínas diferentes, todas ellas traducidas a partir de la misma molécula de mRNA. Por el
contrario, generalmente un mRNA eucariota sólo contiene información para una sola proteína, es
monocistrónico.
- Proceso de elongación de la síntesis de proteínas:
Una vez se ha iniciado la síntesis de la proteína, cada nuevo aminoácido es añadido a la
cadena en crecimiento mediante un ciclo de reacciones:
•
Etapa 1: Un tRNA que transporta el siguiente aminoácido de la cadena se une al sitio A vacante
en el ribosoma mediante el apareamiento de bases con el codón del mRNA expuesto en el sitio
A.
•
Etapa 2: El extremo carboxilo de la cadena polipeptídica se separa del tRNA situado en el sitio P
(por rotura del enlace de alta energía entre el tRNA y su aminoácido) y se une, mediante un
enlace peptídico, al grupo amino libre del aminoácido que está unido al tRNA en el sitio A. Esta
reacción central de la síntesis de proteínas está catalizada por una enzima con actividad
peptidiltransferasa, que forma parte del ribosoma. En este caso parece que la parte catalítica
del ribosoma no es una de las proteínas sino uno de los rRNA de la subunidad mayor. Se cree
que la reacción peptidiltransferasa va acompañada por un desplazamiento de la subunidad
grande respecto a la subunidad pequeña, la cual permanece unida al mRNA. Este
desplazamiento mueve los dos tRNA a los sitios E y P de la subunidad grande.
•
Etapa 3: La subunidad pequeña se desplaza exactamente 3 nucleótidos a lo largo de la molécula
de mRNA, recuperando su posición inicial respecto a la subunidad mayor, y liberando el tRNA
que ocupaba el sitio E.
Este ciclo completo, de tres etapas, se repite cada vez que un aminoácido es añadido a una
cadena polipeptídica, desde su extremo amino a su extremo carboxilo, hasta que se encuentra un
codón de paro.
- Terminación de la síntesis de proteínas:
El extremo del mensaje codificador de una proteína está indicado por la presencia de algún
codón de entre varios de ellos (UAA, UAG o UGA) denominados codones de paro. Estos codones
no son reconocidos por ningún tRNA y no especifican ningún aminoácido, sino que le indican al
ribosoma que termine la traducción. Unas proteínas denominadas factores de liberación se unen a
cualquier codón de paro que alcance el sitio A del ribosoma, y esta unión altera la actividad catalítica
peptidiltransferasa del ribosoma, haciendo que ahora catalice la incorporación, al peptidil-tRNA, de
una molécula de agua en lugar de un aminoácido.
Esta reacción libera el extremo carboxilo del polipéptido en crecimiento de su unión a la
molécula de tRNA y, dado que es el único punto de unión del polipéptido en crecimiento al ribosoma,
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la proteína completa queda liberada inmediatamente en el citoplasma. El ribosoma libera el mRNA y
se disocia en dos subunidades separadas, que pueden ensamblarse de nuevo sobre otra molécula de
mRNA e iniciar una nueva ronda de síntesis de proteínas.
Muchas proteínas pueden plegarse espontáneamente adquiriendo su forma tridimensional y
la mayoría de ellas lo hacen mientras están siendo sintetizadas por el ribosoma. Sin embargo, para
plegarse correctamente algunas proteínas necesitan chaperonas. Las chaperonas identifican estas
proteínas cuando comienzan a ser sintetizadas por el ribosoma y las van plegando correctamente a
medida que se van sintetizando.
5. Destino de las proteínas sintetizadas en los ribosomas
Las proteínas sintetizadas por los ribosomas libres pueden ser: proteínas solubles del
citoplasma fundamental, proteínas periféricas de la membrana plasmática (enzimas, actina,
espectrina, etc.), proteínas con destino a las mitocondrias, proteínas para los plastos, proteínas del
interior de los peroxisomas (catalasa, oxidas de aminoácidos, etc.), proteínas nucleares (histonas,
láminas, etc.). Las proteínas sintetizadas en los ribosomas del retículo endoplasmático rugoso
también tienen diferentes destinos.
Las proteínas recién sintetizadas pueden poseer uno o varios péptidos señal, que sirven para
clasificarlas de acuerdo con su destino y determinan dónde deben ser exportadas: al RER, a las
mitocondrias, cloroplastos, peroxisomas, lisosomas o al núcleo, ya que en la membrana de esos
orgánulos existen receptores específicos para cada péptido señal. La ausencia de péptidos señal
determina que la proteína quede en el hialoplasma.
Cuando hay un solo péptido señal éste suele ser aminoterminal y se ancla en la membrana
del orgánulo correspondiente, pero, a menudo, la proteína puede pasar del RER al complejo de Golgi,
o del citoplasma fundamental a la membrana mitocondrial externa y de ésta a la matriz mitocondrial.
Entonces, este péptido viene seguido por otro o mas péptidos señal de modo que, una vez eliminado
el primer péptido señal, el segundo quede en posición amino terminal marcando el próximo destino, y
así sucesivamente hasta que la proteína llegue a su destino final.
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Resumen Tema 11: Los ribosomas