Sintesis de proteinas

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Capftulo

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Sintesis de proteinas

EI ribosoma, representado a la derecha, es una fabrica para la manufactura de polipeptidos. Los aminoacidos se transportan al ribosoma uno a uno, unidos alas moleculas de RNA de transferencia. Cad a aminoacido se une a la cadena polipeptidica en crecimiento que se separa del ribosom a solo una vez que se ha completado. Este ensamblaje por aproximacion en linea permite que incluso cadenas polipeptidicas muy largas se ensamblen rapidamente y con una fidelidad impresionante. [(izquierda) Doug Martin/Photo Researchers).]

L

a importancia de la informacion genetica reside en las proteinas que codifican ya que estas protein as desempefian la mayor parte de las funciones de las celulas. En los Capitulos 28 y 29, hemos estudiado como se replica el DNA y como el DNA se transcribe en RNA. Ahora enfocamos el mecanisme de la sintesis de proteinas, un proceso llamado traduccion debido a que el alfabeto de cuatro letras de los acidos nucleicos se traduce al alfabeto completamente distinto de veinte letras de las proteinas. La traduccion es un proceso conceptual mente mas complejo que la replicacion 0 la transcripcion, porque estos tienen lugar con un mismo lenguaje de apareamiento de bases. Incidiendo en una encrucijada entre los lenguajes de los acidos nucleicos y de las protefnas, el proceso de la sintesis depende de forma critica de ambos tipos de factores, acidos nucleicos y proteinas. La sintesis de protein as se produce en los ribosomas: complejos enormes que contienen tres grandes moleculas de RNA y mas de cincuenta proteinas. Uno de los brillantes triunfos de la bioquimica en los afios recientes ha sido la determinacion de la estructura del ribosoma y sus componentes de modo que su funcion puede ser analizada con detalle atomico. Quiza la conclusion mas significativa de estos estudios es que el ribosoma es un ribozima; es decir, los componentes de RNA desempefian en ellos papeles fundamentales. Esas observaciones refuerzan la idea de que el ribosoma es un superviviente del primitivo mundo de RNA, de modo que el ribosoma es rico en informacion respecto alas etapas muy primitivas de la evolucion biologica.

I

Contenido

I

30.1

La sintesis de proteinas requiere la traducci6n de secuencias de nucle6tidos a secuencias de aminoacidos

30.2

Las aminoacil-tRNA sintetasas interpretan el c6digo genetico

30.3

Un ribosoma es una particula ribonucleoproteica (70S) formada por una subunidad pequena (305) y otra grande (50S)

30.4

Los factores proteicos desempenan papeles clave en la sintesis de las proteinas

30.5

La sintesis de proteinas eucari6ticas difiere de la sintesis de proteinas procari6ticas principalmente en la iniciaci6n de la traducci6n

30.6

Los ribosomas unidos al reticulo endoplasmico elaboran las proteinas de secreci6n y de membrana

30.7

Muchos antibi6ticos y toxinas pueden inhibir la sintesis de las proteinas

858 CAPITULO30 Sintesis de proteinas

Las moleculas de RNA de transferencia (tRNAs), el RNA mensajero, y muchas protein as participan con los ribosomas en la sintesis proteica. Las uniones entre los aminoacidos y los acidos nuc1eicos se realizan al principio por enzimas llamados aminoacil-tRNA sintetasas. Debido a que unen un aminoacido particular a cada tRNA, estos enzimas contribuyen a aplicar el codigo genetico. Este capitulo esta dedicado en principio a la sintesis de protein as en procariotas debido a que ilustra much os principios generales y se conoce bastante bien. Tambien se presentan algunas caracteristicas distintivas de la sintesis de protein as en eucariotas.

30.1 La sfntesis de protefnas requiere la traduccion de secuencias de nucleotidos a secuencias de aminoacidos Las bases de la sintesis de proteinas son las mismas en todos los reinos de la vida, evidenciando el hecho de que el sistema de la sintesis de protein as aparecio muy pronto en la evolucion. Las proteinas se sintetizan en el sentido desde el extrema amino hacia el carboxilo mediante la adicion secuencial de aminoacidos en el carboxilo terminal de la cadena peptidica en crecimiento (Figura 30.1). Los aminoacidos llegan a la cadena en crecimiento en forma activada como aminoacil-tRNAs, creados par la union del grupo carboxilo de un aminoacido con el extremo 3' de la molecula de un RNA de transferencia. La union de un aminoacido a su correspondiente tRNA viene catalizada par una aminoacid-tRNA sintetasa. La activacion para esta reaccion se obtiene par la hidrolisis de ATP. Para cada aminoacido hay normalmente un enzima activador y al menos un tipo de tRNA.

3

Rl ..

NH

>(.

+

'" H

+H3N)GUG>UUG). En la mitad aproximadamente de las proteinas de E. coli, la N-formilmetionina es arrancada de la cadena polipeptidica naciente cuando sale del ribosoma. La metionina se une a estas dos clases de tRNA por medio de la misma aminoacil-tRNA sintetasa. Un enzima especffico formila despues el grupo amino de la metionina que esta unida al tRNAf (Figura 30.17). El dador de formilo activado para esta reacci6n es el N1o-formiltetrahidrofolato (p. 689). Es significativo que ni la metionina libre ni la metionil-tRNAm sean sustratos aptos para esta transformilasa.

Sintetasa

H2N ~S"CH;

o I

tRNAf

l

Metionil-tRNAf (Met-tRNAf) te~~~;~~~~il~to

Transformilasa

Tetrahidrofolato

o

)-NH ~S"CH;

o Los ribosomas tienen tres lugares de union para los tRNAs conformados por las subunidades 30S y 50S Una instantanea de un momenta significativo en la sfntesis de protefnas se obtuvo determinando la estructura del ribosoma unido a tres moleculas de tRNA y a un fragmento de mRNA (Figura 30.18). Como se esperaba, el fragmento de mRNA se unfa ala subunidad 30S. Cada una de las molecu]as de tRNA hace de puente entre las subunidades 30S y 50S. En el 30S, dos de las tres moleculas de tRNA estan unidas al

~

Figura 30.18 Lugares de union del RNA de transferencia. (A) Existen tres lugares de ~ union para los tRNAs en el ribosoma 70S. Se lIaman sitio A (por aminoacilo), P (por peptidilo) y E (por "exit", salida). Cada molecula de tRNA contacta con la subunidad 305 y conjuntamente con la 50S. (B) Las moleculas de tRNAs estan apareadas con el mRNA en los lugares A y P. [Tomado de 1]GP.pdb.]

I

tRNAf Formilmetionil-tRNAf (fMet-tRNAf)

Figura 30.17 Formulacion del metionil-tRNA. EI tRNA iniciador (tRNAf) se carga primero con metionina, y despues se transfiere un grupo formilo al metionil-tRNAf, a partir de N,o-formiltetrahidrofolato.

fragmento de mRNA a traves de parejas de bases codon-anticodon. Esos lugares de union se Haman lugar A (por aminoacilo) y lugar P (por peptidilo). La tercera molecula de tRNA esta unida a un sitio adyacente Hamado lugar E (de "exit", salida). El otro extrema de cada molecula de tRNA interacciona con la subunidad 50S. Los taHos aceptores de las moleculas de tRNA que ocupan los lugares A y P convergen hacia el sitio donde se forma el enlace peptfdico. Un examen posterior de este lugar ha revelado que un tunel conecta este lugar con la parte posterior del ribosoma. La cadena polipeptidica creciente escapa a traves de este tuneL durante La sintesis.

872 CAPITULO 30 Sintesis de protein as

Cuando se forma del enlace peptldico, la cadena polipeptldica en crecimiento es transferida de un tRNA a otro. La sfntesis de protefnas comienza con la interaccion de la subunidad 30S y el mRNA a traves de la secuencia Shine-Delgarno. En la formaci on de este complejo, el tRNA iniciador cargado con formilmetionina se une al codon iniciador AUG y la subunidad 50S se une ala subunidad 30S para formar el ribosoma 70S completo. "Como podra aumentar la cadena polipeptfdica en longitud (Figura 30.19)? Los tres lugares en nuestra instantanea de la sfntesis proteica nos dan la clave. El tRNA iniciador se une al lugar P del ribosoma. Un aminoacil-tRNA con un anticodon complementario al codon que esta en el lugar A se une a continuacion. La escena esta preparada para la formacion del enlace peptfdico: la molecula de formilmetionina unida al tRNA iniciador va a ser transferida al grupo amino del aminoacido que ocupa el lugar A. La formacion del enlace peptfdico, una de las reacciones mas importantes de la vida, es termodinamicamente espontanea y esta catalizada por el lugar del rRNA 23S conocido como eL centro peptidiltransferasa. El grupo amino del aminoacil-tRNA del lugar A esta bien posicionado para atacar el enlace ester entre el tRNA iniciador y la molecula de formilmetionina (Figura 30.20). El centro peptidiltransferasa po see bases que promueven esta reaccion ayudando a formar un grupo -NH2 en el aminoacil-tRNA dellugar A y ayudando a es-

Uni6n del aminocil-tRNA

) Formaci6n del enlace peptfdico

GTP Translocaci6n

Factor de elongaci6n

~

Figura 30.19 Mecanismo de la sintesis de proteinas. EI cicio comienza con el peptidiltRNA en el lugar P. Otro aminoacil-tRNA se une al lugar A. Con ambos lugares ocupados, se forma un nuevo enlace peptidico. Los tRNAs y el mRNA son translocados por la acci6n del factor de elongaci6n G, que mueve el tRNA desacilado al sitio E. Una vez alii queda libre para disociarse para completar el cicio.

Disociaci6n del tRNA

G

GDP + Pi

""-):0

)=0 "Ri+l

H'

H v'

~

R'~'~'" i

tR~A

HlN ->