Síntesis de Proteínas




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fecha de publicación03.08.2016
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Síntesis de Proteínas
Vamos a ver donde confluyen distintos tipos de moléculas, una gran cantidad de moléculas, mucho mayor que las que vimos en procesos como la replicación del ADN. La fidelidad de este sistema va a permitir que la expresión del mensaje que está contenido en el ADN se haga de buena manera. Vamos a ver una etapa importante en la traducción de proteínas que tiene que ver con la activación de los amino ácidos. Esta etapa es la responsable de dar la fidelidad del proceso de síntesis de proteínas. Habíamos visto que en la replicación del ADN teníamos enzimas que tenían la propiedad de corregir errores. Aquí vamos a ver que va a participar una enzima que es la aminoacil ARNt sintetasa y que está involucrada en la activación del a. ácido. Esta enzima va a poder distinguir el ARNt correspondiente al a. ácido. Este es un paso esencial ya que es el ARNt el que va a traer los amino ácidos y los va a ir adicionando de acuerdo al código que está en el ARNm. De manera tal que cargar el ARNt con su correspondiente amino ácido es esencial porque si falla hay una alteración en la proteina.

Ahí tienen un cuadro donde podemos comparar las 3 etapas que hemos visto y cuales son los elementos que participan en cada una de ellas. En la replicación tenemos la ADN polimerasa, en la transcripción participa la ARN polimerasa y en la traducción vamos a ver que la verdadera fábrica de la formación de proteínas corresponde a los ribosomas.

De todas las moléculas que participan, aquí tenemos más o menos las más importantes: el ARNm que lleva el mensaje, el ARNt es el intermediario y tenemos los ribosomas que van estructurados por ARNr y proteínas ribosomales. Es una fábrica que participa activamente en la traducción. También hay proteínas no ribosomales entre las cuales están los factores de traducción.

Para que se den cuanta de la magnitud y complejidad de este proceso, les muestro esta diapo donde ustedes ven que en el caso de la E. coli, si ustedes secan la bacteria, osea le sacan el agua, pueden ver que dentro de todos los componentes que participan en la traducción, el 35% del peso seco de la bacteria corresponde a los elementos que participan en la traducción. Eso significa 20.000 ribosomas, 200.000 ARNt y 100.000 proteínas y cofactores.

Aquí está la estructura de esta fábrica que está compuesta por 2 subunidades. Tanto procariontes como eucariontes son muy parecidas, simplemente cambia el tamaño: una subunidad más grande y una más chica y sirve como estructuras en las cuales se reconoce específicamente al ARNm que luego va a reconocer al ARNt en sus distintas etapas: cuando llega con el amino ácido o cuando está en la posición para formar el enlace peptídico o cuando está listo para salir. Asociado a ello hay una zona por donde va a ir saliendo la cadena polipeptídica hacia el exterior donde después está en condiciones de adoptar la forma 3D y realizar su función.

Una de las características de este proceso es que la traducción comienza en el extremo 5’ del ARNm y luego de reconocida esta zona avanza hacia el extremo 3’. Construyendo mensajeros sintéticos con distintos tipos de combinaciones, se llegó a la conclusión de que este mensajero era posible de leerlo a través de tripletes de nucleótidos que tenían la información para un determinado amino ácido. Con estudios de marcaje se pudo determinar que las proteínas son sintetizadas desde el amino terminal hacia el carboxilo terminal. Se llegó también a la conclusión de que el código es degenerado porque distintos códigos (tripletes) pueden codificar para un mismo amino ácido.

Aquí por ejemplo, para tratar de definir en qué sentido se leía un mensajero, se construye un ARNm sintético que es un poli A con una terminación de citosina en el extremo 3’. De manera tal que si se lee de 5’3’ (ya se sabía que se leía en tripletes) se debería repetir los amino ácidos correspondientes, osea, en este caso tendríamos que teber lisina, lisina, lisina y terminar con asparagina. Si se lee apartir del 3’, el primer triplete en vez de ser AAA es CAA que codifica para glutamina, osea, se hace una proteína distinta. Para saber en qué sentido de sintetizaba una proteína, se van marcando distintos tipos de proteínas y después se aislan los péptidos y ser cortan. Al contar la radioactividad incorporada en los fragmentos, los que tenían el amino ácido terminal, el carboxilo terminal, eran los que tenían una mayor incorporación de radioactividad. Eso indicaba que la síntesis ocurría hacia el carboxilo terminal.

Una etapa central de la síntesis de proteínas, es formar el enlace peptídico entre 2 amino ácidos. Si ustedes tratan de hacer esto en condiciones in-vitro, toman amino ácidos y esperan que entre ellos se forme el enlace, eso no ocurre porque está muy desfavorecido termodinámicamente.

De manera tal que la ___ necesita activar a la molécula para que esta reacción pueda ocurrir. A lo largo de los distintos capítulos hemos visto que hay que transportar determinados grupos, por ejemplo, los grupos acilo nunca se transportaban solos, sino que lo hacía junto a la CoenzimoA. Entonces teníamos el grupo acetilCoA. Eso es normalmente porque la hidrólisis del grupo transportador provee la energía necesaria para que la reacción ocurra. Otro ejemplo análogo sería en la síntesis de glucógeno donde la glucosa necesitaba ser activada por UDP. Ahí también poníamos un nucleótido. Aquí se hace algo análogo: vamos a activar los amino ácidos con un ARNt. Por qué creen que activamos los amino ácidos con ARNt y no con un nucléotido como UDP? Necesitamos que ese amino ácido activado ahora pueda ser depositado en la fábrica de proteínas. Esta fábrica, para poder sintetizar proteínas debe leer un mensaje y ese mensaje es un polímero de nucleótidos entonces necesitamos una molécula que pueda leer ese mensaje. Lo mejor, es que sea otra cadena de polinucleótidos para así poder interaccionar complementariamente con el ARNm. Por eso tiene sentido escoger una molécula que cumpla esas 2 funciones: por un lado logramos activar el amino ácido y por otro lado nos permite reconocer el sitio donde tiene que ser depositado el amino ácido.

Entonces el amino ácido es activado por el ARNt y por otro lado esta misma estructura, en otro sitio, va a tener la posibilidad, por complementariedad, de poder leer cada uno de esos tripletes y así poder codificar para un determinado amino ácido. Distintos tripletes son capaces de codificar para un mismo amino ácido. Los que están en rojo (en la diapo de “código genético” ) con señales de término: UAA, UAG y UGA. Vamos a ver que cuando lleguemos a la etapa de término de la producción no existen ARNt que lean eso; el ribosoma y el mensajero quedan como detenidos esperando que llegue un ARNt. Lo que va a llegar ahí son proteínas que son factores de término. Resumiendo, el código está compuesto por tripletes, a cada triplete se le denomina codón y cada uno de ellos codifica para un amino ácido. El código genético es degenerado porque existen varios codones o tripletes para 1 amino ácido. No hay superposición: un nucleótido solamente pertenece a un único triplete. La lectura “sin comas” se refiere a que tenemos un mensajero que está en condiciones de ser leído, en el caso de eucariontes ha sido procesado, se han modificado sus extremos. La importancia que tiene este sistema es que el código es bastante universal.

Parte de lo que permite que existan varios codones para cada amino ácido da cuenta la hipótesis de balanceo en que estos distintos nucleótidos puedan interactuar con más de una base en su correspondiente codón.

Vamos a analizar algunas características del ARNt. Es una cadena de ribo nucleótidos que a su vez tiene muchas modificaciones. Tiene bases que son modificadas, bases que son distintas. El apareo de las bases no es el que normalmente conocemos, eso ocurre así porque eso va a permitir mantener el arreglo tridimensional muy particular del ARNt. Vamos a tener un ARNt por cada amino ácido entonces van a ver variaciones estructurales en cada uno de ellos. Pero básicamente todos tienen esta misma estructura. La variación tiene sentido porque el ARNt es cargado o activado por su correspondiente amino ácido manteniendo la fidelidad del proceso. Y esa labor la hace la enzima aminoacil ARNt sintetasa. La enzima por un lado reconoce al ARNt y por otro el amino ácido y por eso también las variaciones que hay en el ARNt porque la enizma va a ser específica para un solo ARNt. Ella va a tener un arreglo tridimensional que le va a permitir en algunos casos con moléculas en distintos sitios o de repente con mezclas de interacción en distintos sitios.

En esta zona va a estar ubicado el anitcodón que va a ser la parte que interacciona con su correspondiente codón. Si bien estas son las que leen, son importantes las estructuras que están asociadas a ella para que pueda tener el arreglo tridimensional perfecto para que calce con ese codón y porque también hay algunas aminoacil ARNt sintetasas que reconocen el correspondiente ARNt por el arreglo tridimensional que ellos tienen en la zona del anticodón. La otra característica es que tiene un brazo libre con este triplete CCA y este es el sitio donde uno va a adicionar el amino ácido. Por lo tanto este intermediario va a traer el amino ácido con su extremo 3’ activado y con su ____________ (23’ 45) para poder leer el mensaje del mensajero.

Aquí ven ahora la equivalencia de esta “caricatura”, pero en la realidad. Este es el arreglo estructural que tiene el ARNt (en color se ven las zonas homólogas). Va a tener este extremo libre donde se une al amino ácido y de acuerdo a la estructura que adquiera en esta zona le va a permitir poder interactuar con la aminoacil ARNt sintetasa.

Ustedes pueden ver distintos tipos de ARNt para distintos tipos de amino ácidos donde cambian levemente pero básicamente todos tienen la misma estructura.

Y resumiendo algunas características de estas moléculas, son pequeñas cadenas de ribo-nucleótidos que van entre 73 y 93. Vamos a encontrar en ellas bases no típicas ( lo típico es lo que se encuentran en el ADN y en el ARN). Muchas de ellas están metiladas o bien dimetiladas lo cual produce cambios en la hidrofobicidad. Normalmente esos cambios en la hidrofobicidad van a permitir 2 cosas: por un lado que este ARNt pueda organizarse en su estructura típica y la otra que pueda interaccionar con una zona que le corresponda de la aminoacil ARNt sintetasa. El extremo 5’ está fosforilado y el 3’ tiene el triplete CCA que va a transportar el amino ácido. Parte de su estructura tiene doble hélice dando una forma de L. El anticodón consiste básicamente en la secuencia a una pirimidina, pirimidina y una purina modificada.

Ahora vamos a ver dentro de las proteínas no ribosomales que no forman parte de la estructura del ribosoma a la proteína muy importante que es la amioacil ARNt sintetasa. Vamos a tener una enzima por cada uno de los ARNt y de los amino ácidos. Una de las etapas más importante en la que participa esta enzima es en la activación de los amino ácidos. Para activar el amino ácido lo vamos a metilar es decir, lo vamos a asociar a un grupo AMP y ese AMP proviene de un ATP liberándose un pirofosfato. La liberación del pirofosfato permite que con la hidrólisis se libere energía que hace que esta reacción sea favorable desde el punto de vista energético. Ese AMP va a quedar asociado al amino ácido el cual posteriormente va a ser unido al ARNt. De esa manera logramos activar el amino ácido y luego al ARNt es cargado con su correspondiente aminoácido participando en la traducción. Aquí tenemos el proceso que les acabo de describir: tenemos la molécula de ATP con su nucleosido y trifosfato y por otro lado el amino ácido con su grupo amino y el grupo carboxilo. La enzima entonces lo que hace toma parte de esta estructura que corresponde al AMP y se lo une mediante enlace éster al grupo carboxilo por lo tanto queda un aminoail adenilato. De esta manera nos queda activo este grupo y se libera el pirofosfato. Luego viene el ARNt que tiene en su extremo 3’ la secuencia CCA y aquí tenemos en este nucleótido en el extremo 3’ el azúcar, la ribosa con su extremo 2’ y 3’ con un grupo OH. Viene ahora la aminoacil ARNt sintetasa (todo está ocurriendo en esa enzima) y ella toma el amino ácido (?) y se lo adiciona a uno u otro OH que está presente en la ribosa. En este caso a los del grupo 2’ y por lo tanto nos queda el 2’ Aminoacil ARNt. Y de esta manera tenemos un ARNt que está activado o cargado con su correspondiente amino ácido. Hasta este momento, el anticodón ha servido para que el ARNt sea reconocido por otras sintetasas como su correspondiente ARNt. Ahora, una vez que se está en esta condición, ahora puede ser transportado y llevado al ribosoma y que pueda incorporarse a la síntesis de la proteína cuando el anticodón pueda reconocer su correspondiente codón. La aminoacil ARNt activa tanto al amino ácido como al ARNt.

Hay distintos tipos de aminoacil ARNt sintetasas, de clase I y clase II. Pueden ver las de clase I cuales son los amino ácidos que activa y las de clase II. Además las de clase I son monómeros y las de clase II son dímeros. Normalmente la de clase I incorpora el amino ácido en la posición 2’ de la ribosa del ARNt y las de clase II lo hacen en el OH de posición 3’. También hay diferencias en cuanto al tamaño que distingue a un amino ácido de otro. Pueden ver el ARNt y su correspondiente aminoacil ARNt sintetasa que está asociado a él. Normalmente algunos de estos ARNt la cola con la secuencia CCA adquiere una determinada orientación tridimensional que también sirve de reconocimiento de la enzima, ella puede reconocer de su correspondiente ARNt cual es la orientación que tiene el extremo CCA. Pueden ver la estructura de la clase II formando complejos correspondientes de ARN. Normalmente las de tipo I corresponde a amino ácidos grandes y son en su mayoría hidrofóbicos y las de tipo II corresponden a amino ácidos pequeños.

Si se dan cuenta, ya aquí hay algunos elementos que van permitiendo la fidelidad del mensaje. Primero, está la enzima que permite reconocer su correspondiente ARNt. Por otro lado, para poder ______ (32’ 50) los amino ácidos ya deja, ésta por ejemplo, descarta a todo el resto que corresponde a las del tipo II porque son más pequeños entonces dentro de los grandes y que sean hidrofóbicos va a tener que entrar ahora a incorporar otro tipo de ese ____ (?) para no confundirlo, es decir, aquellos amino ácidos que tienden a ser parecidos dentro del mismo grupo que selecciona la sintetasa.
De manera tal, la alta fidelidad de la síntesis de la proteína va a estar dada por el ARNt que llegue con su adecuado amino ácido y para que llegue el ARNt con su amino ácido adecuado, la aminoacil ARNt sintetasa selecciona por un lado al amino ácido y por el otro al ARNt. Ahora, cómo logra realizar esto? Mediante su disposición estructural. En su estructura, esta enzima tiene 2 sitios estructurales: en un sitio es donde va a ocurrir la activación del amino ácido, osea, la parte donde toma el AMP del ATP y lo incorpora al amino ácido y se forma el aminoacil adenilato y una vez que el amino ácido está activado viene otro sitio de reconocimiento que corresponde a un sitio de hidrólisis, es decir, si el amino ácido al cual se activó recién es un amino ácido equivocado, hay un segundo sitio como de edición en el cual se le saca su molécula de AMP o de ARNt y se deja inactivo. En el sitio donde va a ocurrir la activación, es un sitio que tiene una disposición tridimensional adecuada para que quepa su correspondiente amino ácido. Cuando el resto de los amino ácidos que se asemejan a él son distintos en tamaño la enzima prácticamente no va a tener problema en seleccionarlo. Hay amino ácidos que tienen ______ en tamaño (35’20). Como les decía, para todos aquellos que tengan un tamaño mayor que este sitio quedan inmediatamente excluidos porque no pueden entrar al sitio para activarse. Hay otros que pudieran tener el mismo tamaño, pero teniendo el mismo tamaño muchas veces tienen grupos que son distintos. Supongamos que el amino ácido tiene grupos que son hidrofóbicos y los otros que tienen un tamaño parecido tienen grupos hidrofílicos. Esas diferencias de interacción química permite también eliminarlo. Si de todas maneras se inserta y es activado después la enzima lo mete al sitio de hidrólisis. Si cabe en el sitio de hidrólisis, lo hidroliza.

Entonces por ejemplo, la aminoacil ARNt sintetasa para la treonina y para su correspondiente ARNt tiene más problemas que otra aminoacil ARNt sintetasa porque si tiene que activar al ARNt con la treonina, ésta se parece bastante a la valina y a la serina. La treonina tiene en la cadena lateral un grupo metilo y acá un grupo OH. La valina se parece a éste porque tiene 2 grupos metilo, de manera tal que esto lo hace muy parecido en cuanto a tamaño. En el caso de la serina también tiene un grupo OH como la treonina pero carece de un grupo metilo. Como estos son parecidos en tamaño, pueden caber en un sitio de activación. Se ve a la aminoacil ARNt sintetasa capturando al ARNt para la treronina y cuando reconoce ese ARNt, incorpora la treonina, pero pudiera ser que llegase la valina. Pero en ese sitio, la enzima tiene grupos que pueden interaccionar con el grupo OH formando puentes de hidrógeno. Si se mete ahí la valina, el grupo es hidrofóbico, por lo tanto no puede interactuar ese sitio con el que interacciona con el grupo OH, por lo tanto no entra, no cabe. Sin embargo la serina sí, porque también tiene un grupo OH por lo tanto va a poder interaccionar con la estructura y formar puentes de hidrógeno para capturar el amino ácido. La enzima en esta primera etapa sí se puede equivocar y a éste lo puede activar incorporándole el AMP y uniéndolo al ARNt. Pero ahí viene la segunda etapa: entonces la ARNt lo activa acá y lo deja unido al _____ (39’12) lo mueve a este otro sitio ______ o interaccionaba con el sitio de hidrólisis. Y como este es pequeño, cabe en el sitio de hidrólisis y lo hidroliza. Entonces así evita equivocarse.

Otro caso el la aminoacil ARNt sintetasa de la isoleucina que también puede confundirse de repente con la valina. Como habíamos visto, la valina tiene 2 grupos metilo y en este caso la isoleucina tiene 3 grupos metilo y los 2 amino ácidos tienen grupos hidrofóbicos. En el otro caso, se confundía con la serina porque tenía un grupo hidrofílico igual que la treonina, entonces las 2 eran capturadas. En este caso la enzima se puede equivocar con la valina porque semeja un poquito el tamaño y tiene también una cadena lateral hidrofóbica, pero como es más pequeña porque carece un grupo metilo, puede caber en el sitio de hidrólisis; la isoleucina no porque no cabe en el sitio de hidrólisis y ha sido activada. El sitio de hidrólisis es como el equivalente a la ADN polimerasa en cuanto a su actividad correctora de errores.

Algunos ARNt reconocen la zona que interacciona con el codón. En otros casos hay zonas de la estructura del ARNt que en este caso interactúan de manera muy activa con la aminoacil ARNt sintetasa que reconoce ______ (42’05). Se ha visto en estudios, por ejemplo, que el par guanina - uracilo que están en la posición 3 y 70 es muy importante para reconocer el ARNt para la alanina. Si este par lo cambian y en vez de que quede guanina – uracilo queda citosina – guanina, ahora eso corresponde a una estructura que es reconocida por el ARNt para la cisteína. Hay otros casos que hay zonas del ARNt que ustedes pueden ir descartando otras zonas, sacar el ARNt y llegan a una estructura mínima como ésta, una microhélice. Esta microhélice todavía sigue siendo suficiente para ser reconocida como el ARNt para la alanina.

Y si se dan cuenta, aquí _____________(43’ 07) interacción para reconocer la alanina. En este mismo _____________ prácticamente se ha sacado toda la estructura del ARNt pero se ha mantenido el par guanina-uracilo y basta para que se reconozca como su correspondiente ARNt. Bueno, en otros casos hay ARNt que son
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