- Què són les proteïnes?
- Etapes i característiques
- Transcripció: d'ADN a ARN missatger
- Splicing de l'ARN missatger
- Tipus d'ARN
- Traducció: d'ARN missatger a proteïnes
- El codi genètic
- Acoblament de l'aminoàcid a l'ARN de transferència
- El missatge de l'ARN és descodificat pels ribosomes
- Elongació de la cadena polipeptídica
- Finalització de la traducció
- referències
La síntesi de proteïnes és un esdeveniment biològic que passa virtualment en tots els éssers vius. Constantment les cèl·lules prenen la informació que està emmagatzemada en l'ADN i, gràcies a la presència de maquinària especialitzada molt complexa, la transformen en molècules de proteïnes.
No obstant això, el codi de 4 lletres encriptat en l'ADN no es tradueix directament en proteïnes. En el procés es veu involucrada una molècula d'ARN que funciona com a intermediari, anomenada ARN missatger.
Síntesi de proteïnes.
Font:
Quan les cèl·lules necessiten una proteïna particular, la seqüència de nucleòtids d'una porció adequada en l'ADN és copiada a ARN - en un procés denominat transcripció - i aquest al seu torn és traduït a la proteïna en qüestió.
El flux d'informació descrit (ADN a ARN missatger i ARN missatge a proteïnes) ocorre des éssers molt simples com els bacteris fins als humans. Aquesta sèrie de passos s'ha denominat el "dogma" central de la biologia.
La maquinària encarregada de la síntesi proteïnes són els ribosomes. Aquestes petites estructures cel·lulars es troben en gran proporció en el citoplasma i ancorat a l'reticle endoplasmàtic.
Què són les proteïnes?
Les proteïnes són macromolècules formades d'aminoàcids. Aquestes constitueixen gairebé el 80% de l'protoplasma de tota una cèl·lula deshidratat. Totes les proteïnes que componen a un organisme s'anomenen "proteoma".
Els seus funcionats són múltiples i variades, des de papers estructurals (col·lagen) fins al transport (hemoglobina), catalitzadors de reaccions bioquímiques (enzims), defensa contra patògens (anticossos), entre d'altres.
Hi 20 tipus d'aminoàcids naturals que es combinen mitjançant enllaços peptídics per donar lloc a les proteïnes. Cada aminoàcid es caracteritza per posseir un grup particular que li atorga propietats químiques i físiques particulars.
Etapes i característiques
La manera en què la cèl·lula aconsegueix interpretar el missatge de l'ADN ocorre per mitjà de dos esdeveniments fonamentals: la transcripció i la traducció. Moltes còpies d'ARN, que han estat copiades d'un mateix gen, són capaços de sintetitzar un nombre important de molècules idèntiques de proteïnes.
Cada gen es transcriu i es tradueix de manera diferencial, permetent-li a la cèl·lula produir quantitats variades d'una àmplia diversitat de proteïnes. Aquest procés implica diverses rutes de regulació cel·lular, que generalment inclouen el control en la producció d'ARN.
El primer pas que la cèl·lula ha de fer per començar la producció de proteïnes és llegir el missatge escrit en la molècula d'ADN. Aquesta molècula és universal i conté tota la informació necessària per a la construcció i el desenvolupament dels éssers orgànics.
A continuació descriurem com ocorre la síntesi de proteïnes, començant aquest procés de "lectura" de l'material genètic i finalitzarem amb la producció de proteïnes per se.
Transcripció: d'ADN a ARN missatger
El missatge en la doble hèlix d'ADN està escrit en un codi de quatre lletres que corresponen a les bases adenina (A), guanina (G), citosina (C) i timina (T).
Aquesta seqüència de lletres de l'ADN serveix de temperat per construir una molècula equivalent d'ARN.
Tant l'ADN com l'ARN són polímers lineals formats per nucleòtids. No obstant això, difereixen químicament en dos aspectes fonamentals: els nucleòtids en l'ARN són ribonucleòtids i en comptes de la base timina, l'ARN presenta l'uracil (U), que s'aparella amb l'adenina.
El procés de transcripció s'inicia amb l'obertura de la doble hèlix en una regió concreta. Una de les dues cadenes actua com a "motlle" o temperat per a la síntesi de l'ARN. S'afegiran els nucleòtids seguint les regles d'aparellament de bases, C amb G i A amb U.
L'enzim principal que participa en la transcripció és l'ARN polimerasa. És l'encarregada de catalitzar la formació dels enllaços fosfodiéster que uneixen els nucleòtids de la cadena. La cadena es va estenent en direcció 5 'a 3'.
El creixement de la molècula involucra diferents proteïnes conegudes com "factors d'elongació" que s'encarreguen de mantenir la unió de la polimerasa fins al final de l'procés.
Splicing de l'ARN missatger
Font: By BCSteve, from Wikimedia CommonsEn els eucariotes, els gens presenten una estructura específica. La seqüència es troba interrompuda per mitjà d'elements que no formessin part de la proteïna, anomenats introns. El terme s'oposa a el de exó, que inclouen a les porcions de el gen que si seran traduïdes a proteïnes.
L'splicing és un esdeveniment fonamental que consisteix en l'eliminació dels introns de la molècula d'missatgera, per llançar una molècula construïda exclusivament per exons. El producte final és l'ARN missatger madur. Físicament, té lloc al espliceosoma, un maquinària complexa i dinàmica.
A més de l'splicing, l'ARN missatger pateix codificacions addicionals abans de ser traduït. S'afegeix una "caputxa" la naturalesa química és un nucleòtid modificat de guanina, i en l'extrem 5 i una cua de diverses adenines en l'altre extrem.
Tipus d'ARN
En la cèl·lula, es produeixen diversos tipus d'ARN. Alguns gens en la cèl·lula produeixen una molècula d'ARN missatger i aquesta es tradueix a proteïna - com veurem més endavant. No obstant això, hi gens el producte final és la molècula d'ARN en si.
Per exemple, en el genoma del llevat, prop de l'10% dels gens d'aquest fong tenen com a producte final molècules d'ARN. És important esmentar-los, ja que aquestes molècules tenen un paper fonamental a l'hora de la síntesi proteica.
- ARN ribosòmic: l'ARN ribosomal forma part de el cor dels ribosomes, estructures claus per a la síntesi de les proteïnes.
Font: Jane Richardson (Dcrjsr), from Wikimedia CommonsEl processament dels ARN ribosomals i la seva posterior acoblament en ribosomes ocorre en una estructura molt conspícua de l'nucli - encara que no està delimitada per membrana - anomenada nuclèol.
- ARN de transferència: funciona com adaptador que selecciona un aminoàcid específic i juntament amb el ribosoma, incorporen el residu d'aminoàcid a la proteïna. Cada aminoàcid es relaciona amb una molècula d'ARN de transferència.
En els eucariotes hi ha tres tipus de polimerases que, encara que són estructuralment molt similars entre si, juguen papers diferents.
L'ARN polimerasa I i la III transcriuen els gens que codifiquen per l'ARN de transferència, ARN ribosomal i alguns ARN petits. L'ARN polimerasa II s'enfoca en la traducció dels gens que codifiquen per a proteïnes.
- ARN petits relacionats amb la regulació: o centres ARN de longitud curta participen en la regulació de l'expressió gènica. Entre ells hi ha els microARN i els ARN petits d'interferència.
Els microARN regulen l'expressió mitjançant el bloqueig d'un missatge específic i els petits d'interferència apaguen l'expressió per mitjà de la degradació directa de l'missatger. De la mateixa manera, hi ha ARN petits nuclears que participen en el procés d'splicing de l'ARN missatger.
Traducció: d'ARN missatger a proteïnes
Una vegada que l'ARN missatger madura per mitjà de l'procés d'splicing yviaja des del nucli fins al citoplasma cel·lular, comença la síntesi de proteïnes. Aquesta exportació és intervinguda pel complex de l'porus nuclear - una sèrie de canals aquosos localitzats a la membrana de l'nucli que connecta directament el citoplasma i el nucleoplasma.
A la vida quotidiana, fem servir el terme "traducció" per referir-nos a la conversió de paraules d'un idioma a un altre.
Per exemple, podem traduir un llibre d'anglès a espanyol. A nivell molecular, la traducció implica el canvi de llenguatge a ARN a proteïna. Per ser més precisos, és el canvi de nucleòtids a aminoàcids. Però, com ocorre aquest canvi de dialecte?
El codi genètic
La seqüència de nucleòtids d'un gen pot transformar-se a proteïnes seguint les regles establertes pel codi genètic. Aquest va ser desxifrat a principis dels anys 60.
Com el lector pot deduir, la traducció no pot ser un o un, ja que hi ha només 4 nucleòtids i 20 aminoàcids. La lògica és la següent: la unió de tres nucleòtids es coneix com "triplets" i s'associen a un aminoàcid en particular.
Com poden existir 64 possibles triplets (4 x 4 x 4 = 64), el codi genètic és redundant. És a dir, un mateix aminoàcid és codificat per més d'un triplet.
La presència de el codi genètic és universal i és usat per tots els organismes vius que avui dia habiten la terra. Aquest amplíssim ús és una de les homologies moleculars més sorprenent de la natura.
Acoblament de l'aminoàcid a l'ARN de transferència
Els codons o triplets que es troben en la molècula d'ARN missatger no tenen la capacitat per reconèixer directament als aminoàcids. En contrast, la traducció de l'ARN missatger depèn d'una molècula que aconsegueixi reconèixer i unir el codó i a l'aminoàcid. Aquesta molècula és l'ARN de transferència.
L'ARN de transferència pot plegar-se en una estructura tridimensional complexa que s'assembla a un trèvol. En aquesta molècula ha una regió anomenada "anticodó", formada per tres nucleòtids consecutius que s'aparellen amb els nucleòtids complementaris consecutius de la cadena d'ARN missatger.
Com esmentem en l'apartat anterior, el codi genètic és redundant, de manera que alguns aminoàcids posseeixen més d'un ARN de transferència.
La detecció i fusió de l'aminoàcid correcte a l'ARN de transferència és un procés mediat per un enzim anomenat aminoacil - ARNt sintetasa. Aquest enzim s'encarrega d'acoblar les dues molècules per mitjà d'un enllaç covalent.
El missatge de l'ARN és descodificat pels ribosomes
Per formar una proteïna, els aminoàcids s'uneixen entre si per mitjà d'enllaços peptídics. El procés de lectura de l'ARN missatger i unió dels aminoàcids específics passa en els ribosomes.
ribosomes
Els ribosomes són complexos catalítics formats per més de 50 molècules de proteïnes i diversos tipus d'ARN ribosomal. En els organismes eucariotes, una cèl·lula mitjana conté de mitjana milions de ribosomes en l'ambient citoplasmàtic.
Estructuralment, un ribosoma està compost d'una subunitat gran i una petita. La funció de la porció petita és assegurar que l'ARN de transferència estigui correctament aparellat amb l'ARN missatger, mentre que la subunitat gran catalitza la formació de l'enllaç peptídic entre els aminoàcids.
Quan el procés de síntesi no es troba actiu, les dues subunitats que formen els ribosomes es troben separades. A l'iniciar la síntesi, l'ARN missatger uneix les dues subunitats, generalment prop de l'extrem 5.
En aquest procés, l'elongació de la cadena polipeptídica passa per l'addició d'un nou residu d'aminoàcid en els següents passos: unió de l'ARN de transferència, formació de l'enllaç peptídic, translocació de les subunitats. El resultat d'aquest últim pas és el moviment de l'ribosoma complet i comença un nou cicle.
Elongació de la cadena polipeptídica
En els ribosomes es distingeixen tres llocs: el lloc E, el P i el A (veure imatge principal). El procés d'elongació comença quan alguns aminoàcids ja han estat units covalentment i hi ha una molècula d'ARN de transferència al lloc P.
L'ARN de transferència que posseeix el proper aminoàcid a ser incorporat s'uneix a el lloc A per aparellament de bases amb l'ARN missatger. Després, la porció carboxil terminal de l'pèptid és alliberada de l'ARN de transferència en el lloc P, per la ruptura d'un enllaç d'alta energia entre l'ARN de transferència i l'aminoàcid que porta.
L'aminoàcid lliure s'uneix a la cadena, i es forma un nou enllaç pèptid. La reacció central de tot aquest procés és intervinguda per l'enzim peptidil transferasa, que es troba a la subunitat gran dels ribosomes. Així, el ribosoma es desplaça per l'ARN missatger, traduint el dialecte d'aminoàcids a proteïnes.
Com passa en la transcripció, durant la traducció de les proteïnes també es veuen involucrats factors d'elongació. Aquests elements augmenten la rapidesa i l'eficàcia de l'procés.
Finalització de la traducció
El procés de traducció conclou quan el ribosoma troba als codons de parada: UAA, UAG o UGA. Aquests no són reconeguts per cap ARN de transferència i no uneixen cap aminoàcid.
En aquest moment, proteïnes conegudes com a factors d'alliberament s'uneixen a l'ribosoma i produeix la catàlisi d'una molècula d'aigua i no d'un aminoàcid. Aquesta reacció allibera l'extrem carboxil terminal. Finalment, la cadena de pèptid és alliberada a l'citoplasma cel·lular.
referències
- Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Bioquímica. 5th edition. New York: WH Freeman.
- Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Invitació a la Biologia. Ed. Mèdica Panamericana.
- Darnell, JE, Lodish et, HF, & Baltimore, D. (1990). Molecular cell biology. New York: Scientific American Books.
- Hall, JE (2015). Guyton and Hall textbook of medical physiology e-Book. Elsevier Health Sciences.
- Lewin, B. (1993). Gens. Volum 1. Reverte.
- Lodish et, H. (2005). Biologia cel·lular i molecular. Ed. Mèdica Panamericana.
- Ramakrishnan, V. (2002). Ribosome structure and the mechanism of translation. Cell, 108 (4), 557-572.
- Tortora, GJ, Funke, BR, & Casi, CL (2007). Introducció a la microbiologia. Ed. Mèdica Panamericana.
- Wilson, DN, & Cate, JHD (2012). The structure and function of the Eukaryotic ribosome. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 4 (5), a011536.