Capítulo 6: Traducción

Se sabe que las características físicas son heredadas de nuestros padres (estatura, color de ojos), así como también la predisposición a padecer y/o desarrollar ciertas enfermedades, a las que se denominan hereditarias (diabetes, diferentes tipos de cáncer, etc.), y esto se logra a través de la información contenida en los genes. Esta información se almacena en el cromosoma y se transmite de célula a célula mediante el mecanismo de replicación del ADN (útil para la perpetuidad de la información genética) y se expresa a través de la transcripción mediante la obtención del ARN, principalmente el ARN mensajero (ARNm), necesario para traducir esta información para la síntesis de una proteína funcional y específica.

Se conoce como traducción a la síntesis de una proteína de acuerdo con la información genética y se emplea como molde una molécula de ARNm.

Se llama traducción porque interpreta la información contenida en el gen utilizando un código genético a través del cual desarrolla una lectura de la secuencia de nucleótidos contenidos en el ARNm. Esta conversión de información se conoce como “decodificación”, y se considera extremadamente exacta (con un error de aproximadamente 5 × 10^–4 por residuo de aminoácido) y rápida (incorpora aproximadamente 15 aminoácidos por segundo, a 37°C de temperatura). Este fenómeno es uno de los procesos más complejos que se realizan dentro de la célula; en él participan numerosos factores traduccionales de manera coordinada y consume gran cantidad de energía (aproximadamente el 80%, en forma de adenosín trifosfato [ATP] y 20% de guanoín trifosfato [GTP]) que la célula produce.

La cadena molde que la traducción requiere para su inicio es el ARNm, que se codifica por el código genético con una secuencia de 64 codones diferentes. El modo de lectura del ARNm es igual al observado en la transcripción, el cual tiene como inicio el extremo 5’ y finaliza en el extremo 3’, de tal manera que permite crecer una cadena peptídica partiendo de un extremo N-terminal para finalizar en un extremo C-terminal. A la principal reacción de la traducción se la conoce como polimerización, que es la adición secuencial de aminoácidos (según la información genética), uno tras otro, mediante la formación de enlaces peptídicos.

Un gen contiene la información necesaria para transcribirse en un ARNm, que a su vez puede expresarse como una proteína. Esta expresión se da debido a que las instrucciones trasladadas del ADN al ARN y en especial del ARNm a las proteínas se transmiten en forma de códigos.

El ADN está formado por cuatro bases nitrogenadas (A, C, G, T). Si se representara cada aminoácido por un nucleótido específico no se podrían formar los 20 aminoácidos que están presentes en las proteínas; de igual forma, agrupar nucleótidos de dos en dos, permitiría formar hasta 16 combinaciones posibles, pero seguiría siendo insuficiente. Así, la forma en la que se codifica la información es en grupos de tres nucleótidos, lo que conforma un triplete, o codón, que representará un aminoácido o señal específica que la célula interpreta durante el proceso de traducción. De esta manera, ya que se dispone de cuatro bases diferentes, se tienen 64 diferentes combinaciones posibles de tres nucleótidos (4³), 61 de los cuales codifican para aminoácidos y tres marcan la terminación de la traducción, lo que permite asignar de manera adecuada un código de tres bases (o varios) para la formación de cada uno de los 20 aminoácidos presentes en las proteínas y así poder descifrar el mensaje genético contenido en el ADN.

Este sistema de códigos se denomina código genético (figura 6-1), el cual muestra de manera práctica los 64 codones y su significado, a fin de poder interpretar la información de una secuencia dada. La forma de agrupar estas combinaciones se fundamenta en elegir una de las bases de cada sección de la tabla, que se organizan en orden de derecha a izquierda y de arriba abajo; es decir, se lee primero la base de la columna de la izquierda, después la base de la fila superior, seguida de la base de la columna de la derecha, para de esta manera formar cada triplete.

Este código genético es utilizado por la célula para sintetizar proteínas a través del proceso de traducción, donde la secuencia de nucleótidos del ARNm, que a su vez representa la secuencia del ADN, se lee en grupos de tres (CGU, GAA, etc.), de modo secuencial y sin interrupciones, para convertirse en una secuencia de aminoácidos. Por lo tanto, la expresión de una proteína está dada por el orden en que se encuentran los nucleótidos en el ADN, que determina el ordenamiento que se tiene al momento de ser transcrito a un ARNm y, por ende, define la secuencia de aminoácidos que tendrá una proteína.

Características del código genético

El código genético es específico y continuo, ya que cada codón tiene un significado único y los códigos se leen de manera continua y lineal; esto es, cada base puede pertenecer sólo a un codón, de tal forma que no hay duplicación ni omisión de ningún nucleótido en la lectura, y por lo tanto no hay sobreposicionamiento.

El código genético es redundante pero no ambiguo. Hay aminoácidos codificados por más de un codón (exceptuando los codones para los aminoácidos metionina y triptófano), y en general, en estos casos los codones se parecen entre sí y difieren sólo en el tercer nucleótido, de manera tal que este nucleótido presenta una baja especificidad, lo que se denomina “degeneración” de la tercera base en la mayoría de los codones. Entonces se dice que una base es cuatro veces degenerada si, con cualquiera de las bases nitrogenadas presente en una posición específica, el resultado es que codifique el mismo aminoácido, como sería el caso de la alanina, en la cual los codones que codifican para este aminoácido deben contener GC como primera y segunda base; sin embargo, la tercera base puede ser cualquiera de las cuatro bases nitrogenadas, sin cambiar el sentido de la lectura.

Por esta razón, una característica del código genético es ser degenerado (cuadro 6-1), debido a que de los 64 codones que se conocen, 61 son utilizados para codificar a los 20 tipos diferentes de aminoácidos. Cuando un aminoácido puede ser traducido por dos, tres, cuatro y hasta seis codones diferentes, estos tripletes son conocidos como “sinónimos”, y no todos pueden ser reconocidos por el mismo anticodón, por lo que en estos casos se observan dos o tres ARNt distintos, que pueden transportar el mismo aminoácido, pero con diferentes anticodones.

Los tres codones restantes (UAA, UGA y UAG) tienen la función de terminar la traducción de una secuencia nucleotídica; esto es, que una vez que se ha agregado el último aminoácido que conforma la proteína en la cadena polipeptídica, mandan señales de paro para detener el proceso de traducción e informar a la célula que la síntesis proteica ha finalizado. Estos tripletes reciben el nombre de codones de terminación, de paro o sin sentido.

Otra característica del código genético es su universalidad, ya que hasta hace poco se consideraba que desde las bacterias hasta el hombre, la interpretación de los codones por aminoácidos era igual en todas las células de todas las especies, es decir, que todas “leen” los genes de la misma manera. Hoy por hoy, se conoce que esto no es totalmente cierto, ya que se han encontrado excepciones en las mitocondrias humanas, en otros mamíferos y en ciertas bacterias. Por tanto, es más correcto afirmar que el código genético es casi universal (cuadro 6-2).

La traducción ocurre en el citoplasma de la célula, con la formación del complejo traduccional, formado por tres tipos de ARN, mensajero (ARNm), de transferencia (ARNt) y ribosomal (ARNr).

El ARNm es una molécula de ácido nucleico de cadena sencilla que contiene la información genética almacenada en el ADN y su secuencia es complementaria a una de las cadenas del ADN, a la que se la llama cadena molde. Presenta una disposición de tripletes de nucleótidos o codones, esto es, que están agrupados de tres en tres de manera secuencial, los cuales determinan la secuencia de aminoácidos en la proteína. Dicho de otro modo, esta molécula se obtiene mediante la transcripción, en la cual secuencias específicas de ADN son copiadas a ARNm, que transporta al citoplasma el mensaje contenido en el ADN a los sitios de síntesis proteica (los ribosomas).

Las moléculas de ARNt son de pequeño tamaño con estructura de bucles y son los ARN encargados de transportar al aminoácido hasta el ARNr, donde serán unidos, uno tras otro, mediante enlaces peptídicos. La enzima aminoacil-ARNt-sintetasa es la encargada de dicha unión, en un proceso que consume ATP. Los ARNt contienen en su secuencia al anticodón, un triplete de bases que se encuentra en el asa central del ARNt, en las posiciones 34, 35 y 36, que se une de manera complementaria con el codón del ARNm, durante la síntesis de una proteína, con la finalidad de introducir un aminoácido específico a la cadena polipeptídica naciente.

El dominio del anticodón está implicado de manera lejana en la discriminación entre las formas de iniciación y elongación del ARNt y en las funciones alternas del ARNt, tales como la iniciación de la transcriptasa inversa en los retrovirus.

El ARNr es el tipo de ARN más abundante en las células y forma parte de los ribosomas, que son las estructuras citoplasmáticas responsables de la biosíntesis proteica.

Como los otros ARN, el ARNr está formado por una sola hebra nucleotídica, con bases complementarias en algunas regiones, lo que le permite adquirir una estructura secundaria especial. Se denomina según su coeficiente de sedimentación, medido en Svedbergs (S) y, de esta manera, en organismos procariotas existen tres ARNr distintos: 5S, 16S y 23S y en organismos eucariotas cuatro: 5S, 5.8S, 18S y 28S.

El ARNr forma parte de los ribosomas, los cuales están formados por dos subunidades llamadas subunidad menor y subunidad mayor (figura 6-2). En el proceso de traducción el ribosoma tiene dos funciones:

• Permitir la unión del ARNm al ARNt, proporcionando los sitios donde interactúan el codón del ARNm con el anticodón del ARNt.

• Catalizar la transferencia del aminoacil-ARNt (ARNt unido a su aminoácido) al peptidil-ARNt (ARNt unido a la cadena peptídica naciente o creciente), siguiendo la secuencia de codones del ARNm, según las equivalencias del código genético.

El ribosoma cuenta con tres sitios llamados A, P y E (figura 1). Los dos primeros sitios se encuentran en ambas subunidades del ARNr y participan directamente en la decodificación del ARNm. El sitio P (centro P o peptidilo) es donde se localiza al peptidil-ARNt y, por lo tanto, donde se observa la elongación de la cadena peptídica, mientras que en el sitio A (centro A o aminoacilo) es el lugar por el cual el aminoacil-ARNt (correspondiente a la lectura del codón) entra al complejo traduccional, para después transferir este aminoácido al peptidil-ARNt y generar el enlace peptídico. El centro catalítico donde se genera este enlace se localiza en la subunidad mayor. En cambio, el sitio E (centro Eliminación o salida) es el lugar por donde saldrá del complejo ribosomal el ARNt sin aminoácido, una vez que lo dejó en la cadena polipeptídica en formación.

Interacción codón/anticodón

La interacción codón/anticodón permite al ARNm, dirigir el orden de incorporación de los aminoácidos dentro de la cadena polipeptídica. Estas interacciones ocurren dentro de la subunidad menor.

La interpretación de un codón requiere el principio de complementariedad de bases con el anticodón del aminoacil-ARNt correspondiente. Los tripletes complementarios se aparean no sólo por acoplamiento de AU y de GC, sino que también el ribosoma controla el ambiente, de manera tal que el acoplamiento convencional ocurra en las primeras dos posiciones del codón, pero se permiten reacciones adicionales en la tercera base. En consecuencia, un solo aminoacil-ARNt puede reconocer más de un codón. Además, el apareamiento de interacciones también puede influir en la introducción de bases especiales en ARNt, en especial por modificaciones en el anticodón o cerca de él. La tendencia para que los aminoácidos “similares” sean representados por codones relacionados reduce al mínimo los efectos de mutaciones. Por ejemplo, una mutación de CUC por CUG no tiene ningún efecto, puesto que ambos codones codifican para leucina y una mutación de CUU por AUU reemplaza la leucina por isoleucina, un aminoácido relacionado.

Fenómeno de bamboleo

La interacción codón/anticodón ocurre básicamente con la teoría de complementariedad de base establecida por Watson y Crick, por lo que debería de existir igual número de anticodones que de codones, es decir 61; sin embargo, se sabe que existen menos de 61 ARNt, por lo que se deduce que un ARNt puede complementarse con más de dos codones diferentes.

El reconocimiento se da entre la complementariedad de las bases 1, 2 y 3 del codón con las bases 3, 2 y 1 del anticodón, respectivamente (figura 6-3A). Para explicar este fenómeno se estableció la hipótesis de bamboleo o fluctuación, que expresa dos reglas:

1. Las bases tercera y segunda del anticodón forman puentes de hidrógeno con las bases primera y segunda del codón, lo que determina la especificidad de la interacción codón/anticodón.

2. La primera base del anticodón puede orientarse o girarse de formas ligeramente distintas (bamboleo o fluctuación), para interaccionar con distintas bases en la posición tercera del codón (figura 6-3B). Estas uniones presentan enlaces de hidrógeno diferentes a los observados en las bases tercera y segunda. Debido a esto, la interacción codón/anticodón es más débil.

Dicho de otra manera, esta hipótesis ocurre entre la tercera base del codón y la primera base del anticodón. Las reglas originales del bamboleo sugirieron que el primer nucleótido del anticodón podía complementarse con más de un nucleótido en la tercera posición del codón. Así, los anticodones con un uracilo en la primera posición podían unirse con los codones que tenían adenina o guanina en la tercera posición. Los que presentaban una guanina en la posición 3, podían unirse con los codones que terminaban con uracilo o citosina. Pero algo más interesante se observó cuando el ARNt que presentaba una inosina en la posición 3 podía reconocer los codones que terminaban con citosina, uracilo o adenina. Por ejemplo, el ARNt-Ala de la levadura, anticodón 5’-IGC-3’, se puede unir a tres codones: 5-GCC-3’, 5’-GCU-3’ y 5’-GCA-3’.

La biosíntesis de las proteínas se divide en las siguientes fases o estadios (cuadro 6-3):

• Fase de activación de los aminoácidos.

• Fase de traducción, que comprende:

  • –Inicio de la síntesis proteica.

  • –Elongación de la cadena polipeptídica.

  • –Terminación de la síntesis de proteínas.

Activación de los aminoácidos

Los aminoácidos son activados mediante la acción de la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa y la hidrólisis de dos moléculas de ATP (figura 6-4A), uno para la remoción del pirofosfato (PPi) y el segundo para la hidrólisis de PPi a dos ácidos fosfóricos inorgánicos (2Pi), esta última reacción, con la intervención de la enzima pirofosfatasa, lo que permite que un aminoácido pueda unirse a su ARNt específico, y genera un aminoacil-ARNt cargado (figura 6-4B). En este proceso se libera un AMP + 2Pi y, tras ellos, la enzima, que vuelve a utilizarse. Cada tipo de ARNt, al unirse al aminoácido, lleva antepuesto el nombre del aminoácido que transporta; por ejemplo, leucinil-ARNt para el que transporta leucina, metionil-ARNt para la metionina, y así para todos los aminoácidos. Por otro lado, el ARNt unido al aminoácido compatible con él se designa aminoacil-ARNt^AA, en el que “AA” corresponde a la sigla del aminoácido. Por ejemplo, leucinil-ARNt^Leu, metionil-ARNt^Met, etcétera.

Inicio de la síntesis de proteínas

La fase de iniciación no sólo es el reconocimiento del codón de inicio (codón AUG), sino que también incluye todos los procesos para la formación del complejo traduccional y la formación del primer enlace peptídico (cuadro 6-4). El primer paso que se realiza en el inicio es la unión de la subunidad menor al ARNm (figura 6-5A), con la asistencia de factores de traducción llamados factores de iniciación (IF), como se observa en la tabla 4. Una vez unido el ribosoma al ARNm a través del ARNr, el ARNt iniciador entra al sitio P y reconoce al codón AUG para iniciar la traducción (figura 6-5B). La identificación del sitio P es mediada por la acción de los IF, sólo bajo estas condiciones el ARNt iniciador es el único ARNt que puede entrar por el sitio P; los siguientes entrarán por el sitio A. El ARNt iniciador transportará una metionina que no llevará a un grupo formilo.

La lectura del codón se lee en dirección 5’ a 3’ por el anticodón, que se unirá en sentido invertido, de 3’ a 5’. Ya formada esta unión, la subunidad mayor forma el complejo con la subunidad menor (figura 6-5C), con ayuda de los IF. En el acople de la subunidad menor del ribosoma con el metionil-ARNt, actúa el eIF-4 para eucariotas y el IF-3 para procariotas. IF-2 se asocia con GTP y se unen al metionil-ARNt con el complejo ribosomal, si el codón/anticodón son complementarios, se hidroliza el GTP y la unión se vuelve estable. La iniciación termina cuando el complejo ribosomal está completo y formada la unión codón/anticodón.

En las bacterias esta unión se realiza cerca del codón de inicio en donde una secuencia corta específica del ARNm llamada secuencia Shine-Dalgarno, se une por complementariedad a una secuencia en el ARNr de la subunidad menor. Para las células eucariotas la secuencia específica en el ARNm se llama secuencia Kozak.

La secuencia Shine-Dalgarno, encontrada en procariotas, es rica en purinas, localizada río arriba (extremo 5’) a 6 o 10 pares de base del codón de inicio en el ARNm. El ARNr de la subunidad menor cuenta en su extremo 3’ con una secuencia que es toda o casi a toda complementaria a la secuencia Shine-Dalgarno, lo que facilita la unión y la colocación del aminoacil-ARNt en la subunidad menor del ribosoma (figura 6-3A).

La secuencia de Kozak, encontrada en eucariotas, difiere de la anterior levemente y en ésta se incluye el codón de inicio. La purina a -3 y la guanina a +4 son los determinantes principales. El mecanismo se inicia cuando el ribosoma se une al extremo 5’ del ARNm, para posteriormente desplazarse hasta encontrar el codón de inicio situado en la secuencia de Kozak.

Elongación en la síntesis de proteínas

El crecimiento de la cadena polipeptídica implica la incorporación de nuevos aminoácidos, transportados por el aminoacil-ARNt correspondiente y adicionados al extremo carboxi-terminal de la cadena en crecimiento; en otras palabras, el radical carboxilo (–COOH) del aminoácido iniciador se une con el radical amino (NH₂) del aminoácido siguiente mediante la formación de un enlace peptídico (figura 6-6), catalizada por la enzima peptidiltransferasa.

Es una reacción cíclica, que requiere de tres pasos para añadir un aminoácido.

1. Decodificación del aminoacil-ARNt en el sitio A.

2. Transferencia del aminoácido al peptidil-ARNt.

3. Desplazamiento del ribosoma.

La decodificación requiere forzosamente de dos proteínas de unión al GTP, llamados factores de elongación (EF; cuadro 6-3). Se utiliza una tercera proteína, EF-Tu (en bacterias) y EF-1a (en eucariotas), asociada al aminoacil-ARNt y con un GTP para formar un complejo ternario. Cuando el aminoacil-ARNt se une al codón del ARNm de forma correcta, se genera una hidrólisis que libera un ácido fosfórico del GTP y lo convierte en guanosín difosfato (GDP), lo que permite que la cadena peptídica que contiene el peptidil-ARNt forme un enlace peptídico con el aminoácido que forma parte del aminoacil-ARNt, que se transforma en un nuevo peptidil-ARNt. La enzima que cataliza esta unión es la peptidil-transferasa. Después de esto existe otra hidrólisis de GTP, pero de un complejo originado por la proteína EF-G (en bacterias) o EF-2 (en eucariotas), lo que permite que se realice un desplazamiento del ribosoma (tres nucleótidos hacia el extremo 3’ del ARNm, movimiento conocido como translocación). Este desplazamiento se da cuando el centro P queda ocupado por un ARNt sin aminoácido, provocando la translocación ribosomal y colocando el ARNt sin aminoácido en el centro E, por donde sale del ribosoma y el peptil-ARNt formado se coloca en el centro P. Se trata de un fenómeno cíclico, por lo que se realizará tantas veces como aminoácidos se añadan a la cadena peptídica en crecimiento.

Terminación de la síntesis de proteínas

La terminación se observa cuando al sitio A lee alguno de los codones de paro o tripletes sin sentido del ARNm, los cuales tienen como característica no codificar para ningún aminoácido. En esta fase, los factores de liberación (RF) imitan al ARNt y reconocen directamente el codón de terminación (cuadro 6-3). Además, estos RF requieren de una molécula de GTP para permitir que el polipéptido recién sintetizado se libere del complejo traduccional y, al mismo tiempo, permite que se disocie la unión entre el ARNr y el ARNm (figura 6-7).

La terminación de la traducción requiere de dos RF:

1. Factores clase I, también llamados factores de liberación específicos de codón (RF-1 y RF-2 para procariotas y eRF-1 para eucariotas).

2. Factores clase II, también llamados factores de liberación no específicos (RF-3 en procariotas y eRF-3 en eucariotas) que une un nucleótido de guanina.

Cuando los RF reconocen correctamente el codón de paro, el centro de transferencia o de formación del enlace peptídico dentro del ARNr (llamado dominio V en la subunidad mayor) cambia el modo catalítico e hidroliza al peptidil-ARNt, lo que permite la liberación de la cadena peptídica del ARNt. Ya libre el péptido, el complejo traduccional se disocia por un factor de reciclaje del ribosoma denominado factor de terminación (RRF en bacterias), y permite con esto la reutilización del ARNr, de los factores de liberación y del ARNt para la siguiente síntesis proteica.

Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARNm queda libre y puede leerse de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice la síntesis de una proteína ya esté comenzando otra, con lo cual una misma molécula de ARNm está siendo utilizada por varios ribosomas de forma simultánea. Cuando esto se observa, a la estructura que se forma (como un rosario) se le llama polirribosoma o polisoma.

También llamado topogénesis. Se refiere a la ruta que siguen las proteínas en la célula hasta alcanzar su localización (intra o extracelular) donde ejercerán su función. Esta topogénesis se realiza en el citosol, en donde participan varios organelos (retículo endoplásmico, aparato de Golgi, mitocondrias, peroxisomas y lisosomas entre los más destacados).

Las proteínas sintetizadas en la célula que son iniciadas por ribosomas libres del citosol como las proteínas nucleares, las citosólicas y las que están destinadas a cloroplastos, mitocondrias o peroxisomas, concluyen su síntesis en dichos ribosomas para luego dirigirse al citosol. La clave del proceso por el que las proteínas se dirigen a su sitio son las señales de clasificación, conocidas como secuencias señal, péptido señal o etiqueta señal, entre las que se encuentran las proteínas de membrana, lisosomales y de secreción, mientras que las proteínas que no presentan secuencias señal permanecen en el citosol (citosólicas, nucleares, de mitocondria y de peroxisomas).

Péptido señal o etiqueta señal

El péptido señal y la región señal determinan el destino celular correcto de las proteínas. Los péptidos señales cuentan con una secuencia corta de aminoácidos (13-60 aa), situados con frecuencia cerca del extremo amino (N-terminal) de la cadena que marcan a la proteína recién sintetizada (cuadro 6-5). Esta secuencia se divide en tres secciones: la primera cuenta con uno o más aminoácidos básicos en el extremo N-terminal; la segunda se encuentra en la parte central y consta de seis o siete aminoácidos hidrofóbicos, y la tercera se encuentra en la parte C-terminal, es hidrófila y contiene la zona reconocida y cortada por la peptidasa del líder.

Mecanismo de acción. La síntesis de proteínas de secreción se inicia en los ribosomas citosólicos. La secuencia señal sobresale del ribosoma y se une inmediatamente a la partícula de reconocimiento de la señal (SRP) que se encuentra en el retículo endoplásmico y se interrumpe momentáneamente la síntesis proteica. La SRP se disocia del ribosoma y la síntesis se reinicia. Estos procesos requieren la hidrólisis de un GTP.

En cuanto a su estructura, la SRP es una ribonucleoproteína formada por seis polipéptidos y un ARN, del grupo de los ARN citoplasmáticos pequeños o scARN.

La proteína TRAM (translocación a través de la membrana) se une a la secuencia señal y, junto con una familia de moléculas llamadas proteínas Sec (SecA, SecY y SecE), forman el complejo de translocación, que dirige la proteína naciente hacia el interior del retículo endoplásmico. La secuencia señal a menudo es eliminada de la proteína por escisión proteolítica de la peptidasa en el interior del retículo endoplásmico. Una vez completa la síntesis, el ribosoma se disocia de la membrana del retículo endoplásmico y puede volver a comenzar un nuevo ciclo.

Algunas proteínas pueden atravesar la membrana del retículo endoplásmico después de su síntesis. En este caso, se necesita la intervención de una o más proteínas desnaturalizantes que aprovechan la energía de la hidrólisis del ATP para mantener la proteína total o parcialmente desnaturalizada mientras atraviesa la membrana.

El aspecto más destacable del tráfico intracelular es el que corresponde a las proteínas de secreción. Esto ocurre a través de la membrana del retículo endoplásmico y el aparato de Golgi.

La expresión de los genes en todos los organismos procariotas y eucariotas, está controlada por una gran variedad de mecanismos (cuadro 6-4). La mayoría de los procesos biológicos son regulados por modificaciones postraduccionales de las proteínas, y las condiciones que interrumpen la regulación de tales acontecimientos pueden conducir al desarrollo de una enfermedad.

Diversos aminoácidos que forman la cadena polipeptídica sufren modificaciones químicas en sitios específicos, que pueden afectar la estructura o la función de la proteína. Estas modificaciones se correlacionan con la estabilidad y la capacidad de presentar giros en la proteína y, en un grado menor, en la función.

Muchas cadenas polipeptídicas se modifican mientras están unidas al complejo ribosomal o cuando finaliza su síntesis. Como las modificaciones se realizan ya iniciada la traducción se denominan modificaciones postraduccionales. Tras la traducción hay proteínas enzimáticas que ya son activas y otras que precisan ser modificadas. En estas modificaciones participan remociones de aminoácidos (generalmente se separa el aminoácido metionina o aminoácido iniciador); la adición de uno o varios grupos químicos, y la asociación de iones o coenzimas (grupo prostético) en algunas enzimas. Todas estas modificaciones son necesarias para darle actividad a la proteína.

Las proteínas pueden estar constituidas por una cadena polipeptídica o por varias subunidades, y estas últimas pueden ser iguales o distintas, según provengan del mismo gen o de genes diferentes. El control de calidad del plegamiento de las proteínas para adquirir la estructura cuaternaria o conformación tridimensional se lleva a cabo por chaperonas y proteasas. Las proteínas chaperonas tienen la función de plegar o replegar de forma correcta las proteínas recién sintetizadas (modificación postraduccional), y las proteasas deben degradar aquellas proteínas que, a pesar de la acción de las chaperonas, no se pliegan de forma correcta.

Las modificaciones postraduccionales son importantes para determinar la función y la actividad de la proteína. De las casi 200 modificaciones distintas que se conocen, la fosforilación es una de las modificaciones más importantes y abundantes, con más del 30% de proteínas modificadas por este proceso. Tales modificaciones tienen un papel importante en la estabilidad, plegamiento y reconocimiento. Las proteínas glucosiladas pueden ser encontradas en los compartimientos intracelulares.

Los principales mecanismos de modificaciones postraduccionales son los producidos en la etiqueta señal, en algunos residuos de aminoácidos (glucosilación, fosforilación, hidroxilación, acetilación, etcétera) y la proteólisis.

Dentro de las modificaciones covalentes, se encuentran las modificaciones a grupos funcionales (R) y cadenas laterales amino y carboxiloterminales. Para el grupo R se han encontrado más de 150 modificaciones covalentes diferentes. Estas modificaciones se conocen para los siguientes aminoácidos: Ala, Gli, Ile, Leu, Met y Val. Las modificaciones postraduccionales más importantes son:

Acetilación

Muchas proteínas están modificadas en su N-terminal. En la mayoría de los casos, la metionina (iniciador) es hidroxilada y un grupo acetilo se agrega al nuevo aminoácido N-terminal; se observa hasta en un 50% en proteínas de eucariotas. Uno de los efectos que presentan esta modificación es el incremento de la resistencia a su degradación. También se observa una acetilación en la lisina de la histona H4 de manera reversible, que le hace responsable de la regulación de la condensación de la cromatina.

El Acetil-CoA es el donador del acetilo para estas reacciones. Algunas proteínas tienen el grupo de miristoil de 14 carbonos agregado a su N-terminal. El donador para esta modificación es el miristoil-CoA. Esta última modificación permite la asociación de la proteína modificada con las membranas. La subunidad catalítica de la proteincinasa dependiente del cAMP (PKA) se encuentra miristoilado.

Carboxilación

En los aminoácidos de algunas proteínas, se añade un grupo carboxilo a la cadena lateral de un aminoácido, como en el -CH⁺² del aspartato (β-carboxiaspartato), o del glutamato (γ-carboxiglutamato). Este último es esencial para la trombina como factor de coagulación por su acción quelante hacia el Ca⁺². También participan en proteínas estructurales del hueso. La carencia de vitamina K, que participa como cofactor en la carboxilación del ácido glutámico, permite que se carboxile de manera insuficiente durante la biosíntesis de aminoácidos, y ocasiona la generación del síndrome hemorrágico.

Metilación

La metilación postraduccional de las proteínas ocurre en los nitrógenos y en los oxígenos; el donador de grupos metilo activado es la S-adenosilmetionina (SAM). Las metilaciones más comunes están en la ε-amina de los residuos de lisina, y algunas metilaciones de nitrógeno adicionales se encuentran en el anillo imidasólico de la histidina, en el grupo guanino de la arginina y en los grupos R del glutamato y del aspartato. La N metilación es una modificación permanente y no se conocen enzimas en los mamíferos que puedan eliminar el grupo metilo. La metilación del oxígeno de los grupos R del glutamato y del aspartato también puede formar ésteres metilados. Las proteínas también pueden metilarse en los grupos R-tioles de la cisteína. La metilación de las histonas en el ADN es un regulador importante de la estructura de la cromatina y en consecuencia de la actividad transcripcional. Esta regulación se da en el Lis-20 de las H4, en proteínas musculares y en el citocromo C; estos dos últimos contienen monometil y dimetil-lisina.

Fosforilación

La fosforilación postraduccional es una de las modificaciones de la proteína más comunes que ocurren en las células animales y actúa casi siempre de forma reversible (fosforilación y desfosforilación). La gran mayoría de fosforilaciones ocurren como un mecanismo para regular la actividad biológica de una proteína (regulación por modificación covalente). En otros términos, un fosfato (o más de uno en muchos casos) se agrega y después se quita.

Fisiológicamente, los ejemplos pertinentes son que las fosforilaciones que ocurren en la síntesis de glucógeno y fosforilación del glucógeno en los hepatocitos, en respuesta al glucagon que libera el páncreas. Las fosforilaciones que ocurren en la síntesis inhiben su actividad, considerando que la actividad de la fosforilasa se aumenta.

La versatilidad de la fosforilación de los grupos fosfato es un interruptor que, según donde ocurra, provoca el encendido o el apagado del proceso de división celular. El proceso de fosforilación también permite entender por qué una pequeña mutación en el material genético, que da lugar a un cambio de un aminoácido por otro en una proteína participante en la división celular, puede hacer que las células proliferen continuamente, al perderse el sitio en el que se introduce un grupo fosfato para bloquear su actividad.

Las proteínas que provocan la fosforilación son las cinasas y las que eliminan los fosfatos son las fosfatasas. Las cinasas catalizan la siguiente reacción:

En células animales, la serina, la treonina y la tirosina están sujetas a la fosforilación, que afecta a su grupo -OH. Aunque el nivel de fosforilación de la tirosina es menor, su fosforilación es funcionalmente muy importante. Como un ejemplo, la actividad de numerosos receptores del factor de crecimiento es controlada por la fosforilación de la tirosina.

Sulfatación

La modificación del sulfato en algunas proteínas ocurre en los residuos de tirosina, como se observa en el fibrinógeno y en algunas proteínas secretoras. El donador del sulfato universal es el 3’-fosfoadenosil-5’-fosfosulfato (PAPS). Puesto que el sulfato es agregado de forma permanente, es necesario para la actividad biológica y no se utiliza como una modificación regulatoria, como sucede en la fosforilación de tirosina.

Glicosilación o glucosilación

Una de las formas más comunes de modificación proteica está representada por la glucosilación. Se le da este nombre debido a que se unen de manera covalente las cadenas de oligosacáridos (glicanos), con algunos aminoácidos de la cadena proteica y en general no desempeña un papel en la regulación de la actividad de la proteína. Sin embargo, debido al fenómeno hidrofílico de los azúcares, mantienen la solubilidad de las glicoproteínas y aseguran el plegamiento correcto de los dominios, por lo que dan la estabilidad extracelular de la proteína contra la degradación. Esta modificación es frecuente en proteínas de membrana, y casi no se observan en proteínas intracelulares; se observa en eucariotas y virus, pero no en procariotas.

Hidroxilación

La función de un gran número de hidroxilasas, presentes en el RE, es la de catalizar la incorporación de grupos -OH a algunas proteínas. Estas modificaciones que dependen de la vitamina C como cofactor incluyen hidroxilaciones de prolina, lisina (se observa en 50% de las prolinas presentes en colágeno) y la amidación del C-terminal. Las enzimas que se hidroxilan se identifican como prolil hidroxilasa y lisil hidroxilasa. El donante de la amida para la amidación del C-terminal es la glicina. Las proteínas hidroxiladas más importantes son los colágenos. Varias hormonas peptídicas, como la oxitocina y la vasopresina, tienen amidación el C-terminal. Debido a lo anterior, una mala hidroxilación del colágeno podría derivar en el desarrollo de escorbuto, acompañado con déficit de vitamina C.

Modificación con lípidos

Acilación

En general, esta reacción tiene lugar en proteínas citosólicas insolubles, sintetizadas en ribosomas libres. Afecta las cadenas laterales y/o los extremos del polipéptido, incrementando su hidrofobicidad y proporcionando a la proteína un punto de anclaje en la membrana. Los principales ácidos grasos que se incorporan por acilación son: el miristato (14C), el palmitato (16C) y el estearato u oleato (18C), en las cadenas laterales de serina y treonina, formando un enlace éster con el grupo -OH, y en cisteína formando enlace tioéster con el SH.

Prenilación (terpenos)

Se refiere a la adición del grupo geranilo (10C) farnesil (15C) o el geranilgeranilo (20C) a proteínas receptoras, que son compuestos isoprenoides derivados, los dos primeros, de la vía biosintética del colesterol. Los grupos isoprenoides se unen a residuos de cisteína en el extremo C-terminal de las proteínas, con la formación de un enlace tioéter (C-S-C). Se ha identificado una secuencia consenso común en el extremo C-terminal de las proteínas preniladas y se compone de CAAX, donde C es cisteína, A es cualquier aminoácido alifático (excepto alanina) y X es el aminoácido C-terminal. Para que la reacción de prenilación ocurra, los tres aminoácidos C-terminal (AAX) son retirados. Después de unirse el grupo prenilado, el carboxilato de la cisteína se metila en una reacción que utiliza S-adenosilmetionina como donante de metilenos.

Algunas de las proteínas más importantes, cuyas funciones dependen de la prenilación, son aquellas que modulan la respuesta inmune. Estas proteínas incluyen las involucradas en la motilidad, la activación y la proliferación de los leucocitos y en las funciones inmunes de las células endoteliales. Otras de las proteínas modificadas con farnesilo son la proteína ligadora e hidrolizante de GTP, llamada RAS, y las proteínas-G, que se unen e hidrolizan el GTP en las cascadas de señalización intracelular. Estas funciones modifican la respuesta inmune de muchas proteínas preniladas, que son la base de las acciones antiinflamatorias de los fármacos que inhiben las síntesis de colesterol, llamadas estatinas, debido a que disminuyen la síntesis de farnesil pirofosfato y geranil pirofosfato y, por tanto, reducen los episodios inflamatorios.

Formación de puentes disulfuro

Los enlaces de disulfuro se forman generalmente en el lumen del RER, pero no en el citosol, por la enzima proteína-disulfuro isomerasa. Esto se debe al ambiente oxidante del retículo endoplásmico y al ambiente reductor del citosol. Así, los enlaces de disulfuro se encuentran, sobre todo, en proteínas secretoras, lisosomales, y en los dominios exoplasmáticos de las proteínas de la membrana. Hay excepciones notables a esta regla. Un número de proteínas citosólicas tienen residuos de cisteína próximos uno contra el otro, que funcionan como los sensores de la oxidación; cuando el potencial reductor de la célula falla, oxidan y accionan mecanismos celulares de respuesta. Varias proteínas forman enlaces covalentes mediante puentes disulfuro entre la cisteína de la misma cadena (intracatenaria) o con otra de una cadena distinta (intercatenaria). Este tipo de enlaces se dan en menor cantidad en las proteínas intracelulares que en las extracelulares, favorecen un correcto plegamiento y ayudan a la protección de la conformación nativa de la proteína de la desnaturalización.

Procesamiento proteolítico

También llamada por algunos científicos recorte, es el mecanismo más común de modificaciones, aunque también se presenta la derivación de aminoácidos específicos. Probablemente la gran mayoría de las proteínas maduras deben modificarse de esta manera: a todas se les deben retirar algunas porciones de la cadena [metionina (o-Met)], después de emerger del ribosoma. Muchas proteínas involucradas en una gama de procesos biológicos se sintetizan como precursores inactivos, que se activan en condiciones adecuadas mediante la proteólisis limitada.

Por ejemplo:

En todos los casos, las flechas significan corte proteolítico.

A las proteínas inactivas, activadas al retirarles segmentos de la cadena, se las denomina proproteínas, y a los segmentos extraídos, propéptidos.

En la actualidad, un sinnúmero de moléculas actúan deteniendo, complicando o evitando la síntesis de una nueva proteína (cuadros 6-6 y 6-7). Esta característica de algunas moléculas se utiliza en el ámbito farmacéutico, donde se observa que las principales moléculas inhibidoras de la síntesis de proteínas son los antibióticos. Más de la mitad de los antibióticos actúan inhibiendo uno de organelos responsables de la síntesis de proteínas, el complejo ribosomal. Su mecanismo se ve favorecido por la capacidad de diferenciar entre los procesos de traducción presentes en procariotas y eucariotas, y así inhibe de forma selectiva la síntesis de proteínas en las bacterias sin afectar al huésped.

Los antibióticos pueden agruparse según la fase concreta de la elongación sobre la que actúan en:

1. Inhibición del reconocimiento de un aminoacil-ARNt en el sitio A del ribosoma.

2. Inducción de la presencia de errores en la lectura del ARNm.

3. Inhibición de la formación del enlace peptídico.

4. Inhibición de la translocación del peptidil-ARNt desde el sitio A al sitio P.

5. Bloqueo de los factores de elongación.

Inhibición del reconocimiento de un aminoacil-ARNt al sitio A del ribosoma

Tetraciclinas: interactúan con las subunidades ribosomales pequeñas y no permiten la entrada al aminoacil-ARNt al complejo ribosomal, evitando su unión al complejo ARNm-ribosoma. In vitro actúan tanto en ribosomas 70S como en 80S, pero in vivo no se observa este fenómeno. Esto se debe a que las bacterias transportan complejos de tetraciclina-Mg de forma “suicida”, cosa que no ocurre en eucariotas.

Inductores de errores en la lectura del ARNm

Aminoglucósidos: principalmente la estreptomicina, que en concentraciones relativamente bajas se une a los polirribosomas que están traduciendo el ARNm, provocando errores en la lectura del ARNm, al distorsionar la estructura del ribosoma. Por lo tanto, la bacteria comienza a sintetizar proteínas defectuosas, con un efecto final bactericida. En concentraciones mayores, se une a la subunidad 30S, modificando su estructura, lo que hace que el inicio no se produzca. Otros aminoglucósidos, como la gentamicina, las amicacinas, la tobramicina y la kanamicina, evitan la asociación ribosómica al final de la fase de iniciación y provocan una mala lectura del código genético.

Neomicina y eritromicina: se unen a la subunidad 50S bloqueando la translocación del complejo ribosomal.

Inhibición de la formación del enlace peptídico

Puromicina: en su estructura es similar al aminoacil-ARNt de la tirosina, por lo cual se puede unir, en el sitio A, a la cadena peptídica creciente, mediante la formación de un enlace peptídico, formando un peptidil-puromicina. Esta acción permite bloquear la translocación del complejo ribosomal, produciendo que se desacople rápidamente este complejo, evitando la elongación y causando una terminación prematura de la síntesis del péptido creciente en células tanto procariotas como eucariotas.

Inhibición de la translocación del peptidil-ARNt desde el sitio A al sitio P

Macrólidos y lincosamidas: se unen a la subunidad ribosomal 70S inhibiendo la reacción de la peptidil transferasa. Bloquean el paso de translocación e interfieren específicamente con la liberación del ARNt desacilado; es decir, impiden que el ARNt “recién ingresado”, salga del complejo una vez que ha cumplido su misión al transferirse el aminoácido al péptido naciente. Es decir, el peptidil-ARNt cargado y situado en el sitio A, no puede translocarse al sitio P, lo que detiene la síntesis de proteínas.

Bloqueo de los factores de elongación

Cloranfenicol: inhibe a la enzima peptidil transferasa en procariotas, y bloquea la fase de la transferencia peptídica de la elongación en la subunidad ribosómica 50S, y cuando su concentración se incrementa puede inhibir la síntesis de proteínas mitocondriales.

En los cuadros 6-6 y 6-7 se enlistan algunas de las moléculas con acción sobre la traducción, tanto en células eucariotas como en procariotas.