CAPÍTULO 37: Síntesis de proteína y el código genético

Las letras A, G, T y C corresponden a los nucleótidos que se encuentran en el DNA. Dentro de los genes que codifican para proteína, estos nucleótidos están organizados en palabras de código de tres letras llamadas codones, y el conjunto de estos codones constituye el código genético. Antes de que se elucidara el código genético, era imposible entender la síntesis de proteína, o explicar las mutaciones. El código proporciona un fundamento para explicar la manera en la cual los defectos de proteína pueden causar enfermedad genética, y para el diagnóstico y quizás el tratamiento de estos trastornos. Además, la fisiopatología de muchas infecciones virales se relaciona con la capacidad de estos agentes infecciosos para alterar la síntesis de proteína de la célula huésped. Muchos antibacterianos son eficaces porque alteran de manera selectiva la síntesis de proteína en la célula bacteriana invasora, pero no afectan dicha síntesis en células eucarióticas.

La información genética dentro de la secuencia de nucleótido del DNA se transcribe en el núcleo hacia la secuencia de nucleótido específica de una molécula de RNA. La secuencia de nucleótidos en la transcripción de RNA es complementaria a la secuencia de nucleótido de la cadena plantilla de este gen de acuerdo con las reglas de la formación de pares de bases. Varias clases de RNA se combinan para dirigir la síntesis de proteínas.

En procariotas hay una correspondencia lineal entre el gen, el RNA mensajero (mRNA) transcrito a partir del gen, y el producto polipeptídico. La situación es más complicada en células eucarióticas superiores, en las cuales la transcripción primaria es de mucho mayor tamaño que el mRNA maduro. Los precursores de mRNA grandes contienen regiones codificadoras (exones) que formarán el mRNA maduro, y secuencias interpuestas largas (intrones) que separan a los exones. El mRNA se procesa dentro del núcleo, y los intrones, que a menudo constituyen mucho más de este RNA que los exones, se eliminan. Los exones se empalman entre sí para formar el mRNA maduro, que se transporta hacia el citoplasma, donde se traduce hacia proteína.

La célula debe poseer la maquinaria necesaria para traducir con exactitud y eficacia la información desde la secuencia de nucleótidos de un mRNA hacia la secuencia de aminoácidos de la proteína específica correspondiente. Para lograr el entendimiento de este proceso, que se llama traducción, hubo que esperar a que se descifrara el código genético. Desde el principio quedó de manifiesto que las moléculas de mRNA mismas carecen de afinidad por aminoácidos y, por ende, que la traducción de la información en la secuencia de nucleótido del mRNA hacia la secuencia de aminoácidos de la proteína requiere una molécula adaptadora intermedia, que debe reconocer una secuencia de nucleótido específica por un lado, así como un aminoácido específico por el otro. Con esa molécula adaptadora, la célula puede dirigir a un aminoácido específico hacia la posición secuencial apropiada de una proteína durante su síntesis, según lo dicta la secuencia de nucleótido del mRNA específico. De hecho, los grupos funcionales de los aminoácidos no entran en contacto real por sí mismos con la plantilla de mRNA.

Se requieren 20 aminoácidos diferentes para la síntesis de la totalidad de las proteínas celulares; de este modo, debe haber al menos 20 codones distintos que constituyen el código genético. Dado que sólo hay cuatro nucleótidos diferentes en el mRNA, cada codón debe constar de más de un nucleótido purina o pirimidina único. Los codones que constan de dos nucleótidos cada uno sólo podrían proporcionar 16 (4²) codones específicos, mientras que los de tres nucleótidos podrían aportar 64 (4³) codones específicos.

Ahora se sabe que cada codón consta de una secuencia de tres nucleótidos; esto es, es un código triplete (cuadro 37-1). El descifrado inicial del código genético dependió mucho de la síntesis in vitro de polímeros de nucleótido, en particular tripletes en secuencia repetida. Estos ribonucleótidos tripletes sintéticos se usaron como mRNA para programar las síntesis de proteína en el tubo de ensayo, lo que permitió a los investigadores deducir el código genético.

Tres de los 64 codones posibles no codifican para aminoácidos específicos; éstos se han denominado codones sin sentido, y se utilizan en la célula como señales de terminación; especifican dónde va a detenerse la polimerización de aminoácidos hacia una molécula de proteína. Los 61 codones restantes codifican para los 20 aminoácidos que naturalmente existen (cuadro 37-1). De este modo, hay “degeneración” en el código genético; esto es, múltiples codones decodifican el mismo aminoácido. Algunos aminoácidos son codificados en varios codones; por ejemplo, seis codones diferentes, UCU, UCC, UCA, UCG, AGU y AGC especifican serina. Otros aminoácidos, como la metionina y el triptófano, tienen un solo codón. En general, el tercer nucleótido en un codón tiene menos importancia que los dos primeros en la determinación del aminoácido específico que se va a incorporar, y esto explica la mayor parte de la degeneración del código. Sin embargo, para cualquier codón específico, sólo está indicado un aminoácido único específico; con raras excepciones, el código genético es no ambiguo; esto es, dado un codón específico, sólo un aminoácido único está indicado. La distinción entre ambigüedad y degeneración es un concepto importante.

El código no ambiguo pero degenerado puede explicarse en términos moleculares. El reconocimiento de codones específicos en el mRNA por las moléculas adaptadoras tRNA depende de su región anticodón y de reglas de formación de pares de bases específicas que determinan la unión del codón tRNA-mRNA. Cada molécula de tRNA contiene una secuencia específica, complementaria a un codón, que se denomina su anticodón. Para un codón dado en el mRNA, sólo una especie única de molécula de tRNA posee el anticodón apropiado. Dado que cada molécula de tRNA puede cargarse con sólo un aminoácido específico, cada codón, por ende, sólo especifica un aminoácido. Sin embargo, algunas moléculas de tRNA pueden utilizar el anticodón para reconocer más de un codón. Con pocas excepciones, dado un codón específico, sólo un aminoácido específico se incorporará, aunque, dado un aminoácido específico, puede usarse más de un codón.

La lectura del código genético durante el proceso de síntesis de proteína no comprende superposición de codones (véase más adelante). De este modo, el código genético no tiene superposición. Además, una vez que la lectura comienza en un codón inicial específico, no hay puntuación entre los codones, y el mensaje se lee en una secuencia continua de tripletes de nucleótido hasta que se llega a un codón de parada (también denominado de terminación o finalizador) de la traducción.

Hasta hace poco, se creía que el código genético era universal. Ahora se ha mostrado que el juego de moléculas de tRNA en las mitocondrias (que contienen su propio juego, separado y distinto de maquinaria de traducción) de eucariotas inferiores y superiores, incluso seres humanos, lee cuatro codones de manera diferente a partir de las moléculas de tRNA en el citoplasma de incluso las mismas células. Como se muestra en el cuadro 37-1, en mitocondrias de mamífero, el codón AUA se lee como Met, y UGA codifica para Trp. Además, en las mitocondrias, los codones AGA y AGG se leen como codones de parada o terminadores de cadena, más que como Arg. Como resultado de estos cambios específicos para organelo en el código genético, las mitocondrias sólo requieren 22 moléculas de tRNA para leer su código genético, mientras que el sistema de traducción citoplásmico posee 31 especies de tRNA en total. Una vez notadas estas excepciones, el código genético es universal. La frecuencia de uso de cada codón de aminoácido varía considerablemente entre las especies y entre diferentes tejidos dentro de una especie. Las concentraciones de tRNA específico por lo general reflejan estos sesgos de uso de codón. De este modo, un codón particular que se usa de manera abundante se decodifica por medio de un tRNA específico con abundancia semejante que reconoce ese codón particular. Los cuadros de uso de codón se están haciendo más exactos a medida que se efectúa secuenciación de más genes y genomas; esa información puede resultar vital para la producción a gran escala de proteínas para propósitos terapéuticos (esto es, insulina, eritropoyetina). Esas proteínas a menudo se producen en células no humanas usando tecnología de DNA recombinante (capítulo 39). En el cuadro 37-2 se listan las principales características del código genético.

Las moléculas de tRNA tienen funciones y estructuras tridimensionales extraordinariamente similares. La función adaptadora de las moléculas de tRNA requiere la carga de cada tRNA específico con su aminoácido específico. Dado que no hay afinidad de ácidos nucleicos por grupos funcionales específicos de aminoácidos, este reconocimiento debe llevarse a cabo mediante una molécula de proteína capaz de reconocer tanto una molécula de tRNA específico como un aminoácido específico. Se requieren al menos 20 enzimas específicas para estas funciones de reconocimiento, y para la fijación apropiada de los 20 aminoácidos a moléculas de tRNA específicas. El proceso de reconocimiento y fijación (carga) que requiere energía procede en dos pasos, y es catalizado por una enzima para cada uno de los 20 aminoácidos; estas enzimas se llaman aminoacil-tRNA sintetasas. Forman un complejo intermedio activado de aminoacilo-AMP-enzima (figura 37-1). El complejo de aminoacilo-AMP-enzima específico a continuación reconoce un tRNA específico al cual fija la porción aminoacilo en la terminal 3′-hidroxilo adenosilo. Las reacciones de carga tienen un índice de error de menos de 10⁻⁴ y, así, son bastante exactas. El aminoácido permanece fijo a su tRNA específico en un enlace éster en tanto no se polimeriza en una posición específica en la fabricación de un precursor polipeptídico de una molécula de proteína.

Las regiones de la molécula de tRNA a las que se hace referencia en el capítulo 34 (y que se ilustran en la figura 34-11) ahora adquieren importancia. El extremo citidina seudouridina ribotimidina (TψC) participa en la unión del aminoacil-tRNA a la superficie ribosómica en el sitio de síntesis de proteína. El brazo D es uno de los centros importantes para el reconocimiento apropiado de una especie de tRNA dada por su aminoacil-tRNA sintetasa apropiada. El brazo aceptor, localizado en la terminal 3′-hidroxilo adenosilo, es el sitio de fijación del aminoácido específico.

La región anticodón (brazo) consta de siete nucleótidos, y reconoce el codón de tres letras en el mRNA (figura 37-2). La lectura de secuencia desde la dirección 3′ hacia 5′ en esa asa anticodón consta de una base variable (N) purina modificada (Pu)-XYZ (el anticodón)-pirimidina (Py)-pirimidina (Py)-5′. Note que esta dirección de lectura del anticodón es 3′ a 5′, mientras el código genético que aparece en el cuadro 37-1 se lee 5′ a 3′, dado que el codón y el asa anticodón de las moléculas de mRNA y tRNA, respectivamente, son antiparalelos en su complementariedad del mismo modo que todas las otras interacciones intermoleculares entre cadenas de ácido nucleico.

La degeneración del código genético reside en su mayor parte en el último nucleótido del triplete codón, lo que sugiere que la formación de pares de bases entre este último nucleótido y el nucleótido correspondiente del anticodón no ocurre de manera estricta con base en la regla de Watson-Crick. Esto se llama bamboleo; la formación de pares del codón y anticodón puede “bambolear” en este sitio de formación de par de nucleótido a nucleótido específico. Por ejemplo, los dos codones para la arginina, AGA y AGG, pueden unirse al mismo anticodón que tiene un uracilo en su extremo 5′ (UCU). De modo similar, tres codones para glicina (GGU, GGC y GGA) pueden formar un par de bases a partir de un anticodón, 3′ CCI 5′ (esto es, I, inosina, puede formar par de base con U, C y A). La inosina es generada mediante desaminación de adenina (véase la estructura en la figura 33-2).

Aunque el cambio inicial puede no ocurrir en la cadena plantilla de la molécula de DNA bicatenaria para ese gen, después de la replicación, moléculas de DNA hijas con mutaciones en la cadena plantilla se segregarán y aparecerán en la población de organismos.

Algunas mutaciones ocurren por sustitución de base

Los cambios de base únicos (mutaciones puntuales) pueden ser transiciones o transversiones. En las primeras, una pirimidina dada se cambia a la otra pirimidina, o una purina dada se cambia a la otra purina. Las transversiones son cambios de una purina a una u otra de las dos pirimidinas, o el cambio de una pirimidina hacia una u otra de las dos purinas (figura 37-3).

Cuando la secuencia de nucleótido del gen que codifica proteína contiene la mutación se transcribe hacia una molécula de RNA, la molécula de RNA por supuesto poseerá el cambio de base en la ubicación correspondiente.

Los cambios de base únicos en el mRNA pueden tener uno de varios efectos cuando se traducen hacia proteína:

1. Puede haber efecto detectable nulo debido a la degeneración del código; esas mutaciones a menudo se denominan mutaciones silentes. Esto sería más probable si la base cambiada en la molécula de mRNA fuera a estar en el tercer nucleótido de un codón. Debido a bamboleo, la traducción de un codón es menos sensible a un cambio en la posición tercera.

2. Ocurrirá un efecto de sentido equivocado (o de sentido alterado) cuando se incorpora un aminoácido distinto en el sitio correspondiente en la molécula de proteína. Este aminoácido equivocado (o de sentido equivocado, dependiendo de su ubicación en la proteína específica) podría ser aceptable, parcialmente aceptable, o inaceptable para la función de esa molécula de proteína. A partir de un examen cuidadoso del código genético, puede concluirse que casi todos los cambios de base única darían por resultado el reemplazo de un aminoácido por otro con grupos funcionales más bien similares. Éste es un mecanismo eficaz de “amortiguación” para evitar cambio drástico de las propiedades físicas de una molécula de proteína. Si ocurre un efecto de sentido equivocado aceptable, la molécula de proteína resultante puede no ser distinguible de la normal. Un sentido equivocado parcialmente aceptable dará por resultado una molécula de proteína con función parcial pero anormal. Si ocurre un efecto de sentido equivocado inaceptable, la molécula de proteína será incapaz de funcionar de manera normal.

3. Puede aparecer un codón sin sentido que después daría por resultado la terminación prematura de traducción y la producción de sólo un fragmento de la molécula de proteína proyectada. Hay probabilidad alta de que la terminación prematura de una molécula de proteína o de un fragmento de péptido hará que no funcione en su papel normal. En las figuras 37-4 y 37-5 se presentan ejemplos de los diferentes tipos de mutaciones, y sus efectos sobre el potencial codificador del mRNA.

Las mutaciones por cambio de cuadro se producen por deleción o inserción de nucleótidos en el DNA, que genera mRNA alterados

La deleción de un nucleótido único de la cadena codificadora de un gen da por resultado un cuadro de lectura alterado en el mRNA. La maquinaria que traduce el mRNA no reconoce que falta una base, puesto que no hay puntuación en la lectura de codones. De este modo, se produce una alteración importante de la secuencia de aminoácidos polimerizados (figura 37-5, ejemplo 1). Alterar el cuadro de lectura da por resultado una traducción incomprensible del mRNA en posición distal a la deleción de nucleótido único. La secuencia de aminoácidos en posición distal a esta deleción no sólo es incomprensible, sino que la lectura del mensaje también puede dar por resultado la aparición de un codón sin sentido y, así, la producción de un polipéptido tanto incomprensible como terminado de manera prematura (figura 37-5, ejemplo 3).

Si tres nucleótidos de un múltiplo de tres se eliminan de una región codificadora, la traducción del mRNA correspondiente generará una proteína en la cual falta el número correspondiente de aminoácidos (figura 37-5, ejemplo 2). Dado que el cuadro de lectura es un triplete, la fase de lectura no estará alterada para esos codones en posición distal a la deleción. Sin embargo, si hay deleción de uno o dos nucleótidos justo antes del codón de terminación normal o dentro del mismo (codón sin sentido), la lectura de la señal de terminación normal se altera. Esa deleción podría originar lectura a través de la señal de terminación ahora “mutada” en tanto no se encuentra otro codón sin sentido (figura 37-5, ejemplo 1).

Las inserciones de uno o dos no múltiplos de tres nucleótidos en un gen dan por resultado un mRNA en el cual el cuadro de lectura se deforma en el momento de la traducción, y los mismos efectos que ocurren con las deleciones se reflejan en la traducción del mRNA. Esto puede dar por resultado secuencias de aminoácido incomprensibles en posición distal a la inserción, y la generación de un codón sin sentido en la inserción o en posición distal a la misma, o quizá lectura a través del codón de terminación normal. Después de una deleción en un gen, una inserción (o viceversa) puede restablecer el cuadro de lectura apropiado (figura 37-5, ejemplo 4). El mRNA correspondiente, cuando se tradujera, contendría una secuencia de aminoácido incomprensible entre la inserción y la deleción. Más allá del restablecimiento del cuadro de lectura, la secuencia de aminoácido sería correcta. Puede imaginarse que diferentes combinaciones de deleciones, de inserciones, o de ambas, darían por resultado la formación de una proteína en la cual una porción es anormal pero está rodeada por las secuencias de aminoácidos normales. Esos fenómenos se han demostrado de manera convincente en diversas enfermedades.

Las mutaciones supresoras pueden contrarrestar algunos de los efectos de las mutaciones de sentido equivocado, sin sentido y por cambio de cuadro

La exposición anterior de los productos proteínicos alterados de mutaciones de gen se basa en la presencia de moléculas de tRNA que funcionan normalmente. Sin embargo, en organismos procarióticos y en organismos eucarióticos inferiores, se han descubierto moléculas de tRNA que funcionan de manera anormal, y que son por sí mismas resultados de mutaciones. Algunas de estas moléculas de tRNA anormal tienen la capacidad de unirse a codones alterados, y de decodificarlos, lo que suprime los efectos de mutaciones en distintos genes estructurales que codifican para mRNA mutados. Estas moléculas de tRNA supresor, que por lo general se forman como resultado de alteraciones en sus regiones anticodón, tienen la capacidad de suprimir ciertas mutaciones de sentido equivocado, sin sentido y por cambio de cuadro. Sin embargo, dado que las moléculas de tRNA supresoras son incapaces de distinguir entre un codón normal y uno que se produce por una mutación de gen, su presencia en la célula microbiana por lo general da por resultado viabilidad disminuida. Por ejemplo, las moléculas de tRNA supresoras sin sentido pueden suprimir las señales de terminación normales para permitir una lectura continua cuando no es deseable. Las moléculas de tRNA supresoras de cambio de cuadro pueden leer un codón normal más un componente de un codón yuxtapuesto para proporcionar un cambio de cuadro, también cuando es indeseable. Las moléculas de tRNA supresoras pueden existir en células de mamífero, dado que en ocasiones se ha observado lectura continua de la traducción. En el contexto de laboratorio, estos tRNA supresores, junto con variantes mutadas de aminoacil tRNA sintetasas, pueden utilizarse para incorporar aminoácidos no naturales hacia ubicaciones definidas dentro de genes alterados que portan mutaciones sin sentido producidas mediante procedimientos de ingeniería. Las proteínas marcadas resultantes pueden usarse para entrecruzamiento in vivo e in vitro y para estudios biofísicos. Este nuevo recurso ayuda mucho a biólogos interesados en el estudio de los mecanismos de una amplia gama de procesos biológicos.

Las características estructurales generales de los ribosomas y su proceso de automontaje se comentan en el capítulo 34. Estas entidades particuladas sirven como la maquinaria en la cual la secuencia de nucleótido del mRNA se traduce hacia la secuencia de aminoácidos de la proteína especificada. La traducción del mRNA comienza cerca de su terminal 5′, con la formación del amino terminal correspondiente de la molécula de proteína. El mensaje se lee de 5′ a 3′, y concluye con la formación del carboxilo terminal de la proteína. De nuevo, el concepto de polaridad queda de manifiesto. La transcripción de un gen hacia el mRNA correspondiente o su precursor forma primero la terminal 5′ de la molécula de RNA (capítulo 36). En procariotas, esto permite el inicio de la traducción del mRNA antes de que se complete la transcripción del gen. En organismos eucarióticos, el proceso de transcripción es nuclear; en tanto la traducción del mRNA ocurra en el citoplasma, evitará la transcripción y traducción simultáneas en organismos eucarióticos y hará posible el procesamiento necesario para generar mRNA maduro a partir de la transcripción primaria.

El inicio comprende varios complejos de proteína-RNA

El inicio de la síntesis de proteína requiere que un ribosoma seleccione una molécula de mRNA para traducción (figura 37-6). Una vez que el mRNA se une al ribosoma, este último encuentra el codón de inicio y establece el cuadro de lectura correcto en el mRNA, y la traducción empieza. Este proceso comprende tRNA, rRNA, mRNA, y al menos 10 factores de inicio eucarióticos (eIF), algunos de los cuales tienen múltiples subunidades (3 a 8). También participan GTP, ATP y aminoácidos. El inicio puede dividirse en cuatro pasos: 1) disociación del ribosoma hacia las subunidades 40S y 60S; 2) unión de un complejo ternario que consta del iniciador met-RNA (met-tRNAⁱ), GTP, y eIF-2 al ribosoma 40S para formar el complejo de preinicio 43S; 3) unión de mRNA al complejo de preinicio 40S para formar el complejo de inicio 48S, y 4) combinación del complejo de inicio 48S con la subunidad ribosómica 60S para formar el complejo de inicio 80S.

Disociación ribosómica

Dos factores de inicio, eIF-3 y eIF-1A, se unen a la subunidad ribosómica 40S recién disociada. Esto retrasa su reasociación con la unidad 60S, y permite que otros factores de inicio de la traducción se asocien con la subunidad 40S.

Formación del complejo de preinicio 43S

El primer paso en este proceso comprende la unión de GTP por eIF-2. Este complejo binario a continuación se une a tRNAⁱ met, un tRNA que participa de manera específica en la unión al codón de inicio AUG. (Es importante notar que hay dos tRNA para metionina. Uno especifica metionina para el codón iniciador y el otro para metioninas internas. Cada uno tiene una secuencia de nucleótido singular; ambos son aminoacilados por la misma metionil tRNA sintetasa.) El complejo ternario GTP-eIF2-tRNAⁱ se une a la subunidad ribosómica 40S para formar el complejo de preinicio 43S, que se estabiliza mediante asociación con eIF-3 y eIF-1A.

El eIF-2 es uno de los dos puntos de control para el inicio de síntesis de proteína en células eucarióticas. El eIF-2 consta de subunidades α, β y γ. El eIF-2 α es fosforilado (en la serina 51) por al menos cuatro proteínas cinasa diferentes (HCR, PKR, PERK y GCN2) que se activan cuando una célula está bajo estrés, y cuando el gasto de energía requerido para la síntesis de proteína sería perjudicial. Esas condiciones incluyen carencia acentuada de aminoácido y glucosa, infección por virus, presencia intracelular de cantidades grandes de proteínas plegadas de manera errónea, privación de suero, hiperosmolalidad y choque por calor. La PKR es en particular interesante a este respecto. Esta cinasa es activada por virus, y proporciona un mecanismo de defensa del huésped que disminuye la síntesis de proteína, incluso la síntesis de proteína viral, lo que inhibe la replicación de virus. El eIF-2α fosforilado se une de manera estrecha a la proteína reciclante de GTP-GDP eIF-2b, y la inactiva, lo que evita la formación del complejo de preinicio 43S y bloquea la síntesis de proteína.

Formación del complejo de inicio 48S

Las terminaciones 5′ de las moléculas de mRNA en células eucariontes tienen “cubierta” (capítulo 36). La cubierta ^7meG facilita la unión de mRNA al complejo de preinicio 43S. Un complejo de proteína de unión a cubierta, eIF-4F (4F), que consta de eIF-4E (4E) y el complejo eIF-4G (4G)-eIF4A (4A), se une a la cubierta por medio de la proteína 4E. A continuación, eIF-4B (4B) se une a, y reduce, la estructura secundaria compleja del extremo 5′ del mRNA por medio de su actividad helicasa dependiente de ATP. La asociación del mRNA con el complejo de preinicio 43S para formar el complejo de inicio 48S requiere hidrólisis de ATP. El eIF-3 es una proteína clave porque se une con alta afinidad al componente 4G de 4F, y enlaza este complejo a la subunidad ribosómica 40S. Después de la asociación del complejo de preinicio 43S con la cubierta de mRNA, y reducción (“fusión”) de la estructura secundaria cerca del extremo 5′ del mRNA por medio de la acción de la helicasa 4B y ATP, el complejo transloca 5′ → 3′ y escanea el mRNA para buscar un codón de inicio idóneo. Por lo general éste es el AUG más 5′, pero el codón de inicio preciso está determinado por las llamadas secuencias de consenso Kozak que rodean al codón de inicio AUG:

Se prefiere más la presencia de una purina (Pu) en las posiciones −3 y G en la posición +4.

Función de la cola poli(A) en el inicio

Experimentos bioquímicos y genéticos en levaduras han revelado que la cola 3′ poli(A) y la proteína de unión poly A, PAB1, se requieren para el inicio eficiente de la síntesis de proteína. Estudios adicionales mostraron que la cola poli(A) estimula el reclutamiento de la subunidad ribosómica 40S al mRNA por medio de una serie compleja de interacciones. La PAB (figura 37-7), unida a la cola poli(A), interactúa con eIF-4G, y la subunidad 4E de eIF-4F que está unido a la cubierta para formar una estructura circular que ayuda a dirigir la subunidad ribosómica 40S al extremo 5′ del mRNA y probablemente también estabiliza a los mRNA contra degradación exonucleolítica. Esto ayuda a explicar por qué las estructuras de cubierta y cola poli(A) tienen un efecto sinérgico sobre la síntesis de proteína. De hecho, interacciones proteína-proteína diferenciales entre represores de la traducción del mRNA generales y específicos, y el eIF-4 dan por resultado control de la traducción dependiente de m⁷GCap (figura 37-8).

Formación del complejo de inicio 80S

La unión de la subunidad ribosómica 60S al complejo de inicio 48S comprende hidrólisis del GTP unido al eIF-2 por eIF-5. Esta reacción origina la liberación de los factores de inicio unidos al complejo de inicio 48S (estos factores a continuación se reciclan), y la asociación rápida de las subunidades 40S y 60S para formar el ribosoma 80S. En este punto, el met-tRNAⁱ está sobre el sitio P del ribosoma, listo para que comience el ciclo de alargamiento.

La regulación de eIF-4E controla el índice de inicio

El complejo 4F es en particular importante en el control del índice de traducción de proteína. Como se describió, 4F es un complejo que consta de 4E, que se une a la estructura de cubierta m⁷G en el extremo 5′ del mRNA, y 4G, que sirve como una proteína de andamiaje. Además de unirse a 4E, 4G se une a eIF-3, que enlaza el complejo a la subunidad ribosómica 40S. También se une a 4A y 4B, el complejo de ATPasa-helicasa que ayuda a desenrollar el RNA (figura 37-8).

4E se encarga del reconocimiento de la estructura de cubierta del mRNA, un paso limitante en la traducción. Este proceso se regula más por medio de fosforilación. La insulina y factores de crecimiento mitogénicos dan por resultado la fosforilación de 4E sobre Ser 209 (o Tre 210). 4E fosforilado se une a la cubierta con mucho más avidez que la forma no fosforilada, lo que aumenta el índice de inicio. Componentes de la vía de la MAP cinasa, las cinasas PI3K, mTOR, RAS y S6 (figura 42-8), parecen participar en estas reacciones de fosforilación.

La actividad de 4E está regulada en una segunda vía, y ésta también comprende fosforilación. Una serie de proteínas recién descubiertas se unen a 4E y lo desactivan; estas proteínas comprenden 4EBP1 (BP1, también conocida como PHAS-1) y las proteínas estrechamente relacionadas 4E-BP2 y 4E-BP3. BP1 se une con alta afinidad a 4E. La asociación [4E]•[BP1] evita que 4E se una a 4G (para formar 4F). Dado que esta interacción es esencial para la unión de 4F a la subunidad ribosómica 40S, y para colocar de manera correcta esto sobre el mRNA cubierto, BP-1 inhibe con eficacia el inicio de la traducción.

La insulina y otros factores de crecimiento dan por resultado la fosforilación de BP-1 en siete sitios únicos. La fosforilación de BP-1 da por resultado su disociación de 4E, y no puede volver a unirse sino hasta que se desfosforilan sitios cruciales. Estos efectos sobre la activación de 4E explican en parte de qué modo la insulina causa un notorio aumento postranscripcional de la síntesis de proteína en el hígado, el tejido adiposo y el músculo.

El alargamiento también es un proceso de múltiples pasos, facilitado por factor accesorio

El alargamiento, es un proceso cíclico en el ribosoma, en el cual un aminoácido a la vez se añade a la cadena peptídica naciente (figura 37-9). La secuencia peptídica está determinada por el orden de los codones en el mRNA. El alargamiento comprende varios pasos catalizados por proteínas llamadas factores de alargamiento (EF). Estos pasos son: 1) unión de aminoacil-tRNA al sitio A, 2) formación de enlace peptídico, 3) translocación del ribosoma sobre el mRNA, y 4) expulsión del tRNA desacilado de los sitios P- y E-.

Unión de aminoacil-tRNA al sitio A

En el ribosoma 80S completo que se forma durante el proceso de inicio, tanto el sitio A (sitio aminoacilo o aceptor) como el E (sitio de salida del tRNA desacilado) están libres. La unión del aminoacil-tRNA apropiado en el sitio A requiere reconocimiento de codón apropiado. El factor de alargamiento 1A (EF1A) forma un complejo ternario con GTP y el aminoacil-tRNA que está entrando (figura 37-9). A continuación, este complejo permite que el aminoacil-tRNA correcto entre al sitio A con la liberación de EF1A•GDP y fosfato. La hidrólisis de GTP es catalizada por un sitio activo en el ribosoma; la hidrólisis induce un cambio conformacional en el ribosoma, lo que aumenta de manera concomitante la afinidad por el tRNA. Como se muestra en la figura 37-9, 1 EF1A-GDP se recicla entonces hacia EF1A-GTP, con la ayuda de otros factores proteínicos solubles y GTP.

Formación de enlace peptídico

El grupo α-amino del nuevo aminoacil-tRNA en el sitio aún lleva a cabo un ataque nucleofílico sobre el grupo carboxilo esterificado del peptidil-tRNA que ocupa el sitio P (sitio peptidilo o polipéptido). En el momento del inicio, este sitio está ocupado por el iniciador met-tRNAⁱ. Esta reacción es catalizada por una peptidiltransferasa, un componente del RNA 28S de la subunidad ribosómica 60S. Éste es otro ejemplo de actividad de ribozima, e indica una función directa importante (y previamente no sospechada) para el RNA en la síntesis de proteína (cuadro 37-3). Dado que el aminoácido en el aminoacil-tRNA ya está “activado”, no se requiere una fuente de energía adicional para esta reacción. La reacción da por resultado la fijación de la cadena peptídica en crecimiento al tRNA en el sitio A.

Translocación

El tRNA ahora desacilado se fija mediante su anticodón al sitio P en un extremo y mediante la cola CCA abierta a un sitio de salida (exit) (E) en la subunidad ribosómica grande (figura 37-9, en medio). En este punto, el factor de alargamiento 2 (EF2) se une al peptidil-tRNA y lo desplaza del sitio A al sitio P. A su vez, el tRNA desacilado está en el sitio E, desde el cual abandona el ribosoma. El complejo EF2-GTP se hidroliza hacia EF2-GDP, lo que mueve con eficacia el mRNA hacia delante un codón, y deja el sitio A abierto para ocupación por otro complejo ternario de tRNA aminoácido-EF1AGTP y otro sitio de alargamiento.

La carga de la molécula de tRNA con la porción aminoacilo requiere la hidrólisis de un ATP hacia un AMP, equivalente a la hidrólisis de dos ATP hacia dos ADP y fosfatos. La entrada del aminoacil-tRNA al sitio A da por resultado la hidrólisis de un GTP hacia GDP. La translocación del peptidil-tRNA recién formado en el sitio A hacia el sitio P por EF2 origina de manera similar hidrólisis de GTP hacia GDP y fosfato. De este modo, los requerimientos de energía para la formación de un enlace peptídico incluyen el equivalente de la hidrólisis de dos moléculas de ATP hacia ADP, y de dos moléculas de GTP hacia GDP, o la hidrólisis de cuatro enlaces de fosfato de alta energía. Un ribosoma eucariótico puede incorporar hasta seis aminoácidos por segundo; los ribosomas procarióticos incorporan hasta 18 por segundo. De este modo, el proceso de síntesis de péptido que requiere energía ocurre con gran rapidez y exactitud en tanto no se llega a un codón de terminación.

La terminación ocurre cuando se reconoce un codón de parada

En comparación con el inicio y el alargamiento, la terminación es un proceso relativamente simple (figura 37-10). Después de que múltiples ciclos de alargamiento culminan en polimerización de aminoácidos específicos hacia una molécula de proteína, aparece en el sitio A el codón de parada o de terminación del mRNA (UUA, UAG, UGA). En circunstancias normales, no hay tRNA con un anticodón capaz de reconocer esa señal de terminación. El factor liberador RF1 reconoce que un codón de parada reside en el sitio A (figura 37-10). RF1 es unido por un complejo que consta del factor de liberación RF3 con GTP unido; este complejo, con la peptidil transferasa, promueve la hidrólisis del enlace entre el péptido y el tRNA que ocupa el sitio P. De este modo, se añade una molécula de agua en lugar de un aminoácido. Esta hidrólisis libera la proteína y el tRNA del sitio P. En el momento de la hidrólisis y liberación, el ribosoma 80S se disocia hacia sus subunidades 40S y 60S, que entonces se reciclan (figura 37-7). Por ende, los factores de liberación son proteínas que hidrolizan el enlace peptidil-tRNA cuando un codón de parada ocupa el sitio A. A continuación, el mRNA se libera del ribosoma, que se disocia hacia las subunidades 40S y 60S que lo componen, y puede repetirse otro ciclo.

Los polisomas son montajes de ribosomas

Muchos ribosomas pueden traducir la misma molécula de mRNA de manera simultánea. Debido a su tamaño relativamente grande, las partículas de ribosoma no se pueden fijar a un mRNA con menos de 35 nucleótidos de separación. Múltiples ribosomas en la misma molécula de mRNA forman un polirribosoma, o “polisoma” (figura 37-7). En un sistema no restringido, el número de ribosomas fijos a un mRNA (y, así, el tamaño de los polirribosomas) tiene correlación positiva con la longitud de la molécula de mRNA.

Los polirribosomas que están sintetizando de manera activa proteínas pueden existir como partículas libres en el citoplasma celular, o estar fijos a hojas de material citoplásmico membranoso denominadas retículo endoplásmico. El aspecto “rugoso” que se observa en la microscopia electrónica depende de la fijación de los ribosomas articulados al retículo endoplásmico. Las proteínas sintetizadas por los ribosomas fijos se sacan hacia el espacio de la cisterna entre las hojas del retículo endoplásmico rugoso, y se exportan desde ahí. El aparato de Golgi aglomera algunos de los productos proteínicos del retículo endoplásmico rugoso para exportación final (capítulo 46). Las partículas polirribosómicas libres en el citosol se encargan de la síntesis de proteínas requeridas para las funciones intracelulares.

Los mRNA que no se están traduciendo pueden formar partículas de ribonucleoproteína que se acumulan en organelos citoplásmicos llamados cuerpos P

Los mRNA, unidos por proteínas aglomeradoras específicas, y exportados desde el núcleo como partículas de ribonucleoproteínas (RNP), a veces no se asocian de inmediato con ribosomas para ser traducidos. En lugar de eso, mRNA específicos pueden asociarse con los constituyentes proteínicos que forman los cuerpos P, pequeños compartimientos densos que incorporan mRNA como mRNP (figura 37-11); estos organelos citoplásmicos se relacionan con gránulos que contienen mRNA pequeños similares que se encuentran en neuronas y ciertas células maternas. Los cuerpos P son sitios de represión de la traducción y de descomposición del mRNA. Se ha sugerido que más de 35 proteínas distintas residen de manera exclusiva o extensa dentro de los cuerpos P. Estas proteínas varían desde enzimas que descubren el mRNA, RNA helicasas y RNA exonucleasas (5′ a 3′ y 3′ a 5′), hasta componentes involucrados en la función del miRNA y en el control de calidad del mRNA. Sin embargo, la incorporación de una mRNP no es una “sentencia de muerte” inequívoca del mRNA. De hecho, aunque todavía no se entienden por completo los mecanismos, ciertos mRNA parecen almacenarse temporalmente en los cuerpos P y después recuperarse y utilizarse para la traducción de proteína. Esto sugiere que hay un equilibrio donde las funciones citoplásmicas del mRNA (traducción y degradación) son controladas por la interacción dinámica del mRNA con polisomas y cuerpos P.

La maquinaria de la síntesis de proteína puede mostrar respuesta a amenazas ambientales

La ferritina, una proteína de unión a hierro, evita que el hierro ionizado (Fe²⁺) alcance concentraciones tóxicas dentro de las células. El hierro elemental estimula la síntesis de ferritina al causar la liberación de una proteína citoplásmica que se une a una región específica en la región 5′ no traducida del mRNA de ferritina. La alteración de esta interacción entre proteína y mRNA activa al mRNA de ferritina, y da por resultado su traducción; este mecanismo proporciona control rápido de la síntesis de una proteína que secuestra Fe²⁺, una molécula en potencia tóxica (figura 52-8). De modo similar, el estrés ambiental y la privación de nutrientes inhiben los papeles positivos de mTOR (figura 37-8; figura 42-8) sobre la promoción de la activación de la formación de complejo eIF4F y 48S.

Muchos virus se apropian de la maquinaria de síntesis de proteína de la célula huésped

La maquinaria de síntesis de proteína también puede modificarse de maneras perjudiciales. Los virus se replican usando los procesos de la célula huésped, incluso los involucrados en la síntesis de proteína. Algunos mRNA virales se traducen con mucho mayor eficiencia que los de la célula huésped (p. ej., virus de la encefalomiocarditis). Otros, como los reovirus y el virus de la estomatitis vesicular, se replican con eficiencia y así, sus abundantes mRNA tienen una ventaja competitiva sobre los mRNA de la célula huésped para factores de traducción limitados. Otros virus inhiben la síntesis de proteína por la célula huésped al evitar la asociación de mRNA con el ribosoma 40S.

El poliovirus y otros picornavirus adquieren una ventaja selectiva al alterar la función del complejo 4F. Los mRNA de estos virus carecen de una estructura de cubierta para dirigir la unión de la subunidad ribosómica 40S (véase antes). En lugar de eso, dicha subunidad entra en contacto con un sitio de entrada ribosómico interno (IRES) en una reacción que requiere 4G pero no 4E. El virus adquiere una ventaja selectiva al tener una proteasa que ataca a G4 y elimina el sitio de unión a 4E amino terminal. Ahora, es imposible que se forme el complejo 4E-4G (4F), de modo que la subunidad ribosómica 40S no puede dirigirse hacia huéspedes mRNA cubiertos, con lo que se suprime la síntesis de la célula huésped. El fragmento 4G puede dirigir la unión de la subunidad ribosómica 40S a mRNA que contienen IRES, de modo que la traducción del mRNA viral es muy eficiente (figura 37-12). Estos virus también promueven la desfosforilación de BP1 (PHAS-1), lo que disminuye la traducción dependiente de cubierta (4E) (figura 37-8).

Algunos virus de animales, entre los que destacan el HIV, el poliovirus y el virus de la hepatitis A, sintetizan proteínas policistrónicas largas a partir de una molécula de mRNA larga. Las moléculas de proteína traducidas a partir de estos mRNA largos después se dividen en sitios específicos para proporcionar las varias proteínas específicas requeridas para la función viral. En células de animales, muchas proteínas celulares se sintetizan a partir de la plantilla de mRNA como una molécula precursora, que después debe modificarse para lograr la proteína activa. El prototipo es la insulina, molécula pequeña que tiene dos cadenas polipeptídicas con puentes disulfuro intercadena e intracadena. La molécula se sintetiza como un precursor de cadena única, o prohormona, que se pliega para permitir que se formen los puentes disulfuro. A continuación una proteasa específica recorta el segmento que conecta las dos cadenas, lo que forma la molécula de insulina funcional (figura 41-12).

Muchos otros péptidos se sintetizan como proproteínas que requieren modificaciones antes de alcanzar actividad biológica. Muchas de las modificaciones postraduccionales involucran la eliminación de residuos aminoácido amino terminal por aminopeptidasas específicas (figura 41-14). En contraste, el colágeno, una proteína abundante en los espacios extracelulares de eucariotas superiores, se sintetiza como procolágeno. Tres moléculas polipeptídicas de procolágeno, a menudo con secuencia no idéntica, se alinean a sí mismas de una manera particular que depende de la existencia de péptidos amino terminales específicos (figura 5-11). A continuación enzimas específicas llevan a cabo hidroxilaciones y oxidaciones de residuos aminoácido específicos dentro de las moléculas de procolágeno para proporcionar enlaces covalentes para mayor estabilidad. Los péptidos amino terminal se eliminan de la molécula para formar el producto final, una molécula de colágeno fuerte e insoluble. Ocurren muchas otras modificaciones postraduccionales de proteínas. Por ejemplo, la modificación covalente por medio de acetilación, fosforilación, metilación, ubiquitilación y glucosilación, es frecuente (capítulo 5; cuadro 35-1).

Los ribosomas en bacterias y en las mitocondrias de células eucarióticas superiores difieren del ribosoma de mamífero descrito en el capítulo 34. El ribosoma bacteriano es de menor tamaño (70S en lugar de 80S), y tiene una dotación diferente, un poco más sencilla, de RNA y moléculas de proteína. Esta diferencia puede explotarse para propósitos clínicos, porque muchos antibióticos eficaces interactúan de manera específica con las proteínas y los RNA de ribosomas procarióticos y, así, sólo inhiben la síntesis de proteína bacteriana. Esto da por resultado paro del crecimiento o muerte de la bacteria. Los miembros más útiles de esta clase de antibióticos (p. ej., tetraciclinas, lincomicina, eritromicina y cloranfenicol) no interactúan con componentes de ribosomas eucarióticos y, así, no son tóxicos para eucariotas. La tetraciclina evita la unión de aminoacil-tRNA al sitio A del ribosoma bacteriano. El cloranfenicol y la clase macrólido de antibióticos funcionan al unirse a rRNA 23S, lo cual es interesante en vista de la participación recién apreciada del rRNA en la formación de enlace peptídico por medio de su actividad de peptidil transferasa. Es necesario mencionar que la estrecha similitud entre ribosomas procarióticos y mitocondriales puede llevar a complicaciones en el uso de algunos antibióticos.

Otros antibióticos inhiben la síntesis de proteína en todos los ribosomas (puromicina) o sólo en los de células eucarióticas (cicloheximida). La puromicina (figura 37-13) es un análogo estructural del tirosinil-tRNA. La puromicina se incorpora por medio del sitio A en el ribosoma hacia la posición carboxilo terminal de un péptido, pero causa la liberación prematura del polipéptido. La puromicina, como un análogo del tirosinil-tRNA, inhibe con eficacia la síntesis de proteína tanto en procariotas como en eucariotas. La cicloheximida inhibe la peptidil transferasa en la subunidad ribosómica 60S en eucariotas, probablemente al unirse a un componente de rRNA.

La toxina diftérica, una exotoxina de Corynebacterium diphtheriae infectada por un fago lisogénico específico, cataliza la ADP-ribosilación de EF-2 en el aminoácido diftamida único en células de mamífero. Esta modificación desactiva a EF-2 y, así, inhibe la síntesis de proteína de mamífero. Muchos animales (p. ej., los ratones) son resistentes a la toxina diftérica; esa resistencia se debe a incapacidad de dicha toxina para cruzar la membrana celular, más que a insensibilidad del EF-2 de ratón a la ADP-ribosilación por NAD catalizada por la toxina diftérica.

La ricina, una molécula en extremo tóxica que se aísla a partir del ricino, desactiva el RNA ribosómico 28S eucariótico al proporcionar la división N-glucolítica o eliminación de una adenina única.

Muchos de estos compuestos (la puromicina y cicloheximida en particular) carecen de utilidad clínica, pero han tenido importancia en la dilucidación de la participación de la síntesis de proteína en la regulación de procesos metabólicos, en particular inducción de enzima por hormonas.

• El flujo de información genética sigue la secuencia DNA → RNA → proteína.

• La información genética en un gen se transcribe hacia una molécula de RNA, de modo que la secuencia de esta última es complementaria a la que hay en el DNA.

• El RNA ribosómico (rRNA), RNA de transferencia (tRNA) y RNA mensajero (mRNA) participan de manera directa en la síntesis de proteína.

• Los miRNA regulan la función del mRNA en el ámbito de la traducción, la estabilidad, o ambas.

• La información en el mRNA es una disposición de codones en tándem, cada uno de los cuales tiene tres nucleótidos de largo.

• El mRNA se lee de manera continua desde un codón de inicio (AUG) hasta un codón de terminación (UAA, UAG, UGA).

• El cuadro de lectura abierto, u ORF, del mRNA es la serie de codones, cada uno de los cuales especifica un cierto aminoácido, que determina la secuencia de aminoácidos precisa de la proteína.

• Las síntesis de proteína, al igual que la síntesis de DNA y RNA, sigue la polaridad 5′ a 3′ del mRNA, y puede dividirse en tres procesos: inicio, alargamiento y terminación.

• Las proteínas mutantes surgen cuando sustituciones de base única dan por resultado codones que especifican un aminoácido diferente en una posición dada, cuando un codón de parada da por resultado una proteína truncada, o cuando adiciones o deleciones de base alteran el cuadro de lectura, de modo que se leen codones diferentes.

• Diversos compuestos, entre ellos varios antibióticos, inhiben la síntesis de proteína al afectar uno o más de los pasos comprendidos en la síntesis de la misma.