Traducción (biología)

Panorama general de la traducción de RNA mensajero eucarístico

Diagrama que muestra la traducción de mRNA y la síntesis de proteínas por un ribosoma

Las etapas de iniciación y alargamiento de la traducción como se ve mediante el zoom en las bases nitrógenos en ARN, el ribosoma, el tRNA y los aminoácidos, con explicaciones cortas.

Las tres fases de la iniciación de la traducción polimerasa se unen a la cadena de ADN y se desplazan hasta que la pequeña subunidad ribosomal se une al ADN. Elongación se inicia cuando la subunidad grande se une y termina el proceso de elongación.

En biología molecular y genética, la traducción es el proceso en el que los ribosomas del citoplasma o retículo endoplásmico sintetizan proteínas tras el proceso de transcripción de ADN a ARN en el núcleo de la célula. Todo el proceso se denomina expresión génica.

En la traducción, el ARN mensajero (ARNm) se decodifica en un ribosoma, fuera del núcleo, para producir una cadena de aminoácidos específica o polipéptido. El polipéptido luego se pliega en una proteína activa y realiza sus funciones en la célula. El ribosoma facilita la decodificación al inducir la unión de secuencias de anticodón de ARNt complementarias a codones de ARNm. Los ARNt transportan aminoácidos específicos que se encadenan en un polipéptido a medida que pasa el ARNm y se 'lee'. por el ribosoma.

La traducción se desarrolla en tres fases:

1. Iniciación: El ribosoma se monta alrededor del mRNA objetivo. El primer TRNA se adjunta en el codón inicial.
2. Elongation: El último TRNA validado por la pequeña subunidad ribosomalalojamiento) transfiere el aminoácido. Lleva a la gran subunidad ribosomal que la une a la anterior TRNA admitida (TRNA)transpeptidación). El ribosoma luego se mueve al próximo codón de mRNA para continuar el proceso (translocación), creando una cadena de aminoácidos.
3. Terminación: Cuando se alcanza un codón de parada, el ribosoma libera el polipéptido. El complejo ribosomal permanece intacto y pasa al próximo mRNA para ser traducido.

En los procariotas (bacterias y arqueas), la traducción ocurre en el citosol, donde las subunidades grandes y pequeñas del ribosoma se unen al ARNm. En los eucariotas, la traducción ocurre en el citoplasma oa través de la membrana del retículo endoplásmico en un proceso llamado translocación cotraduccional. En la translocación cotraduccional, todo el complejo ribosoma/ARNm se une a la membrana externa del retículo endoplásmico rugoso (ER) y la nueva proteína se sintetiza y libera en el ER; el polipéptido recién creado se puede almacenar dentro del ER para el futuro transporte de vesículas y la secreción fuera de la célula, o se puede secretar inmediatamente.

Muchos tipos de ARN transcritos, como el ARN de transferencia, el ARN ribosómico y el ARN nuclear pequeño, no se traducen en proteínas.

Varios antibióticos actúan inhibiendo la traducción. Estos incluyen anisomicina, cicloheximida, cloranfenicol, tetraciclina, estreptomicina, eritromicina y puromicina. Los ribosomas procarióticos tienen una estructura diferente a la de los ribosomas eucarióticos y, por lo tanto, los antibióticos pueden dirigirse específicamente a las infecciones bacterianas sin dañar las células del huésped eucariótico.

Mecanismos básicos

Un ribosoma traduciendo una proteína que se secreta en el reticulum endoplasmático. TRNAs son color azul oscuro.

Estructura terciaria del TRNA. CCA tail en amarillo, Tallo aceptable en púrpura, Bucle variable en naranja, D arm en rojo, Brazo anticodón en azul con Anticodón en negro, Brazo en verde.

El proceso básico de producción de proteínas es la adición de un aminoácido a la vez al final de una proteína. Esta operación la realiza un ribosoma. Un ribosoma está formado por dos subunidades, una subunidad pequeña y una subunidad grande. Estas subunidades se unen antes de la traducción del ARNm en una proteína para proporcionar una ubicación para que se lleve a cabo la traducción y se produzca un polipéptido. La elección del tipo de aminoácido a agregar está determinada por una molécula de ARNm. Cada aminoácido agregado se empareja con una subsecuencia de tres nucleótidos del ARNm. Para cada posible triplete, se acepta el aminoácido correspondiente. Los sucesivos aminoácidos añadidos a la cadena se emparejan con sucesivos tripletes de nucleótidos en el ARNm. De esta forma, la secuencia de nucleótidos en la cadena de ARNm molde determina la secuencia de aminoácidos en la cadena de aminoácidos generada. La adición de un aminoácido se produce en el extremo C del péptido; por lo tanto, se dice que la traducción está dirigida de amina a carboxilo.

El ARNm transporta información genética codificada como una secuencia de ribonucleótidos desde los cromosomas hasta los ribosomas. Los ribonucleótidos son "leídos" por maquinaria de traducción en una secuencia de tripletes de nucleótidos llamados codones. Cada uno de esos tripletes codifica un aminoácido específico.

Las moléculas del ribosoma traducen este código a una secuencia específica de aminoácidos. El ribosoma es una estructura de múltiples subunidades que contiene ARNr y proteínas. Es la "fábrica" donde los aminoácidos se ensamblan en proteínas. Los tRNA son pequeñas cadenas de RNA no codificantes (74 a 93 nucleótidos) que transportan aminoácidos al ribosoma. El repertorio de genes de ARNt varía ampliamente entre especies, con algunas bacterias que tienen entre 20 y 30 genes, mientras que los eucariotas complejos pueden tener miles. Los ARNt tienen un sitio para la unión de aminoácidos y un sitio llamado anticodón. El anticodón es un triplete de ARN complementario al triplete de ARNm que codifica su aminoácido de carga.

Las aminoacil tRNA sintetasas (enzimas) catalizan la unión entre tRNA específicos y los aminoácidos que requieren sus secuencias de anticodón. El producto de esta reacción es un aminoacil-tRNA. En las bacterias, este aminoacil-ARNt es transportado al ribosoma por EF-Tu, donde los codones de ARNm se emparejan mediante emparejamiento de bases complementarias con anticodones de ARNt específicos. Las aminoacil-tRNA sintetasas que emparejan incorrectamente los tRNA con los aminoácidos incorrectos pueden producir aminoacil-tRNA mal cargados, lo que puede resultar en aminoácidos inapropiados en la posición respectiva en la proteína. Esta "mala traducción" del código genético ocurre naturalmente en niveles bajos en la mayoría de los organismos, pero ciertos entornos celulares provocan un aumento en la decodificación permisiva del ARNm, a veces en beneficio de la célula.

El ribosoma tiene dos sitios de unión para el ARNt. Son el sitio de aminoacilo (abreviado A) y el sitio de peptidilo/sitio de salida (abreviado P/E). En cuanto al ARNm, los tres sitios están orientados de 5' a 3' E-P-A, porque los ribosomas se mueven hacia el 3' final del ARNm. El sitio A se une al tRNA entrante con el codón complementario en el mRNA. El sitio P/E contiene el ARNt con la cadena polipeptídica en crecimiento. Cuando un aminoacil-tRNA se une inicialmente a su codón correspondiente en el mRNA, está en el sitio A. Luego, se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del tRNA en el sitio A y el aminoácido del tRNA cargado en el sitio P/E. La cadena polipeptídica en crecimiento se transfiere al ARNt en el sitio A. Ocurre la translocación, moviendo el tRNA al sitio P/E, ahora sin un aminoácido; el tRNA que estaba en el sitio A, ahora cargado con la cadena polipeptídica, se mueve al sitio P/E y el tRNA sale, y nada más el aminoacil-tRNA ingresa al sitio A para repetir el proceso.

Después de que se agrega el nuevo aminoácido a la cadena, y después de que el ARNt se libera fuera del ribosoma y hacia el citosol, la energía proporcionada por la hidrólisis de un GTP se une a la translocasa EF-G (en bacterias) y a/eEF-2 (en eucariotas y arqueas) mueve el ribosoma un codón hacia abajo hacia el 3' fin. La energía requerida para la traducción de proteínas es significativa. Para una proteína que contiene n aminoácidos, el número de enlaces de fosfato de alta energía necesarios para traducirla es 4n-1. La tasa de traducción varía; es significativamente mayor en las células procarióticas (hasta 17 a 21 residuos de aminoácidos por segundo) que en las células eucarióticas (hasta 6 a 9 residuos de aminoácidos por segundo).

Aunque los ribosomas suelen considerarse máquinas precisas y procesadoras, el proceso de traducción está sujeto a errores que pueden conducir a la síntesis de proteínas erróneas o al abandono prematuro de la traducción, ya sea porque un ARNt se acopla a un codón incorrecto o porque un ARNt está acoplado al aminoácido equivocado. La tasa de error en la síntesis de proteínas se ha estimado entre 1 en 10⁵ y 1 en 10³ aminoácidos mal incorporados, según las condiciones experimentales. En cambio, se ha estimado que la tasa de abandono prematuro de la traducción es del orden de magnitud de 10⁻⁴ eventos por codón traducido. El aminoácido correcto se une covalentemente al ARN de transferencia (ARNt) correcto mediante aminoaciltransferasas. El aminoácido está unido por su grupo carboxilo al 3' OH del ARNt por un enlace éster. Cuando el tRNA tiene un aminoácido unido a él, el tRNA se denomina 'cargado'. La iniciación implica la unión de la subunidad pequeña del ribosoma al 5' final del ARNm con la ayuda de factores de iniciación (IF). En bacterias y una minoría de arqueas, el inicio de la síntesis de proteínas implica el reconocimiento de una secuencia de inicio rica en purinas en el ARNm denominada secuencia Shine-Dalgarno. La secuencia de Shine-Dalgarno se une a una secuencia rica en pirimidina complementaria en el 3' extremo de la parte 16S rRNA de la subunidad ribosomal 30S. La unión de estas secuencias complementarias asegura que la subunidad ribosómica 30S se una al ARNm y se alinee de manera que el codón de iniciación se coloque en la porción 30S del sitio P. Una vez que el ARNm y la subunidad 30S se unen correctamente, un factor de iniciación lleva el complejo iniciador de ARNt-aminoácido, f-Met-tRNA, al sitio 30S P. La fase de iniciación se completa una vez que una subunidad 50S se une a la subunidad 30, formando un ribosoma 70S activo. La terminación del polipéptido ocurre cuando el sitio A del ribosoma es ocupado por un codón de terminación (UAA, UAG o UGA) en el ARNm, creando la estructura primaria de una proteína. Por lo general, el ARNt no puede reconocer o unirse a los codones de parada. En cambio, el codón de parada induce la unión de una proteína del factor de liberación (RF1 y RF2) que provoca el desmontaje de todo el complejo ribosoma/ARNm mediante la hidrólisis de la cadena polipeptídica del centro de peptidil transferasa del ribosoma. Los fármacos o motivos de secuencias especiales en el ARNm pueden cambiar la estructura ribosómica para que los ARNt casi afines se unan al codón de parada en lugar de a los factores de liberación. En tales casos de "lectura traslacional", la traducción continúa hasta que el ribosoma encuentra el siguiente codón de parada.

El proceso de traducción está muy regulado tanto en los organismos eucariotas como en los procariotas. La regulación de la traducción puede afectar la tasa global de síntesis de proteínas que está estrechamente relacionada con el estado metabólico y proliferativo de una célula. Además, un trabajo reciente ha revelado que las diferencias genéticas y su posterior expresión como ARNm también pueden afectar la tasa de traducción de una manera específica de ARN.

Importancia clínica

El control de traducción es fundamental para el desarrollo y la supervivencia del cáncer. Las células cancerosas deben regular con frecuencia la fase de traducción de la expresión génica, aunque no se entiende completamente por qué la traducción se dirige a pasos como la transcripción. Si bien las células cancerosas a menudo tienen factores de traducción alterados genéticamente, es mucho más común que las células cancerosas modifiquen los niveles de los factores de traducción existentes. Varias vías de señalización oncogénicas importantes, incluidas las vías RAS-MAPK, PI3K/AKT/mTOR, MYC y WNT-β-catenina, finalmente reprograman el genoma a través de la traducción. Las células cancerosas también controlan la traducción para adaptarse al estrés celular. Durante el estrés, la célula traduce ARNm que pueden mitigar el estrés y promover la supervivencia. Un ejemplo de esto es la expresión de AMPK en varios tipos de cáncer; su activación desencadena una cascada que finalmente puede permitir que el cáncer escape de la apoptosis (muerte celular programada) provocada por la privación de nutrición. Las futuras terapias contra el cáncer pueden implicar la interrupción de la maquinaria de traducción de la célula para contrarrestar los efectos secundarios del cáncer.

Modelado matemático de traducción

Figura M0. Basic y el modelo más simple M0 de síntesis de proteínas. Aquí, *M – cantidad de mRNA con sitio de iniciación de la traducción no ocupado por montaje ribosoma, *F – cantidad de mRNA con sitio de iniciación de la traducción ocupado por assembling ribosome, *R – cantidad de ribosomas sentado en mRNA sintetiza proteínas, *P – cantidad de proteínas sintetizadas.

Figura M1'. El modelo ampliado de síntesis de proteínas M1 con presentación explícita de 40S, 60S y factores de iniciación (IF).

La descripción del proceso de transcripción-traducción, mencionando únicamente los procesos ”elementales” más básicos, consta de:

1. producción de moléculas de MRNA (incluido el riego),
2. iniciación de estas moléculas con la ayuda de factores de iniciación (por ejemplo, la iniciación puede incluir el paso de circularización aunque no sea universalmente requerido),
3. iniciación de la traducción, reclutamiento de la pequeña subunidad ribosomal,
4. montaje de ribosomas completos,
5. elongación, (es decir, movimiento de ribosomas a lo largo de mRNA con producción de proteína),
6. terminación de la traducción,
7. degradación de las moléculas MRNA,
8. degradación de proteínas.

El proceso de construcción de aminoácidos para crear proteínas en la traducción es un tema de varios modelos físicos durante mucho tiempo a partir de los primeros modelos cinéticos detallados como otros que tienen en cuenta los aspectos estocásticos de la traducción y el uso de simulaciones por computadora. En las últimas cuatro décadas se han desarrollado y analizado muchos modelos de síntesis de proteínas basados en la cinética química. Más allá de la cinética química, se han aplicado varios formalismos de modelado, como el proceso de exclusión simple totalmente asimétrico (TASEP), las redes booleanas probabilísticas (PBN), las redes de Petri y el álgebra max-plus, para modelar la cinética detallada de la síntesis de proteínas o algunas de sus etapas. Un modelo básico de síntesis de proteínas que tiene en cuenta los ocho elementos 'elementales' procesos ha sido desarrollado, siguiendo el paradigma de que "los modelos útiles son simples y extensibles". El modelo más simple M0 está representado por el mecanismo cinético de reacción (Figura M0). Se generalizó para incluir la unión de 40S, 60S y factores de iniciación (IF) (Figura M1'). Se amplió aún más para incluir el efecto del microARN en la síntesis de proteínas. La mayoría de los modelos en esta jerarquía se pueden resolver analíticamente. Estas soluciones se utilizaron para extraer 'firmas cinéticas' de diferentes mecanismos específicos de regulación de la síntesis.

Código genético

También es posible traducir a mano (para secuencias cortas) o por computadora (después de programar uno correctamente, consulte la sección a continuación); esto permite a los biólogos y químicos dibujar la estructura química de la proteína codificada en papel.

Primero, convierta cada base de ADN plantilla en su complemento de ARN (observe que el complemento de A ahora es U), como se muestra a continuación. Tenga en cuenta que la hebra molde del ADN es contra la que se polimeriza el ARN; la otra hebra de ADN sería la misma que la del ARN, pero con timina en lugar de uracilo.

ADN - título ARN
A - titulado U
T - título A
C - título G
G - título C
A=T- titulada A=U

Luego divida el ARN en tripletes (grupos de tres bases). Tenga en cuenta que hay 3 "ventanas" de traducción, o marcos de lectura, dependiendo de dónde comience a leer el código. Finalmente, use la tabla en Código genético para traducir lo anterior en una fórmula estructural como se usa en química.

Esto le dará la estructura primaria de la proteína. Sin embargo, las proteínas tienden a plegarse, dependiendo en parte de los segmentos hidrofílicos e hidrofóbicos a lo largo de la cadena. La estructura secundaria a menudo aún se puede adivinar, pero la estructura terciaria adecuada suele ser muy difícil de determinar.

Mientras que otros aspectos como la estructura 3D, denominada estructura terciaria, de la proteína solo pueden predecirse utilizando algoritmos sofisticados, la secuencia de aminoácidos, denominada estructura primaria, puede determinarse únicamente a partir de la secuencia de ácido nucleico con la ayuda de una traducción. mesa.

Es posible que este enfoque no proporcione la composición correcta de aminoácidos de la proteína, en particular si se incorporan aminoácidos no convencionales como la selenocisteína a la proteína, que está codificada por un codón de parada convencional en combinación con una horquilla aguas abajo (inserción de SElenoCysteine Secuencia, o SECIS).

Existen muchos programas informáticos capaces de traducir una secuencia de ADN/ARN en una secuencia de proteínas. Normalmente esto se realiza utilizando el Código Genético Estándar, sin embargo, pocos programas pueden manejar todos los códigos "especiales" casos, tales como el uso de codones de iniciación alternativos que son biológicamente significativos. Por ejemplo, el raro codón de inicio alternativo CTG codifica para metionina cuando se usa como codón de inicio, y para leucina en todas las demás posiciones.

Ejemplo: Tabla de traducción condensada para el Código genético estándar (de la página web de taxonomía del NCBI).

 AAs = FFLLSSSSY**CC*WLLPPHQQRRIIIMTTNNKSSRRVVVAAAADDEEGGG
Inicio = -------------------------------------------------
Base1 = TTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGG
Base2 = TTTTCCAAAAGGGTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTCCCCAAAAGGGGG
Base3 = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGAGTCAGTCAGTCAGAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG

El "Empieza" La fila indica tres codones de inicio, UUG, CUG y el muy común AUG. También indica el primer residuo de aminoácido cuando se interpreta como un comienzo: en este caso es todo metionina.

Tablas de traducción

Incluso cuando se trabaja con secuencias eucariotas comunes, como el genoma de la levadura, a menudo se desea poder utilizar tablas de traducción alternativas, concretamente para la traducción de los genes mitocondriales. Actualmente, las siguientes tablas de traducción están definidas por el NCBI Taxonomy Group para la traducción de las secuencias en GenBank: