Resumen

Utilizando un microscopio en 1665, Robert Hooke descubrió diminutas unidades de tejido de corcho que le recordaban a las celdas de los monasterios (habitaciones) que habitaban los monjes. Por lo tanto, se refirió a estas unidades como células. Sin embargo, lo que Hooke vio realmente con su microscopio fueron las paredes celulares muertas del tejido. No fue hasta 1674 cuando Anton van Leeuwenhoek utilizó un microscopio para observar una célula viva.

Hoy en día, se cree ampliamente que lo que Leeuwenhoek observó bajo el microscopio fue una célula bacteriana. Junto con otros hallazgos, estos descubrimientos dieron lugar a la formulación de la Teoría Celular por parte de Matthias Schleiden en 1839, que afirma que una célula es una unidad básica de la vida (la teoría también sostiene que las nuevas células se originan a partir de las células existentes y que todos los seres vivos tienen una o más células).

Hoy en día, las células se dividen en dos categorías principales: las células procariotas (Archaea y Bacterias) y las células eucariotas (plantas, animales, protistas, etc). Como sus nombres sugieren, los dos tipos de células se clasifican en función de la forma en que su material genético está dispuesto/organizado dentro de la célula. Sin embargo, también tienen una serie de otras diferencias que permiten distinguir entre los dos tipos de células.

* La palabra núcleo se deriva de la palabra latina nucleus que significa “núcleo/núcleo”.

* Mientras que “Eu” significa verdadero o bueno, “Pro” significa no – Aquí, entonces, los eucariotas pueden describirse como células que tienen un núcleo mientras que los procariotas son células sin núcleo. Sin embargo, cabe destacar que todas tienen material genético.

Traducción

En biología molecular y genética, la traducción es el término utilizado para describir el proceso a través del cual un ácido ribonucleico mensajero (ARNm) es decodificado para sintetizar polipéptidos o cadenas de aminoácidos. En este caso, el ARNm transporta los códigos genéticos (información) que sirven de modelo de estas moléculas (utilizadas para construir proteínas). En las células, este proceso ocurre después de la transcripción y comprende tres etapas principales.

Estas incluyen:

• Iniciación
• Alargamiento
• Terminación

Aparte de las diferencias en la forma de organizar el material genético entre eucariotas y procariotas, también se pueden identificar diferencias en la traducción entre ambos tipos de células.

Una breve descripción de la transcripción en procariotas y eucariotas

Dado que el ARNm, que sirve como plantilla para la síntesis de proteínas, es en sí mismo un producto de la transcripción, es importante tener una idea general de este proceso en procariotas y eucariotas.

* La transcripción puede describirse como el proceso que conecta el ADN (o la información genética contenida en el ADN) con las proteínas. En este caso, la información contenida en el ADN se utiliza en última instancia para producir proteínas.

En las células eucariotas, el proceso de transcripción tiene lugar dentro del núcleo y el transcrito de ARNm resultante se transporta al citoplasma, donde participa en la traducción. En cambio, en los procariotas, la transcripción tiene lugar en el citoplasma, donde se encuentra el material genético.

Aquí cabe destacar que, a diferencia de las células eucariotas, los procariotas no tienen un núcleo en el que el material genético esté unido por una membrana. En consecuencia, el material genético de la célula se encuentra en el citoplasma.

Tanto en eucariotas como en procariotas (bacterias), la primera etapa de la transcripción se conoce como etapa de iniciación y comienza cuando las proteínas y enzimas asociadas (ARN polimerasa) se unen al promotor (una secuencia de ADN).

Un buen ejemplo de estas secuencias (en el promotor) es la caja TATA en eucariotas (este es un sitio ideal dado que los As y los Ts están unidos por unos pocos (2) enlaces de hidrógeno y por lo tanto es más fácil separar las hebras).

En las células eucariotas, las proteínas conocidas como factores de transcripción basales tienen que unirse al sitio del promotor primero para ayudar a la ARN polimerasa a unirse al sitio. Esto es diferente en comparación con los procariotas donde la polimerasa se une al promotor directamente.

* Durante la etapa de iniciación, la unión de la polimerasa a la región promotora da lugar al desenrollamiento del ADN antes de que comience la segunda etapa.

* En los eucariotas, los factores de transcripción (TF) son importantes porque identifican y se unen a la secuencia de ADN en la región promotora. Una vez que se unen al sitio, forman lo que se conoce como el complejo de iniciación que atrae a la polimerasa para que se una.

La siguiente (segunda) etapa de la transcripción se conoce como elongación y puede describirse simplemente como la elongación de la transcripción. Aquí, la polimerasa “lee” y “escribe” el ARNm a partir de la cadena molde (-) antisentido del ADN mientras que la cadena sentido (+) lo protege (la cadena molde antisentido negativa) de diversos factores de interferencia.

Dado que la polimerasa copia a partir de la cadena molde, el ARNm que se forma es complementario a esta cadena. Sin embargo, esta nueva hebra contiene un nucleótido Uracilo (U) en lugar de Timina (T) presente en la hebra de ADN.

* Durante la elongación, la polimerasa se “mueve” a lo largo de la cadena molde en dirección 3′ a 5′ añadiendo un nucleótido al ARN de forma que coincida con los de la cadena de ADN. Esto produce una transcripción (transcripción de ARN) que es casi idéntica a la no plantilla.

La última fase de la transcripción se conoce como terminación, en la que la transcripción continúa hasta que se detiene, lo que a su vez permite liberar la transcripción de ARN. Aquí, la polimerasa puede recibir instrucciones para disociarse del molde mediante señales de terminación dadas, dependiendo de la célula.

En procariotas, las señales basadas en proteínas, como la proteína rho, controlan la terminación dependiente de Rho, que da lugar a que la polimerasa se disocie del molde a medida que se libera el ARNm.

* Dado que la transcripción ocurre en el citoplasma en procariotas, la traducción a menudo comienza mientras la transcripción continúa o inmediatamente después de que termine. Sin embargo, en los eucariotas, una membrana nuclear separa el ribosoma (que participa en el proceso de traducción) del proceso de transcripción. Por esta razón, la transcripción debe completarse antes de que los transcritos sean liberados al citoplasma, donde tiene lugar la traducción.

Características del ARNm de procariotas y eucariotas

El ARNm producido mediante el proceso de transcripción también se conoce como transcritos de ARNm. Aunque tienen una serie de características similares, también tienen varias diferencias. El transcrito de ARNm procariota puede dividirse en una serie de partes/secciones que incluyen: la región no codificante (situada en el extremo 5′ del transcrito), la secuencia Shine-Dalgarno, una segunda región no codificante, el codón de inicio, la región codificante, el codón de parada y otra región no codificante en el extremo 3′.

El ARNm eucariota, por el contrario, comienza con una tapa 5′ y consta de un nucleótido de guanina. Este nucleótido está unido a un grupo metilo y unido al nucleótido vecino. El nucleótido de guanina está unido a la región no codificante, similar a la del ARNm procariota. La siguiente sección es el codón de inicio a partir del cual se extiende la región codificante.

La región codificante termina en el codón de parada. A éste le sigue una región no codificante y, por último, la cola poli-A (formada por adeninas y que puede constar de hasta 2200 nucleótidos) en el extremo 3′. En los eucariotas, la tapa 5′ y la cola poli-A impiden que el ARNm se degrade.

Aquí, es importante recordar que en los eucariotas, el ARNm tiene que ser liberado en el citoplasma donde tiene lugar la traducción. Por lo tanto, las dos secciones juegan un papel importante en el mantenimiento de la integridad del ARNm. En los procariotas, la transcripción y la traducción pueden ocurrir al mismo tiempo y, por lo tanto, estas secciones no son necesarias.

A diferencia del transcrito de los eucariotas, este ARNm no tiene que ser transportado una larga distancia y por lo tanto no se encuentra con varias enzimas que probablemente lo degraden. Como resultado, el ARNm en procariotas no requiere protección adicional para evitar daños.

Como se ha mencionado, la traducción es el proceso mediante el cual se construyen los bloques de construcción de las proteínas (polipéptidos/cadenas de aminoácidos) utilizando la información contenida en el ARNm. Es un proceso importante dado que produce proteínas que son necesarias para diversas funciones celulares.

Para entender el proceso es importante conocer algunos de los componentes y terminologías utilizados en la traducción.

Además del ARNm (ARN mensajero), incluyen:

– Polipéptidos – Cadenas de aminoácidos y son las moléculas que forman las proteínas.

– Nucleótidos – Componentes estructurales del ADN y el ARN. Están formados a su vez por nucleósido y fosfato e incluyen adenina, timina, citosina y guanina (además de Uracilo).

– Codones – Grupo formado por tres nucleótidos – Por ejemplo, AUG es un buen ejemplo de codón – Mientras que los codones sirven como bloques de construcción de los aminoácidos, otros detienen el proceso una vez que el polipéptido está completo.

– ARNt (ARN de transferencia) – Actúan como puente entre los codones del ARNm y los aminoácidos.

– Ribosoma – El ribosoma está formado por ARNr, y proteínas y son las estructuras en las que se fabrican los polipéptidos.

La traducción en procariotas

Dado que el material genético (ADN) de los procariotas no está contenido en un núcleo unido a una membrana, la transcripción tiene lugar en el citoplasma. Esto, entonces, permite que la traducción comience en este entorno tan pronto como el ARNm emerge de la polimerasa (ARN polimerasa/RNAP).

En los casos en los que hay suficiente espacio (en el ARNm) para acomodar el ribosoma, la traducción puede comenzar incluso antes de que se complete el proceso de transcripción.

Como resultado, un escenario en el que una cadena de ADN está siendo transcrita por múltiples polimerasas con múltiples ribosomas traduciendo esta información (del ARN) no es inusual en procariotas particularmente cuando se trata de genes altamente expresados.

Como en el caso de la transcripción, hay tres fases de traducción que incluyen la iniciación, la elongación y la terminación. La fase de iniciación se caracteriza por la formación del complejo de iniciación y comienza con la subunidad pequeña del ribosoma (30S) uniéndose al ARNm.

* El ribosoma consta de dos subunidades (subunidades de ARNr) siendo una de las subunidades más pequeña que la otra. En los procariotas, la subunidad más pequeña se designa 30S mientras que la más grande es 50S – el total de éstas es 70S (S significa unidades Svedberg.)

Iniciación

Para que la fase de iniciación tenga lugar, la subunidad ribosómica más pequeña tiene que disociarse primero de la subunidad ribosómica mayor (50S). Una vez disociada, los factores de iniciación (IF-1 e IF-2) se unen en sitios determinados de las subunidades 30S, donde cumplen diferentes funciones.

En el sitio A (de la subunidad ribosómica), el IF-1 sirve para evitar que entre una nueva molécula de aminoacil-ARNt en esta fase de la traducción. Además, promueve el ensamblaje y la estabilización del complejo.

También el factor de iniciación IF-3 promueve la unión de la subunidad al ARNm. El tercer factor de iniciación (IF-2 GTP) introduce el aminoacil-ARNt iniciador y se une al sitio P de la subunidad. Al hacerlo, permite que el anticodón del ARNt se una al codón de inicio (AUG) del ARNm.

Después de la hidrólisis del GTP (así como la liberación de los otros factores de iniciación) la subunidad mayor del ribosoma (50S) se une a la subunidad menor (30S) lo que produce un ribosoma completamente funcional. Tras la formación de un ribosoma completamente funcional, el sitio A puede aceptar de nuevo otra molécula de aminoacil-ARNt.

Al final de la fase de iniciación, el complejo de iniciación que se forma consiste en ambas subunidades ribosómicas (las subunidades grande y pequeña), el ARNm, así como el ARNt que también lleva fMet (N-formil-metionina).

* El IF-1 y el IF-3 también ayudan a disociar la subunidad menor del ribosoma (30S) de la subunidad mayor (50S).

* La secuencia Shine-Dalgarno está situada varias bases aguas arriba del codón de inicio (en el ARNm). Este sitio es importante porque señala el proceso de síntesis de la proteína alineando adecuadamente la subunidad del ribosoma con el codón de inicio.

* El ARNt, que es uno de los iniciadores lleva N-formilmetionina (fMet) que se inserta en el extremo N de las cadenas polipeptídicas producidas por procariotas como E.coli.

Elongación

La segunda fase de la traducción se conoce como elongación y se caracteriza por el alargamiento de la cadena polipeptídica. Aquí, el ribosoma tiene una función catalítica como péptido-transferasa.

Todo el proceso puede dividirse en tres pasos principales de la elongación que incluyen: la unión del aminoacil-ARNt, la formación del enlace peptídico, así como la translocación. Durante el primer paso de este ciclo (unión de aminoacil-ARNt), un aminoacil-ARNt que corresponde al segundo codón se une al sitio A (sitio de aminoacil) a través de la interacción codón-anticodón.

Aquí cabe destacar que la metionina que vino con el IF-2 junto con el ARNt iniciador durante la fase de iniciación es el primer aminoácido. La unión del aminoacil-ARNt es promovida por el GTP y el factor de elongación (ET-Tu). Los tres se unen para formar un complejo (complejo aminoacil-ARNt/EF-Tu/GTP) que da lugar a la hidrólisis del GTP. A su vez, el factor de elongación (EF-Tu unido t GDP) se libera.

La molécula de EF-Tu liberada puede entonces promover la unión de otro ARNt al ribosoma una vez que éste se ha regenerado. Esto ocurre cuando el EF-Ts (también un factor de elongación) se une y sustituye al GDP en el EF-Tu. El EF-Ts es entonces sustituido por GTP, lo que da lugar a la formación de un EF-Tu-GTP recién regenerado.

En el segundo paso, la formación del enlace peptídico, el extremo carboxilo del aminoácido en el ARNt en el sitio Peptidyl (P) se disocia y se une al grupo amino del aminoácido que se une al ARNt en el sitio A a través de un enlace peptídico. Este paso del ciclo es catalizado por la peptidil transferasa.

El tercer paso del ciclo (translocación) se caracteriza por la unión del complejo de elongación y el GTP al ribosoma. Aquí, la hidrólisis del GTP da lugar a la producción de GDP y un fosfato, mientras que la liberación del factor de elongación (EF-G) lo libera para unir GTP en preparación de otro ciclo de elongación.

Con el ARNt desacilado moviéndose del sitio P al sitio E y el dipeptidil ARNt del sitio A al P, el sitio permanece vacío y por lo tanto libre para aceptar otro aminoácido. Un aminoácido se añade continuamente al extremo terminal C del polipéptido a medida que crece en longitud para cada uno de los codones mientras el peptidil-ARNt se mueve hacia y desde los sitios P y A.

Terminación

* Durante la elongación, el ARNt se mueve continuamente del sitio P al sitio A (hacia adelante) a medida que trae el siguiente aminoácido que se agrega a la cadena anterior (cadena que comenzó con una metionina). Este proceso continúa hasta que un codón de parada en el ARNm entra en el sitio A, deteniendo así la continuación del ciclo. Hay tres tipos de codones de parada que incluyen: UAA, UAG y UGA.

La última fase del proceso de traducción se conoce como terminación y es el punto en el que termina el proceso. Habiendo entrado en el sitio A, el codón de parada impide la unión del ARNt.

Uno de los factores de liberación (RF-1 o RF-2 junto con un RF-3) se une a los codones provocando que la enzima (peptidil transferasa) responsable de los enlaces peptídicos libere una molécula de agua sobre el último aminoácido de la cadena, lo que provoca la hidrólisis del péptido y del ARNt unido al sitio P. Como resultado, la cadena recién formada se separa del ARNt y sale del ribosoma.

* Mientras que el RF-1 identifica el UAA y el UAG, el RF-2 identifica el UAA y el UGA mientras que el RF-3 promueve la interacción de cualquiera de los otros dos factores de liberación con el ribosoma.

* Los factores de liberación se unen al codón de parada dado que ningún ARNt tiene anticodón para el codón de parada en procariotas.

Algunos de los otros eventos que tienen lugar durante la fase de terminación incluyen:

– El ARNm se libera

– El ARNt se libera del ribosoma cuando el factor de liberación del ribosoma se une al sitio A

– El ribosoma se disocia en las subunidades grande y pequeña cuando el EF-G se une al RRF (factor de liberación del ribosoma)

La traducción en eucariotas

Como ocurre en procariotas, la traducción es el proceso mediante el cual una secuencia de ARNm se traduce en polipéptidos durante la síntesis de proteínas.

Como se ha mencionado, los procesos de transcripción y traducción ocurren en el citoplasma en procariotas (e incluso pueden ocurrir al mismo tiempo). Sin embargo, en los eucariotas, la membrana del núcleo separa el ribosoma situado en el citoplasma del proceso de transcripción que tiene lugar en el núcleo. Por esta razón, la traducción comienza cuando la transcripción termina y el ARNm es transportado al citoplasma.

* Para llegar al citoplasma, el ARNm atraviesa los poros nucleares de la membrana nuclear.

* En los eucariotas, la traducción también se produce en los ribosomas situados en el retículo endoplásmico (RE).

En los organismos eucariotas, la traducción también ocurre en tres fases que incluyen la iniciación, la elongación y la terminación. Aunque este proceso es similar al de los procariotas, existen varias diferencias, especialmente en lo que respecta a los componentes implicados.

Iniciación

Durante la fase de iniciación, la subunidad ribosomal más pequeña forma un complejo con tres factores de iniciación. Aquí, sin embargo, la subunidad ribosómica más pequeña es la 40S en comparación con la mucho más pequeña 30S de los procariotas. La unión de estos factores de iniciación (IF-1, IF-A e IF-3) a la subunidad ribosómica produce el complejo de preiniciación que a su vez se une al IF-5 (factor de iniciación 5) y al ARNt.

En última instancia, este complejo se une al ARNm para formar el complejo de iniciación. Como en el caso de los procariotas, la subunidad ribosomal pequeña se mueve a lo largo de la región no traducida del ARNm mientras busca el codón de inicio (en la mayoría de los casos, el primer AUG sirve como codón de inicio en los eucariotas).

* En los eucariotas, la secuencia del ARNm situada en el codón de inicio se conoce como secuencia de Kozak (ACCAUGG). Aunque esta secuencia cumple una función similar a la secuencia Shine-Dalgarno, las dos se diferencian en que la secuencia Kozak contiene realmente la secuencia de inicio.

Una vez que se reconoce el codón de inicio, la subunidad más grande del ribosoma (60S) es reclutada al complejo lo que resulta en la formación de un ribosoma completamente funcional (este es un proceso dependiente de la energía que involucra la hidrólisis de GTP y finalmente produce un ribosoma 80S). Una vez que se forma un ribosoma completamente funcional, se liberan los factores de iniciación.

* Al final del factor de iniciación, el tRNAmet iniciador se sitúa en el sitio P mientras que el sitio A permanece vacante.

Elongación

Es la segunda fase de la traducción e implica la síntesis del polipéptido. Aunque el proceso de elongación en eucariotas es similar al de los eucariotas, el EF-Tu se sustituye por el EF-1α. Aquí, las proteínas del factor de elongación (EF) tienen tres funciones principales.

La primera función de estas proteínas (proteínas del factor de elongación) es reclutar los ARNt cargados al sitio A. Además, desempeñan un papel importante en la formación de un enlace peptídico entre los aminoácidos, así como en la translocación del ribosoma a lo largo del ARNm.

El progreso del proceso implica el evento de translocación. En cada uno de estos eventos, los ARNt cargados entran en el sitio A antes de desplazarse al sitio P. Al final de cada evento, el ARNt entra en el sitio E para poder ser eliminado.

A medida que el ribosoma se desplaza a lo largo del ARNm, los factores de elongación promueven los enlaces peptídicos entre los aminoácidos situados en el ARNt (en el sitio A) y el grupo carboxilo del grupo amino que se encuentra en el ARNt del sitio P.

Aquí, la peptidil transferasa (ribozima localizada en la subunidad ribosomal 50S mayor) sirve para catalizar la reacción. El aminoácido asociado al ARNt en el sitio P se une entonces a la cadena polipeptídica en crecimiento, lo que permite que la cadena siga creciendo en longitud. Este proceso permite que el ribosoma continúe moviéndose a lo largo del ARNm mientras la cadena polipeptídica sigue creciendo antes de detenerse en la fase de terminación.

Terminación

Es la última fase del proceso de traducción. Se produce cuando el ribosoma llega al codón sin sentido del ARNm donde el ARNt no tiene un anticodón complementario. Una vez que el codón sin sentido es identificado por los factores de liberación, el aminoácido en el sitio P se desprende del ARNt lo que libera el polipéptido.

Por otra parte, el ribosoma no sólo se disocia del ARNm, sino también en las dos subunidades (subunidades ribosómicas pequeñas y grandes) lo que les permite entrar en la fase de iniciación en otro proceso de traducción.

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