El mecanismo de traducción del ARNm a proteínas

El proceso de traducción consiste en la transformación de la información aportada por la secuencia nucleótidos del ARNm en una secuencia de aminoácidos.

La traducción es similar en procariotas y en eucariotas, pero hay alguna diferencia. Por ejemplo, el ARNm de los procariotas no necesita maduración, por lo que según se sintetiza, es leído por los ribosomas para traducir su información a aminoácidos de una proteína.

En cambio, en las células eucariotas, el ARNm transcrito primario se sintetiza en el núcleo y tiene que seguir un proceso de maduración antes de convertirse en ARN funcional que atraviese los poros de la membrana nuclear hacia el citoplasma. Después, en el retículo endoplasmático rugoso o en el citosol, los ribosomas traducirán su información a proteínas.

Antes de comenzar a tratar el mecanismo de traducción sería conveniente que repasases la estructura del ribosoma y del ARN transferente.

Se distinguen las siguientes etapas en la biosíntesis de las proteínas:

1. Activación de los aminoácidos o formación del complejo aminoácido-ARN transferente.
2. Iniciación de la traducción.
3. Elongación o alargamiento de la cadena polipeptídica.
4. Terminación.
5. Asociación de varias cadenas polipeptídicas y, a veces, de grupos prostéticos, para constituir las proteínas.

Antes de comenzar la síntesis de proteínas es necesario que el aminoácido se active, uniéndose al triplete CCA del ARNt. Las enzimas aminoacil-ARNt sintetasas son específicas para cada aminoácido, y se encargan de realizar esta unión, pero es necesaria la energía proporcionada por la hidrólisis de ATP. Existen 20 aminoacil-ARNt-sintetasa, una para cada aminoácido. Estas enzimas son muy específicas, pues han de unir cada aminoácido al ARNt correspondiente.

Esta fase previa tiene lugar en el citoplasma y no en los ribosomas.

El aminoácido se une por su extremo carboxilo (-COOH) al extremo 3' del ARNt (concretamente, al grupo hidroxilo (-OH) del carbono 3' del último nucleótido, que siempre lleva adenina), y pasa a llamarse aminoacil-ARNt.

Aminoácido + ATP + ARNt ↔ aminoacil-ARNt + AMP + PPi

Como recordarás, las moléculas de ARNt tienen cuatro brazos: D, T, aceptor de aminoácidos y anticodón.

En el brazo aceptor de aminoácidos se sitúan los extremos 3' y 5' de la cadena:

• En el extremo 3' siempre aparece el triplete CCA, al que se une el aminoácido.
• El extremo 5' siempre termina con un nucleótido de guanina.

El brazo anticodón contiene un triplete de bases nitrogenadas específico para cada tipo de ARNt. Tiene la función de unirse al correspondiente codón complementario del ARNm.

Las moléculas de ARNt son las intermediarias entre la secuencia de nucleótidos del ARNm y la secuencia de aminoácidos, ya que, además de aportar el aminoácido que llevan unido en su extremo 3', se encargan de reconocer el codón de ARN complementario a su anticodón.

Cuando ya se han formado los aminoacil-ARNt se produce la síntesis de proteínas. El proceso se lleva a cabo en tres etapas:

• Iniciación.
• Elongación o alargamiento.
• Terminación.

En los procariotas

En los procariotas, el ARNm no necesita maduración para ser funcional. Incluso se puede empezar a traducir antes de terminar de sintetizarse.

El ARNm se une, por su extremo 5´, a la subunidad menor de los ribosomas gracias a una secuencia inicial llamada región líder, que no se traduce, en la que hay unos 10 nucleótidos complementarios con el ARN ribosómico. El ARNm se desplaza hasta que llegar al codón AUG, que codifica el aminoácido metionina y es el triplete que actúa como señal de iniciación. Se les une el complejo formado por el aminoacil-ARNt. La unión se realiza entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt que lleva el aminoácido. Por último, se une la subunidad mayor a la menor completándose el ribosoma.

Como vemos, el primer triplete que se traduce es el codón de iniciación AUG y, por tanto, el anticodón del primer ARNt tiene que ser UAC, su complementario. Y la metionina (en procariotas, la formil-metionina), será siempre el primer aminoácido de la cadena peptítica, aunque se suele eliminar al finalizar la traducción.

La subunidad menor del ribosoma, junto con el ARNm y el primer aminoacil-ARNt forman el complejo de iniciación, al que después se unirá la subunidad mayor del ribosoma.

Al finalizar esta etapa, la subunidad mayor del ribosoma se acopla al complejo de iniciación, formando el ribosoma completo. Este complejo ribosomal o complejo activo tiene dos lugares de unión:

• El sitio peptidil o sitio P, que ocupa el primer aminoacil-ARNt, el ARNt-metionina.
• El sitio aminoacil o sitio A, que está libre y preparado para recibir al segundo ARNt con otro aminoácido.

Todos estos procesos precisan gasto de GTP.

En las células eucariotas, el ARNm se sintetiza en el núcleo y tiene que experimentar un proceso de maduración antes de pasar al citoplasma. En su extremo 5' lleva una caperuza constituida por una metil-guanosín-trifosfato, que permite ser reconocido por los ribosomas, y a continuación la llamada región líder, que no se traduce. Después, la señal de iniciación, el triplete AUG se traduce por el aminoácido metionina que, frecuentemente, es retirado al finalizar el proceso.

La elongación consiste en la adición de aminoácidos al extremo carboxilo de la cadena. Comienza cuando otro aminoacil-ARNt, con anticodón complementario al codón del ARNm que está a continuación del codón iniciación, AUG, ocupa el sitio A (aminoacil) del ribosoma que estaba libre.

El grupo carboxilo del primer aminoácido se une por un enlace peptídico con el grupo amino de segundo aminoácido, catalizado por la enzima peptidil-transferasa.

El sitio P (peptidil) estará entonces ocupado por un ARNt sin aminoácido, ya que se habrá unido al que transportaba el ARNt que ahora ocupa el sitio A. Después se produce la translocación ribosomal, desplazándose el ribosoma tres nucleótidos en sentido 5’→3’, liberando el ARNt que antes tenía la metionina y que ocupaba el sitio P. El ARNt con el dipéptido recién formado que ocupaba el sitio A, pasará a ocupar el sitio P, quedando vació el sitio A. Este sitio A volverá a ser ocupado por otro aminoacil-ARNt con anticodón complementario al codón a traducir, y así sucesivamente. Para todos estos procesos se necesita energía que obtiene del GTP.

Así se forma la cadena peptídica, uniendo los sucesivos aminoácidos que van llegando al ribosoma transportados por los ARNt correspondientes.

Repasando esta fase, la podemos dividir en tres etapas:

• Unión de un aminoacil-ARNt al sitio A. El anticodón del ARNt es el complementario al codón del ARNm que está en el sitio aminoacil. Es necesaria la energía proporcionada por el GTP para realizar esta unión.
• Formación del enlace peptídico. La enzima peptidiltransferasa, en la subunidad mayor del ribosoma, se encarga de unir los dos aminoácidos que contienen los dos aminoacil-ARNt (el del sitio P y el del sitio A).

Cuando se une el primer aminoácido (formilmetionina) al segundo, se desprende de su ARNt, que se libera del ribosoma. Quedará únicamente el segundo ARNt en el sitio A, unido a un dipéptido.

• Translocación del dipéptido al sitio P. El ribosoma se desplaza sobre el ARNm en sentido 5'→3'. El codón que ocupaba el sitio A, con el ARNt fijado sobre él y unido al dipéptido, pasará a ocupar el sitio P. Al quedar libre el sitio A, será ocupado por el tercer codón de ARNm al que se fijará otro aminoacil-ARNt.

Entonces se unirá el nuevo aminoácido al dipéptido con un enlace peptídico, y volverá a realizarse la translocación del ribosoma nuevamente.

Esta etapa puede esquematizarse de la siguiente manera:

By OpenStax [CC BY 4.0], via Wikimedia Commons

La elongación continúa hasta que el ribosoma llega a los codones de terminación (UAA, UAG y UGA), que es la señal que indica que ha terminado la traducción. No hay ningún ARNt que tenga un anticodón complementario a estos codones de terminación, por lo que el sitio A no será ocupado por ningún aminoacil-ARNt y terminará la cadena peptídica.

En cambio, el factor proteico de liberación (FR) se une al codón de terminación, impide que se una otro aminoacil-ARNt y hace que la peptidiltransferasa provoque la unión entre el último –COOH y el agua, liberando:

• La cadena peptídica.
• Las dos subunidades de los ribosomas separadas.
• El ARNm, que puede volver a ser utilizado o eliminarse tras su lectura.

También es necesaria la energía proporcionada el GTP.

La velocidad de la síntesis de proteínas es muy alta, ya que pueden llegar a unirse hasta 1400 aminoácidos por minuto.

Normalmente, las cadenas de ARNm son traducidas por más de un ribosoma a la vez, y forman los polirribosomas o polisomas, lo que permite que la traducción sea mucho más eficiente y rápida.

En los procariotas, como no existe membrana nuclear, la transcripción y traducción se producen simultáneamente. El ARNm comienza a traducirse antes de estar completamente transcrito.

Asociación de varias cadenas polipeptídicas para constituir las proteínas

La cadena peptídica recién sintetiza va adoptando la estructura secundaria y terciaria según se va sintetizando mediante los enlaces por puente de hidrógeno y enlaces disulfuro.

Hay proteínas enzimáticas que son activas después de terminar la traducción, aunque otras necesitan eliminar algunos aminoácidos, como el aminoácido que inició la traducción metionina. Otras se unirán a iones o a coenzimas para ser funcionales.

Como vimos en el tema de las proteínas, éstas pueden estar constituidas por una sola cadena polipeptídica o por varias, iguales o distintas, según si provienen del mismo gen traducido o de otro.

Animación: Síntesis de proteínas.

Animación: Traducción en procariotas.

Animación: Traducción del ARNm.