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Traducción (biología)

Descripción general de la traducción del ARN mensajero eucariota La traducción es el proceso celular biológico mediante el cual se producen proteínas utilizando moléculas de ARN...

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Descripción general de la traducción del ARN mensajero eucariota

La traducción es el proceso celular biológico mediante el cual se producen proteínas utilizando moléculas de ARN como plantilla. La proteína resultante es una secuencia de aminoácidos determinada por la secuencia de nucleótidos del ARN. Los nucleótidos se consideran de tres en tres. Cada triplete da como resultado la adición de un aminoácido específico a la proteína que se está generando. La correspondencia entre el triplete de nucleótidos y el aminoácido se denomina código genético . La traducción la lleva a cabo un complejo complejo de ARN y proteínas funcionales llamado ribosomas . 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 específica de aminoácidos , o polipéptido . El polipéptido se pliega posteriormente en una proteína activa y realiza sus funciones en la célula. El polipéptido también puede comenzar a plegarse durante la síntesis de proteínas. [ 1 ] El ribosoma facilita la decodificación al inducir la unión de secuencias anticodón complementarias de ARN de transferencia (ARNt) a los codones del ARNm . Los ARNt transportan aminoácidos específicos que se encadenan para formar un polipéptido a medida que el ARNm pasa a través del ribosoma y es "leído". Las tres etapas de la traducción son la iniciación, la elongación y la terminación.

Mecanismos básicos

Un ribosoma traduciendo una proteína que se secreta en el retículo endoplasmático (ARNt coloreados en azul oscuro). La dinámica de los dominios proteicos ahora se puede observar mediante espectroscopia de eco de espín de neutrones .
Estructura terciaria del ARNt ( cola CCA en amarillo, tallo aceptor en morado, bucle variable en naranja, brazo D  en rojo, brazo anticodón en azul con anticodón en negro, brazo T  en verde).

El proceso básico de producción de proteínas consiste en la adición de un aminoácido a la vez al final de una cadena polipeptídica en formación. Esta operación la realiza un ribosoma . [ 2 ] Un ribosoma está compuesto por dos subunidades: en los eucariotas, una subunidad pequeña (40S) y una subunidad grande (60S) . Estas subunidades se unen antes de la traducción del ARNm a proteína para proporcionar un sitio donde se lleve a cabo la traducción y se produzca el polipéptido. [ 3 ] La elección del tipo de aminoácido que se añade está determinada por una molécula de ARN mensajero (ARNm). Cada aminoácido añadido se corresponde con una subsecuencia de tres nucleótidos del ARNm. Para cada triplete posible, se acepta el aminoácido correspondiente. Los aminoácidos sucesivos añadidos a la cadena se corresponden con los tripletes de nucleótidos sucesivos del 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. [ 4 ] La adición de un aminoácido ocurre en el extremo C del péptido; por lo tanto, se dice que la traducción está dirigida de amina a carboxilo. [ 5 ]

El ARNm transporta información genética codificada como una secuencia de ribonucleótidos desde los cromosomas hasta los ribosomas. Los ribonucleótidos son "leídos" por la 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 multisubunitaria que contiene ARN ribosómico (ARNr) y proteínas. Es la "fábrica" ​​donde los aminoácidos se ensamblan para formar proteínas.

Los ARN de transferencia (ARNt) son pequeñas cadenas de ARN no codificante (74–93 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. [ 6 ] Los ARNt tienen un sitio para la unión del aminoácido 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-ARNt sintetasas ( enzimas ) catalizan la unión entre ARNt específicos y los aminoácidos que requieren sus secuencias de anticodón. El producto de esta reacción es un aminoacil-ARNt . El aminoácido se une a través de su grupo carboxilo al 3' OH del ARNt mediante un enlace éster . Cuando el ARNt tiene un aminoácido unido, se denomina "cargado". Las aminoacil-ARNt sintetasas que emparejan erróneamente los ARNt con aminoácidos incorrectos pueden producir aminoacil-ARNt mal cargados, lo que puede resultar en aminoácidos inapropiados en la posición correspondiente de la proteína. Esta "mala traducción" [ 7 ] del código genético ocurre naturalmente a 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. Estos son el sitio aminoacilo (abreviado A) y el sitio peptidilo/sitio de salida (abreviado P/E). Con respecto al ARNm, los tres sitios están orientados de 5' a 3' EPA, porque los ribosomas se mueven hacia el extremo 3' del ARNm. El sitio A une el ARNt entrante con el codón complementario en el ARNm. El sitio P/E mantiene el ARNt con la cadena polipeptídica en crecimiento. Cuando un aminoacil-ARNt se une inicialmente a su codón correspondiente en el ARNm, está en el sitio A. Luego, se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del ARNt en el sitio A y el aminoácido del ARNt cargado en el sitio P/E. La cadena polipeptídica en crecimiento se transfiere al ARNt en el sitio A. Ocurre la translocación, moviendo el ARNt al sitio P/E, ahora sin un aminoácido; El ARNt que estaba en el sitio A, ahora cargado con la cadena polipeptídica, se mueve al sitio P/E y el ARNt sin carga se va, y otro aminoacil-ARNt entra en el sitio A para repetir el proceso. [ 8 ]

Después de que el nuevo aminoácido se agrega a la cadena, y después de que el ARNt se libera del ribosoma al citosol, la energía proporcionada por la hidrólisis de un GTP unido a la translocasa EEF2 mueve el ribosoma un codón hacia el extremo 3' . La energía requerida para la traducción de proteínas es significativa. Para una proteína que contiene n aminoácidos, el número de enlaces fosfato de alta energía necesarios para traducirla es 4n - 1. [ 9 ] La tasa de traducción varía; es significativamente mayor en células procariotas (hasta 17-21 residuos de aminoácidos por segundo) que en células eucariotas (hasta 6-9 residuos de aminoácidos por segundo). [ 10 ]

Etapas

La traducción se desarrolla en cuatro fases: iniciación, elongación, terminación y reciclaje. [ 11 ]

Iniciación

La iniciación implica la unión de la subunidad pequeña del ribosoma al extremo 5' del ARNm con la ayuda de factores de iniciación . [ 12 ] El ribosoma y sus factores asociados se ensamblan y se unen a un ARNm. El primer ARNt se une al codón de inicio . Este proceso se define como dependiente de la caperuza, en el que el ribosoma se une inicialmente a la caperuza 5' y luego se desplaza al codón de parada, o como independiente de la caperuza, en el que el ribosoma no se une inicialmente a la caperuza 5'. La caperuza 5' se añade cuando el pre-ARNm naciente tiene aproximadamente 20 nucleótidos de longitud. [ 13 ]

El proceso de iniciación de la traducción en eucariotas.

Iniciación dependiente de la caperuza

algunos de los complejos proteicos implicados en la iniciación

La iniciación de la traducción generalmente implica la interacción de ciertas proteínas clave, los factores de iniciación , con una etiqueta especial unida al extremo 5' de una molécula de ARNm, la caperuza 5' , así como con la región 5' UTR . Estas proteínas se unen a la subunidad ribosómica pequeña (40S) y mantienen el ARNm en su lugar. [ 14 ]

eIF3 se asocia con la subunidad ribosómica 40S y desempeña un papel en evitar que la subunidad ribosómica grande (60S) se una prematuramente. eIF3 también interactúa con el complejo eIF4F , que consta de otros tres factores de iniciación: eIF4A , eIF4E y eIF4G . eIF4G es una proteína de andamiaje que se asocia directamente tanto con eIF3 como con los otros dos componentes. eIF4E es la proteína de unión a la caperuza. La unión de la caperuza por eIF4E se considera a menudo el paso limitante de la velocidad de la iniciación dependiente de la caperuza, y la concentración de eIF4E es un nexo regulador del control traslacional. Ciertos virus escinden una porción de eIF4G que se une a eIF4E, impidiendo así que la traducción dependiente de la caperuza secuestre la maquinaria del huésped en favor de los mensajes virales (independientes de la caperuza). eIF4A es una helicasa de ARN dependiente de ATP que ayuda al ribosoma resolviendo ciertas estructuras secundarias formadas a lo largo del transcrito de ARNm. Resultados recientes de biología estructural también indicaron que una segunda proteína eIF4A puede asociarse simultáneamente con el complejo de iniciación, interactuando específicamente con eIF3. [ 15 ] [ 16 ] La proteína de unión a poli(A) (PABP) también se asocia con el complejo eIF4F a través de eIF4G y se une a la cola de poli(A) de la mayoría de las moléculas de ARNm eucariotas. Se ha implicado a esta proteína en la circularización del ARNm durante la traducción. [ 17 ]

Este complejo de preiniciación 43S (43S PIC), acompañado por factores proteicos, se desplaza a lo largo de la cadena de ARNm hacia su extremo 3', en un proceso conocido como "escaneo", para alcanzar el codón de inicio (típicamente AUG). En eucariotas y arqueas , el aminoácido codificado por el codón de inicio es la metionina . El ARNt iniciador cargado con metionina (Met-ARNt i Met ) es transportado al sitio P de la subunidad ribosómica pequeña por el factor de iniciación eucariótico 2 (eIF2) . Este hidroliza GTP y señala la disociación de varios factores de la subunidad ribosómica pequeña, lo que finalmente conduce a la asociación de la subunidad grande (o subunidad 60S ). El ribosoma completo ( 80S ) entonces comienza la elongación de la traducción.

La regulación de la síntesis de proteínas está influenciada en parte por la fosforilación de eIF2 (a través de la subunidad α), que forma parte del complejo ternario eIF2-GTP-Met-tRNA i Met (eIF2-TC). Cuando se fosforilan grandes cantidades de eIF2, se inhibe la síntesis de proteínas. Esto ocurre en condiciones de privación de aminoácidos o tras una infección viral. Sin embargo, una pequeña fracción de este factor de iniciación se fosforila de forma natural. Otro regulador es 4EBP , que se une al factor de iniciación eIF4E e inhibe sus interacciones con eIF4G , impidiendo así la iniciación dependiente de la caperuza. Para contrarrestar los efectos de 4EBP, los factores de crecimiento fosforilan 4EBP, reduciendo su afinidad por eIF4E y permitiendo la síntesis de proteínas.

Si bien la síntesis de proteínas se regula globalmente modulando la expresión de factores de iniciación clave y el número de ribosomas, los ARNm individuales pueden tener diferentes tasas de traducción debido a la presencia de elementos de secuencia reguladora. Se ha demostrado que esto es importante en diversos contextos, como la meiosis de levaduras y la respuesta al etileno en plantas. Además, trabajos recientes en levaduras y humanos sugieren que la divergencia evolutiva en las secuencias cis-reguladoras puede afectar la regulación de la traducción. [ 18 ] Adicionalmente, las helicasas de ARN como DHX29 y Ded1/DDX3 participan en el proceso de iniciación de la traducción, especialmente para los ARNm con regiones 5'UTR estructuradas. [ 19 ] [ 20 ]

Iniciación independiente de la caperuza

El ejemplo mejor estudiado de iniciación de la traducción independiente de la caperuza en eucariotas utiliza el sitio de entrada ribosómica interna (IRES). A diferencia de la traducción dependiente de la caperuza, la traducción independiente de la caperuza no requiere una caperuza 5' para iniciar el escaneo desde el extremo 5' del ARNm hasta el codón de inicio. El ribosoma puede localizarse en el sitio de inicio mediante unión directa, factores de iniciación y/o ITAF (factores trans-actuantes del IRES), evitando así la necesidad de escanear toda la región 5' UTR . Este método de traducción es importante en condiciones que requieren la traducción de ARNm específicos durante el estrés celular, cuando la traducción general se reduce. Algunos ejemplos incluyen factores que responden a la apoptosis y a las respuestas inducidas por el estrés. [ 21 ]

Alargamiento

Las etapas de elongación y direccionamiento a la membrana de la traducción eucariota. El ribosoma es verde y amarillo, los ARNt son azul oscuro y las demás proteínas implicadas son azul claro.

La elongación depende de factores de elongación . Al final de la etapa de iniciación, el ARNm se posiciona de manera que el siguiente codón pueda traducirse durante la etapa de elongación de la síntesis de proteínas. El ARNt iniciador ocupa el sitio P del ribosoma, y ​​el sitio A está listo para recibir un aminoacil-ARNt. Durante la elongación de la cadena, cada aminoácido adicional se agrega a la cadena polipeptídica naciente en un microciclo de tres pasos. Los pasos de este microciclo son: (1) posicionar el aminoacil-ARNt correcto en el sitio A del ribosoma, que es transportado a dicho sitio por eEF1; (2) formar el enlace peptídico; y (3) desplazar el ARNm un codón con respecto al ribosoma con la ayuda de eEF2. A diferencia de las bacterias, en las que la iniciación de la traducción ocurre tan pronto como se sintetiza el extremo 5' de un ARNm, en los eucariotas, este acoplamiento tan estrecho entre transcripción y traducción no es posible porque la transcripción y la traducción se llevan a cabo en compartimentos separados de la célula (el núcleo y el citoplasma ). Los precursores de ARNm eucariotas deben procesarse en el núcleo (p. ej., capping, poliadenilación , splicing) en los ribosomas antes de ser exportados al citoplasma para su traducción. La traducción también puede verse afectada por la pausa ribosomal , que puede desencadenar el ataque endonucleolítico del ARNt, un proceso denominado degradación de ARNm no go. La pausa ribosomal también ayuda al plegamiento cotraduccional del polipéptido naciente en el ribosoma y retrasa la traducción de proteínas mientras codifica el ARNt. Esto puede desencadenar un cambio de marco de lectura ribosomal. [ 22 ]

El último ARNt validado por la subunidad ribosómica pequeña ( acomodación ) transfiere el aminoácido. Este lo transporta a la subunidad ribosómica grande , que lo une a uno de los ARNt admitidos previamente ( transpeptidación ). A continuación, el ribosoma se desplaza al siguiente codón de ARNm para continuar el proceso ( translocación ), creando así una cadena de aminoácidos.

En la traducción bacteriana y arqueal , la traducción ocurre en el citosol, donde el ribosoma se une al ARNm. En los eucariotas , la traducción puede ocurrir en el citoplasma y también a través de la membrana del retículo endoplasmático mediante un proceso llamado translocación cotraduccional . En la translocación cotraduccional, todo el complejo ribosoma-ARNm se une a la membrana externa del retículo endoplasmático rugoso (RE), y la nueva proteína se sintetiza y se libera en el RE; el polipéptido recién creado puede secretarse inmediatamente o almacenarse dentro del RE para su posterior transporte vesicular y secreción fuera de la célula.

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

Varios antibióticos actúan inhibiendo la traducción. Entre ellos se incluyen la anisomicina , la cicloheximida , el cloranfenicol , la tetraciclina , la estreptomicina , la eritromicina y la puromicina . Los ribosomas procariotas tienen una estructura diferente a la de los ribosomas eucariotas, por lo que los antibióticos pueden atacar específicamente las infecciones bacterianas sin dañar las células del huésped eucariota .

Terminación

Etapas de iniciación y elongación de la traducción que involucran las nucleobases del ARN , el ribosoma, el ARN de transferencia y los aminoácidos.

La terminación de la elongación depende del factor de liberación eRF1 , que reconoce los tres codones de parada. Al alcanzar un codón de parada, se produce la terminación del polipéptido, el ribosoma se desensambla y el polipéptido completo se libera. eRF3 es una GTPasa dependiente del ribosoma que ayuda a eRF1 a liberar el polipéptido completo. El genoma humano codifica algunos genes cuyos codones de parada de ARNm son sorprendentemente permeables: en estos genes, la terminación de la traducción es ineficiente debido a bases de ARN especiales en las proximidades del codón de parada. La terminación permeable en estos genes conduce a la lectura continua de hasta el 10 % de los codones de parada. Algunos de estos genes codifican dominios proteicos funcionales en su extensión de lectura continua, de modo que pueden surgir nuevas isoformas proteicas . Este proceso se ha denominado «lectura continua funcional». [ 23 ]

Cuando el sitio A del ribosoma está ocupado por un codón de parada (UAA, UAG o UGA) en el ARNm, se crea la estructura primaria de una proteína. El ARNt generalmente no puede reconocer ni unirse a los codones de parada. En cambio, el codón de parada induce la unión de una proteína factor de liberación [ 24 ] (RF1 y RF2) que provoca el desensamblaje de todo el complejo ribosoma/ARNm mediante la hidrólisis de la cadena polipeptídica del centro de peptidiltransferasa [ 2 ] del ribosoma. [ 25 ] Los fármacos o motivos de secuencia especiales en el ARNm pueden cambiar la estructura ribosomal de modo que los ARNt casi cognados se unan al codón de parada en lugar de a los factores de liberación. En tales casos de "lectura continua traslacional", la traducción continúa hasta que el ribosoma encuentra el siguiente codón de parada. [ 23 ]

Reciclaje

Cuando se libera la proteína sintetizada, el ribosoma complejo se desensambla en sus subunidades para su reciclaje. [ 11 ]

Errores en la traducción

Aunque los ribosomas suelen considerarse máquinas precisas y procesivas, 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 se acopla a un aminoácido incorrecto. [ 26 ] La tasa de error en la síntesis de proteínas se ha estimado entre 1 de cada 10⁵ y 1 de cada 10³ aminoácidos incorporados erróneamente, dependiendo de las condiciones experimentales. [ 27 ] La tasa de abandono prematuro de la traducción, en cambio, se ha estimado en el orden de magnitud de 10⁻⁴ eventos por codón traducido. [ 28 ] [ 29 ]

Regulación

La traducción es uno de los principales procesos que consumen energía en las células, por lo que está estrictamente regulada. Numerosos mecanismos han evolucionado para controlar y regular la traducción tanto en eucariotas como en procariotas . La regulación de la traducción puede afectar la tasa global de síntesis de proteínas, la cual está estrechamente ligada al estado metabólico y proliferativo de la célula.

Para estudiar este proceso, los científicos han utilizado una amplia variedad de métodos como la biología estructural, la química analítica (basada en espectrometría de masas), la obtención de imágenes de la traducción de ARNm reportero (en la que la traducción de un ARNm está vinculada a una salida, como luminiscencia o fluorescencia), la detección mediante la incorporación de aminoácidos radiactivos y métodos basados ​​en secuenciación de próxima generación. [ 30 ] Otros métodos, como el ensayo de huella de pie, también pueden utilizarse para determinar la ubicación de los ribosomas de un ARNm particular in vitro y las huellas de otras proteínas que regulan la traducción. Para profundizar en este intrincado proceso, los científicos suelen utilizar una técnica conocida como perfilado de ribosomas. [ 31 ] Este método permite a los investigadores tomar una instantánea del translatoma, mostrando qué partes del ARNm están siendo traducidas a proteínas por los ribosomas en un momento dado. El perfilado de ribosomas proporciona información valiosa sobre la dinámica de la traducción, revelando la compleja interacción entre la secuencia genética, la estructura del ARNm y la regulación de la traducción. [ 18 ] Ampliando este concepto, el perfilado de ribosomas de células individuales es una técnica que permite estudiar el proceso de traducción a nivel de células individuales. [ 32 ] El perfilado de ribosomas de células individuales ha revelado que las diferencias genéticas y su posterior expresión como ARNm también pueden afectar la tasa de traducción de manera específica para cada ARN. El perfilado de ribosomas de células individuales tiene el potencial de esclarecer la naturaleza heterogénea de las células, lo que conduce a una comprensión más matizada de cómo la regulación de la traducción puede afectar el comportamiento celular, el estado metabólico y la respuesta a diversos estímulos o condiciones.

Sustitución de aminoácidos

La incorporación de aminoácidos que se desvían de las predicciones del código genético se detecta generalmente como sustituciones de aminoácidos en proteínas y péptidos. Esta decodificación alternativa del ARN da como resultado proteínas estables y abundantes tanto en tejidos de ratón como humanos. [ 33 ] La abundancia de dichas sustituciones está determinada por múltiples mecanismos, incluyendo la frecuencia de codones, los desajustes codón-anticodón, las modificaciones del ARN y la estabilidad de las proteínas [ 33 ] .

En algunas células, ciertos aminoácidos pueden agotarse y, por lo tanto, afectar la eficiencia de la traducción. Por ejemplo, las células T activadas secretan interferón-γ, que desencadena una deficiencia intracelular de triptófano al aumentar la expresión de la enzima indolamina 2,3-dioxigenasa 1 (IDO1). A pesar del agotamiento de triptófano , la síntesis de proteínas en fase continúa a través de los codones de triptófano . Esto se logra mediante la incorporación de fenilalanina en lugar de triptófano. Los péptidos resultantes se denominan "sustituyentes" W>F. Dichos sustituyentes W>F son abundantes en ciertos tipos de cáncer y se han asociado con una mayor expresión de IDO1. Funcionalmente, los sustituyentes W>F pueden afectar la actividad de las proteínas . [ 34 ]

Importancia clínica

El control traslacional es fundamental para el desarrollo y la supervivencia del cáncer . Las células cancerosas deben regular frecuentemente la fase de traducción de la expresión génica, aunque no se comprende del todo por qué se prioriza la traducción sobre pasos como la transcripción . Si bien las células cancerosas suelen tener factores de traducción genéticamente alterados, es mucho más común que modifiquen los niveles de los factores de traducción existentes. [ 35 ] Varias vías de señalización oncogénicas importantes, incluidas las vías RAS-MAPK , PI3K/AKT/mTOR , MYC y WNT-β-catenina , reprograman el genoma mediante la traducción. [ 36 ] Las células cancerosas también controlan la traducción para adaptarse al estrés celular. Durante el estrés, la célula traduce ARNm que pueden mitigarlo y promover la supervivencia. Un ejemplo de esto es la expresión de AMPK en varios tipos de cáncer; su activación desencadena una cascada que, en última instancia, permite que el cáncer escape a la apoptosis (muerte celular programada) provocada por la privación de nutrientes. Las futuras terapias contra el cáncer podrían implicar la interrupción de la maquinaria de traducción celular para contrarrestar los efectos posteriores del cáncer. [ 35 ]

Modelado matemático de la traslación

Figura M0. Modelo básico y más simple M0 de síntesis de proteínas. Aquí,
  • M – cantidad de ARNm con sitio de inicio de traducción no ocupado por el ribosoma en ensamblaje,
  • F – cantidad de ARNm con el sitio de inicio de la traducción ocupado por el ribosoma en ensamblaje,
  • R – cantidad de ribosomas que se encuentran en las proteínas que sintetizan el ARNm,
  • P – cantidad de proteínas sintetizadas. [ 37 ]
Figura M1'. Modelo extendido de síntesis de proteínas M1 con presentación explícita de la unión de los factores 40S, 60S y de iniciación (IF). [ 37 ]

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

  1. producción de moléculas de ARNm (incluido el empalme),
  2. iniciación de estas moléculas con ayuda de factores de iniciación (por ejemplo, la iniciación puede incluir el paso de circularización, aunque no es un requisito universal),
  3. iniciación de la traducción, reclutamiento de la subunidad ribosómica pequeña,
  4. ensamblaje de ribosomas completos,
  5. elongación (es decir, movimiento de los ribosomas a lo largo del ARNm con producción de proteínas),
  6. finalización de la traducción,
  7. degradación de moléculas de ARNm,
  8. degradación de proteínas.

El proceso de construcción de aminoácidos para crear proteínas en la traducción ha sido objeto de diversos modelos físicos durante mucho tiempo, desde los primeros modelos cinéticos detallados como [ 38 ] u otros que tienen en cuenta aspectos estocásticos de la traducción y utilizan simulaciones por computadora. Muchos modelos de síntesis de proteínas basados ​​en la cinética química se han desarrollado y analizado en las últimas cuatro décadas. [ 39 ] [ 40 ] Más allá de la cinética química, se han aplicado varios formalismos de modelado como el Proceso de Exclusión Simple Totalmente Asimétrico , [ 40 ] Redes Booleanas Probabilísticas , Redes de Petri y álgebra max-plus para modelar la cinética detallada de la síntesis de proteínas o algunas de sus etapas. Se ha desarrollado un modelo básico de síntesis de proteínas que tiene en cuenta los ocho procesos "elementales", [ 37 ] siguiendo el paradigma de que " los modelos útiles son simples y extensibles". [ 41 ] El modelo más simple M0 está representado por el mecanismo cinético de reacción (Figura M0). Se generalizó para incluir la unión de los factores 40S, 60S y de iniciación (FI) (Figura M1'). Posteriormente, se amplió para incluir el efecto del microARN en la síntesis de proteínas. [ 42 ] La mayoría de los modelos de esta jerarquía pueden resolverse analíticamente. Estas soluciones se utilizaron para extraer las "firmas cinéticas" de diferentes mecanismos específicos de regulación de la síntesis.

Código genético

También es posible traducir, ya sea a mano (para secuencias cortas) o por ordenador (tras programarlo adecuadamente; véase la sección siguiente); esto permite a biólogos y químicos dibujar en papel la secuencia primaria de aminoácidos de la proteína codificada.

Primero, convierte cada base del ADN molde a su base complementaria del ARN (observa que la base complementaria de A ahora es U), como se muestra a continuación. Ten en cuenta que la hebra molde del ADN es contra la que se polimeriza el ARN; la otra hebra de ADN sería igual que la del ARN, pero con timina en lugar de uracilo.

ADN -> ARN A -> U T -> A C -> G G -> C A=T-> A=U

Luego, divide el ARN en tripletes (grupos de tres bases). Ten en cuenta que existen tres ventanas de traducción o marcos de lectura , según el punto de partida de la lectura del código. Finalmente, utiliza la tabla del código genético para traducir lo anterior a una fórmula estructural, tal como se usa en química.

Esto nos 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. A menudo se puede inferir la estructura secundaria , pero la estructura terciaria correcta suele ser muy difícil de determinar. Para determinar la estructura 3D precisa y las interacciones atómicas, se utilizan la biología estructural y varios otros métodos de biofísica .

Mientras que otros aspectos, como la estructura tridimensional, denominada estructura terciaria , de las proteínas solo pueden predecirse mediante algoritmos sofisticados , la secuencia de aminoácidos, denominada estructura primaria, puede determinarse únicamente a partir de la secuencia de ácidos nucleicos con la ayuda de una tabla de traducción .

Este método puede no dar la composición correcta de aminoácidos de la proteína, en particular si se incorporan a la proteína aminoácidos no convencionales como la selenocisteína , que está codificada por un codón de parada convencional en combinación con una horquilla posterior (Secuencia de Inserción de Selenocisteína o SECIS).

Existen numerosos programas informáticos capaces de traducir una secuencia de ADN/ARN a una secuencia de proteínas. Normalmente, esto se realiza utilizando el Código Genético Estándar; sin embargo, pocos programas pueden manejar todos los casos "especiales", como el uso de codones de inicio alternativos, que tienen relevancia biológica. 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). [ 43 ]

AAs = FFLLSSSSYY**CC*WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVAAAADDEEGGG Comienza = ---M---------------M---------------M---------------------------- Base1 = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGG Base2 = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGG Base3 = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG

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

Tablas de traducción

Incluso al trabajar con secuencias eucariotas comunes como el genoma de la levadura , a menudo se desea poder utilizar tablas de traducción alternativas, en particular para la traducción de los genes mitocondriales. Actualmente, el Grupo de Taxonomía del NCBI define las siguientes tablas de traducción para la traducción de las secuencias en GenBank : [ 43 ]

  1. El código estándar
  2. El código mitocondrial de los vertebrados
  3. El código mitocondrial de la levadura
  4. El código mitocondrial de mohos, protozoos y celentéreos y el código de micoplasmas/espiroplasmas
  5. El código mitocondrial de los invertebrados
  6. El código nuclear de ciliados, dasicladáceos y hexamitas
  7. El código del cinetoplasto
  8. El código mitocondrial de los equinodermos y los platelmintos
  9. El código nuclear de los euplotidos
  10. El código de plastidios bacterianos, arqueales y vegetales
  11. El código nuclear alternativo de la levadura
  12. El código mitocondrial de las ascidias
  13. El código mitocondrial alternativo del gusano plano
  14. El código nuclear de Blepharisma
  15. El código mitocondrial de las clorofíceas
  16. El código mitocondrial del trematodo
  17. El código mitocondrial de Scenedesmus obliquus
  18. El código mitocondrial de Thraustochytrium
  19. El código mitocondrial de los Pterobranchia
  20. La división candidata SR1 y el código de gracilibacteria
  21. El código nuclear de Pachysolen tannophilus
  22. El código nuclear cariorelicto
  23. El código nuclear de Condylostoma
  24. El código nuclear del mesodio
  25. El código nuclear del peritrico
  26. El código nuclear de Blastocrithidia
  27. El código mitocondrial de los cefalódiscidos

Véase también

Referencias

  1. ↑ Liutkute, Marija; Maiti, Manisankar; Samatova, Ekaterina; Enderlein, Jörg; Rodnina, Marina V (27-10-2020). Hegde, Ramanujan S; Wolberger, Cynthia (eds.). "Compactación gradual del péptido naciente durante el plegamiento cotraduccional en el ribosoma" . eLife . 9 e60895 . doi : 10.7554/eLife.60895 . ISSN 2050-084X . PMC 7593090. PMID 33112737 .   
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  • Colección de animación virtual: Presentación de la traducción
  • Herramienta de traducción (a partir de secuencias de ADN o ARN)