Capítulo 9 Las proteínas y su síntesis Preguntas clave

Capítulo 9
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Las proteínas y su síntesis
Preguntas clave
- ¿Cómo se relacionan las secuencias de un gen y su proteína?
-
¿Por qué se dice que el código genético no se solapa y es
degenerado?
-
¿Cuál es la evidencia que sugiere que el RNA ribosómico, y no las
proteínas ribosómica, llevan a cabo los pasos claves en la
traducción?
-
¿Qué es el procesamiento postraduccional y por qué es importante
para la función proteica?
Esquema
9.1 Estructura de las proteínas.
9.2 Colinealidad de gen y proteína
9.3 El código genético
9.4 tRNA: el adaptador
9.5 Ribosomas
9.6 El proteoma
En el discurso de un congreso en 1969, William Stewart, cirujano general
de los Estados Unidos, dijo “Es tiempo de cerrar el libro de las
enfermedades infecciosas. Se acabó la guerra contra la pestilencia”. En esa
época, su anuncio de victoria no fue un alarde insensato. En las dos décadas
anteriores, se habían eliminado prácticamente tres de las enfermedades que
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fueron plagas de la humanidad por siglos, la polio, la viruela y la
tuberculosis. Un factor importante que contribuyó a la erradicación de
algunas enfermedades infecciosas fue el descubrimiento y el uso
generalizado de los antibióticos, un grupo diverso de compuestos químicos
que matan patógenos bacterianos específicos sin dañar al animal
hospedador. Los antibióticos como la penicilina, la tetraciclina, la
ampicilina y el cloranfenicol, por nombrar algunos, salvaron cientos de
millones de vidas.
Desafortunadamente, el anuncio de victoria de William Stewart en la
batalla contra las enfermedades infecciosas fue prematuro. El uso excesivo
de los antibióticos en todo el mundo estimuló la evolución de cepas
bacterianas resistentes. Por ejemplo, cada año, más de 2 millones de
pacientes en los hospitales de los Estados Unidos adquieren una infección
que es resistente al antibiótico y como resultado mueren más de 90.000
personas. ¿Cómo se desarrolló la resistencia tan rápidamente? ¿Serán
nuevamente las enfermedades infecciosas una causa de mortalidad
humana? ¿Serán capaces los científicos de emplear su comprensión de los
mecanismos de resistencia para desarrollar antibióticos más duraderos?
Para responder a estas preguntas, los científicos focalizaron su
atención en la máquina celular que es el blanco de los antibióticos. Más de
la mitad de todos los antibióticos de uso general atacan al ribosoma
bacteriano, que es el sitio de la síntesis de proteínas de los procariotas. En
este capítulo, aprenderá los increíbles descubrimientos que los científicos
han realizado con el empleo de una técnica llamada cristalografía de rayos
X para visualizar los RNA ribosómicos y las más de 100 proteínas que
conforman la subunidad mayor y menor del ribosoma bacteriano. Aunque
los ribosomas de los procariotas y de los eucariotas son similares, hay
sutiles diferencias entre ellos, que hacen posible que los ribosomas
bacterianos sean el blanco de acción de los antibióticos mientras que a los
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ribosomas eucarióticos no les afectan. Empleando cristalografía de rayos X,
los científicos han visualizado la unión de los antibióticos al ribosoma
(Figura 9-1). A partir de estos estudios, se han determinado qué mutaciones
en el rRNA y/o en las proteínas ribosómicas bacterianas son las
responsables de la resistencia a los antibióticos. Con el conocimiento de los
puntos de contacto entre ciertos antibióticos y el ribosoma, los diseñadores
de fármacos están intentando diseñar una nueva generación de antibióticos
que, por ejemplo, sean capaces de unirse a distintos sitios que se
encuentren cercanos espacialmente. La lógica de este diseño está en que la
resistencia tardaría más en llegar porque se necesitaría que ocurrieran dos
mutaciones, que es un hecho muy poco probable incluso en las bacterias.
Los capítulos 7 y 8 describieron cómo se copia el DNA de una
generación a la siguiente y cómo se sintetiza el RNA a partir de una región
específica del DNA. Se puede pensar que estos dos procesos forman parte
de dos etapas en la transferencia de la información: la replicación (la
síntesis de DNA) y la transcripción (la síntesis de una copia de RNA de
una parte del DNA). En este capítulo, aprenderá el estadio final de la
transferencia de la información: la traducción (la síntesis de un polipéptido
dirigida por la secuencia del RNA).
Como se ha visto en el Capítulo 8, el RNA transcrito de los genes se
clasifica en RNA mensajero (mRNA) y RNA funcional. En este capítulo,
verá el destino de las dos clases de RNA. La gran mayoría de genes
codifica mRNA cuya función es la de servir de intermediario en la síntesis
de la proteína que es el producto final. Por el contrario, recuerde que los
RNA funcionales son activos como RNA, y nunca se traducen a proteínas.
Las principales clases de RNA funcional son los protagonistas principales
en la síntesis de proteínas, incluyendo el RNA de transferencia y el RNA
ribosómico.
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 RNA de transferencia (tRNA) son moléculas adaptadoras que
traducen el codón de tres nucleótidos del mRNA al aminoácido
correspondiente, que es transportado por el tRNA al ribosoma
para el proceso de traducción. Los tRNAs son componentes
generales de la máquina de traducción; una molécula de tRNA
puede transportar el aminoácido al ribosoma para traducir
cualquier mRNA.
 RNA ribosómico (rRNA) es el componente principal de los
ribosomas, que son complejos macromoleculares que ensamblan
los aminoácidos para formar la proteína cuya secuencia está
codificada en el mRNA. Los ribosomas están compuestos por
varios tipos de rRNA y decenas de distintas proteínas. Como los
tRNA, los ribosomas tienen una función generalista, en el sentido
que traducen mRNA de cualquier gen que codifique proteínas.
Aunque la mayoría de los genes codifican mRNA, los RNA
funcionales constituyen la fracción mayor del RNA total de la célula. En
una célula eucariótica típica que está dividiéndose en forma activa, el
rRNA y el tRNA constituye casi el 95% del RNA total, mientras que el
mRNA restante es el 5%. Existen dos factores que explican la abundancia
de los RNA funcionales. Primero, son mucho más estables que los mRNA,
y así estas moléculas permanecen intactas por más tiempo. Segundo, la
transcripción de genes de rRNA y tRNA constituye más de la mitad de la
transcripción total en las células eucarióticas activas y casi el 80% de la
transcripción en levaduras.
Los componentes de la máquina de traducción y el proceso en sí son
similares en procariotas y eucariotas. El rasgo principal que los distingue es
el lugar de la célula donde ocurre la transcripción y la traducción: en los
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procariotas ambos procesos ocurren en el mismo compartimiento celular,
mientras que en los eucariotas están separados físicamente. Después de un
extenso procesamiento, el mRNA eucariótico se exporta del núcleo para la
traducción en los ribosomas que se localizan en el citoplasma. Por el
contrario, la transcripción y la traducción en los procariotas se encuentran
acopladas: la traducción de un RNA comienza en su extremo 5’ mientras el
resto del mRNA está aún siendo sintetizado.
9.1 Estructura de las proteínas
Después que un transcrito primario se procesa completamente y se
convierte en una molécula de mRNA maduro, puede tener lugar la
traducción a proteína. Antes de considerar cómo se construyen las proteínas,
se necesita entender cómo es su estructura.
Las proteínas son los principales determinantes de la forma y la
función biológica. Estas moléculas influyen directamente sobre la forma, el
color, el tamaño, el comportamiento y la fisiología de
(Fin de página 327)
(Principio de página 328)
los organismos. Debido a que la función de los genes es codificar proteínas,
entender la naturaleza de las proteínas es esencial para entender la acción
génica.
Una proteína es un polímero compuesto de monómeros llamados
aminoácidos. En otras palabras, una proteína es una cadena de
aminoácidos, que se suele llamar polipéptido, porque a los aminoácidos se
les denominaba péptidos. La fórmula general de los aminoácidos es
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H
H2N-C-COOH
R
Todos tienen una cadena lateral, o grupo R (reactivo). Existen 20
aminoácidos conocidos en las proteínas, y cada uno lleva un grupo R
diferente que le da su propiedad única. El grupo R puede ser desde un
átomo de hidrógeno (como en el aminoácido glicina) a un anillo complejo
(como en el triptófano). En las proteínas, los aminoácidos están ligados por
enlaces covalentes llamados enlaces peptídicos, formados por la unión
entre el extremo amino (NH2) de un aminoácido con el extremo carboxilo
(COOH) de otro aminoácido. Durante la reacción se forma una molécula de
agua (Figura 9-2). Por la manera en la que se forma un enlace peptídico,
una molécula de polipéptidos siempre tiene un extremo amino y un
extremo carboxilo, como se muestra en la Figura 9-2a.
Las proteínas tienen una estructura compleja con cuatro niveles de
organización, ilustrados en la Figura 9-3. La secuencia lineal de
aminoácidos en un polipéptido constituye la estructura primaria de la
proteína. Regiones locales de la cadena polipeptídica se pliegan en formas
específicas, que se denomina la estructura secundaria de una proteína.
Cada forma surge de fuerzas de unión entre los aminoácidos que se
encuentran cercanos en la secuencia lineal. Estas fuerzas incluyen diversos
tipos de enlaces débiles, especialmente los puentes de hidrógeno, las
interacciones electrostáticas y las fuerzas de van der Waals. Las estructuras
secundarias más comunes son la α-hélice y la estructura en hoja plegada.
Diferentes proteínas muestran una u otra estructura, aunque algunas
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presentan ambas. La estructura terciaria se produce por el plegamiento de
la estructura secundaria. Algunas proteínas presentan
estructura
cuaternaria, porque están compuestas de dos o más polipéptidos plegados,
llamados subunidades, mantenidos por uniones débiles. La estructura
cuaternaria puede establecerse entre distintos tipos de polipéptidos, que
conforman un heterodímero si está formada por dos subunidades, o un
homodímero si son polipéptidos idénticos. La hemoglobina es un ejemplo
de heterotetrámero, una proteína de cuatro subunidades, compuesta por dos
copias de dos polipéptidos diferentes, que se muestran en verde y morado
en la Figura 9-3d.
Muchas proteínas son estructuras compactas, llamadas proteínas
globulares. Las enzimas y los anticuerpos se encuentran entre las proteínas
globulares mejor caracterizadas. Las proteínas con forma lineal, llamadas
fibrosas, son componentes importantes de estructuras como la piel, el pelo
y los tendones.
La forma es lo más importante de una proteína porque es su forma
específica la que permite su especificidad para realizar un determinado
trabajo en la célula. La forma de una proteína está determinada por la
secuencia primaria de aminoácidos y por las condiciones en la célula que
promueven el plegamiento y las uniones necesarias para alcanzar
estructuras de niveles superiores. El plegamiento de las proteínas en su
conformación correcta se discutirá al final de este capítulo. La secuencia de
aminoácidos también determina qué tipo de grupo R está presente en una
posición específica y
(Fin de página 322)
(Inicio de página 323)
está disponible para unirse a otros componentes celulares. Los sitios activos
de las enzimas son un buen ejemplo de la interacción precisa de grupos R.
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Cada enzima tiene un bolsillo llamado centro activo en el que pueden
adaptarse los sustratos. Dentro del centro activo, los grupos R de ciertos
aminoácidos se posicionan estratégicamente para interactuar con un
sustrato y catalizar una reacción química específica.
Hasta el presente no se conoce bien cuáles son las reglas por las que
una estructura primaria adopta estructuras de nivel superior. Sin embargo, a
partir del conocimiento de la estructura primaria de una proteína, se puede
predecir la función de regiones específicas. Por ejemplo, algunas
secuencias de proteínas características son el punto de contacto con los
fosfolípidos de la membrana que posicionan una proteína en la membrana.
Otras secuencias características actúan para unir proteínas al DNA. Las
secuencias de aminoácidos o pliegues proteicos conservados que están
asociados con funciones particulares se denominan dominios. Una proteína
puede contener uno o más dominios separados.
9.2 Colinealidad de los genes y las proteínas
La hipótesis de Beadle y Batum de “un gen – un polipéptido” (véase el
Capítulo 6) fue la fuente de la primera comprensión excitante acerca de las
funciones de los genes: los genes son de alguna manera los responsables de
las funciones enzimáticas, y aparentemente cada gen controla una enzima.
Esta hipótesis aportó un concepto unificador en biología, porque construyó
un puente entre los conceptos y las técnicas de investigación de la genética
y la bioquímica. Cuando en 1953 se dedujo la estructura del DNA, parecía
probable que existiera una correspondencia lineal entre la secuencia de
nucleótidos y la secuencia de aminoácidos en las proteínas, como las
enzimas.
Sin
embargo,
no
fue
hasta
1963
que
se
demostró
experimentalmente la colinealidad. En ese año, Charles Yanofsky de la
Universidad de Stanford dirigía uno de los dos grupos de investigación que
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demostraron la correspondencia lineal entre los nucleótidos del DNA y los
aminoácidos de las proteínas.
Yanofsky demostró la relación entre genes alterados y proteínas
alteradas a través del estudio de la enzima triptófano sintetasa y su gen.
Esta enzima es un heterotetrámero compuesto por dos subunidades α y dos
β, que cataliza la conversión del indol glicerol fosfato en triptófano.
Indol-3-glicerol fosfato
subunidad α
gliceraldehído-3-fosfato
indol
serina
subunidad β
Triptofano
Yanofsky identificó 16 alelos mutantes del gen trpA de E.coli, cuyo alelo
salvaje codifica para la subunidad α de la enzima. Los 16 alelos mutantes
producían formas inactivas de la enzima. Yanofsky cartografió la posición
del sitio mutante de cada alelo. En 1963, aún no se había inventado la
secuenciación del DNA, pero los sitios mutantes podían cartografiarse por
los métodos de análisis de recombinación, descriptos en el Capítulo 4.
A través del análisis bioquímico de la proteína TrpA, Yanofsky
demostró que cada una de las 16 mutaciones resultaba en la sustitución de
un aminoácido en diferentes posiciones de la proteína. Más aún, demostró
que el sitio mutacional en el mapa génico del gen trpA aparecía en el
mismo orden que el correspondiente aminoácido alterado en la cadena
polipeptídica (Figura 9-4). Además la distancia entre los sitios mutados,
medida como frecuencia de recombinación, mostraba una correlación con
(Fin de página 324)
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(Principio de página 325)
la distancia entre el aminoácido alterado en la correspondiente proteína
mutante. De esta manera, Yanofsky demostró la colinealidad, o sea la
correspondencia entre la secuencia lineal de un gen y la del polipéptido.
Posteriormente, estos resultados fueron aplicados a mutaciones en otras
proteínas de manera general.
Mensaje: La secuencia lineal de nucleótidos en un gen determina la
secuencia lineal de aminoácidos en una proteína.
9.3 El código genético
Si los genes son segmentos de DNA y si las cadenas de DNA son una serie
de nucleótidos, entonces la secuencia de nucleótidos debe determinar de
alguna manera la secuencia de aminoácidos en la proteína. ¿Cómo hace la
secuencia del DNA para dictar la secuencia de proteínas? De inmediato nos
viene a la cabeza la analogía con un código; la simple lógica nos dice que,
si los nucleótidos son las “letras” en el código, entonces la combinación de
letras puede formar las “palabras” que representan los diferentes
aminoácidos. Primero, se debe preguntar cómo se lee el código, y si es o no
solapado. Entonces, se debe preguntar cuántas letras del mRNA pueden
componer una palabra, o codón, y qué codón o codones representan a cada
aminoácido. La historia que se describirá a continuación se relaciona con el
desciframiento del código genético.
Código solapado versus no solapado
La Figura 9-5 muestra la diferencia entre un código solapado y uno que no
lo es. El ejemplo muestra un código con grupos de tres letras o tripletes.
Para un código no solapado, los aminoácidos consecutivos se especifican
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por un código de palabras consecutivas (codones), como se muestra en la
parte inferior de la Figura 9-5. Sin embargo, para un código solapado, los
aminoácidos consecutivos están especificados por codones que tienen
algunas bases consecutivas en común; por ejemplo, las últimas dos bases
de un codón pueden ser también las dos primeras del siguiente codón. Los
codones solapados se muestran en la parte superior de la Figura 9-5. De
esta manera, para la secuencia AUUGCUCAG en un código no solapado,
habría tres tripletes que codifican para los tres primeros aminoácidos
respectivamente, AUU, GCU y CAG. Sin embargo, en un código solapado,
los tripletes AUU, UUG y UGC codifican para los tres primeros
aminoácidos si solapan dos bases, como se muestra en la Figura 9-5.
En el año 1961, ya estaba claro que el código no era solapado. Los
análisis de proteínas alteradas por una mutación mostraron que sólo se
cambia un único aminoácido en una región de la proteína. Este resultado es
lo que predice un código no solapado.
(Fin de página 325)
(Principio de página 326)
Como se observa en la Figura 9-5, un código solapado predice que el
cambio de una base alterará al menos a tres aminoácidos, localizados en
posiciones adyacentes de una proteína.
Número de letras en el codón
Si una molécula de mRNA se lee de un extremo al otro, sólo se puede
colocar una de las cuatro bases diferentes, A, U, G y C en cada posición.
De esta manera, si las palabras que codifican aminoácidos fueran de una
sola letra, habría sólo cuatro palabras posibles. Este vocabulario no puede
ser el código genético, porque debería tener al menos una palabra para cada
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uno de los 20 aminoácidos que se encuentran comúnmente en las proteínas
celulares. Si las palabras tuvieran dos letras de longitud, entonces las
posibilidades serían 4 x 4 = 16, de manera que sólo habría 16 palabras; por
ejemplo, AU, CU, o CC. Este vocabulario todavía no sería lo
suficientemente largo.
Si las palabras tienen tres letras de longitud, entonces las
posibilidades serían 4 x 4 x 4 = 64 palabras posibles, por ejemplo, AUU,
GCG, o UGC. Este vocabulario provee más palabras de las necesarias para
describir los aminoácidos; entonces podemos concluir que las palabras del
código deben consistir al menos de tres nucleótidos. Sin embargo, si todas
las palabras son “tripletes”, entonces las posibles palabras resultantes están
en un exceso considerable respecto a las 20 necesarias para nombrar a los
aminoácidos comunes. Más adelante, en este capítulo, se volverá a este
exceso de codones.
El uso de supresores para demostrar un código de tripletes
Una prueba convincente de que un codón tiene tres letras de longitud, y no
más de tres, proviene de un elegante experimento genético presentado por
primera vez en 1961 por Francis Crick, Sydney Brenner y sus
colaboradores. Este experimento empleó mutantes del locus rII del fago T4.
El empleo de mutaciones de rII en análisis de recombinación se discutió en
el Capítulo 5. El fago T4 es capaz de crecer en dos cepas diferentes de E.
coli, denominadas B y K. Sin embargo, las mutaciones en el gen rII,
cambian el espectro de hospedadores del fago: los fagos mutantes todavía
pueden crecer en un hospedador de la cepa B , pero no pueden hacerlo en
un hospedador K. Las mutaciones que causan este fenotipo rII se indujeron
empleando una sustancia química denominada proflavina, que se supone
que actúa por la adición o deleción de un simple par de nucleótidos en el
DNA. (Esta suposición se basa en evidencia experimental que no se
12
presentará aquí). El siguiente ejemplo ilustra la acción de la proflavina
sobre la doble hélice del DNA.
-ATCTAGTCTInserción
-TAGATCAGA-
-ATCTGTCT-TAGACAGADeleción
-ATCTGTT-TAGACAA-
Crick y sus colaboradores trabajaron con una mutación particular inducida
por la proflavina, llamada FCO; y descubrieron “reversiones” de la
mutación al estado salvaje, que eran capaces de crecer en la cepa K de E.
coli. El análisis genético de estas placas reveló que los “revertientes” no
eran idénticos a los salvajes verdaderos. De hecho, las reversiones que
descubrieron se debían a la presencia de una segunda mutación en un sitio
diferente al que causa FCO, aunque en el mismo gen.
“Reversión”
mutación FCO
mutación FCO
placas mutantes rII
Supresor de la mutación
placas doble mutantes tipo salvaje
(Fin de página 326)
(Principio de página 327)
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Esta segunda mutación “suprimió” la expresión mutante del original FCO.
Recuerde del Capítulo 6 que una mutación supresora contrarresta o suprime
los efectos de otra mutación.
¿Cómo se puede explicar este resultado? Si suponemos que el gen se
lee sólo desde un extremo, entonces la adición original o la deleción
inducida por la proflavina podría resultar en una mutación porque
interrumpe el mecanismo normal de lectura que establece el grupo de bases
que deben leerse leen como palabras. Por ejemplo, si cada tres bases en el
mRNA resultante constituye una palabra, entonces se podría establecer el
“marco de lectura” agrupando las tres primeras bases del extremo como la
primera palabra, las siguientes tres como la segunda palabra, y así en
adelante. En este caso, la adición o deleción de un par de nucleótidos
simple inducida por la proflavina podría desplazar el marco de lectura en el
mRNA a partir del punto correspondiente, causando la lectura errónea de
todas las palabras siguientes. Una mutación de desplazamiento del marco
de lectura podría reducir gran parte del mensaje genético a un galimatías.
Sin embargo, se podría reestablecer el marco de lectura apropiado por la
inserción o deleción compensatoria en otro punto, lo que produciría un
trecho corto ilegible entre las dos mutaciones. Considere el siguiente
ejemplo en el que se emplean palabras inglesas de tres letras para
representar los codones:
LEO VIO POR FIN ESE DIA SIN LUZ
Deleción de la P: LEO VIO ORF INE SED IAS INL UZ
Inserción de A: LEO VIO ORA FIN ESE DIA SIN LUZ
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La inserción suprime el efecto de la deleción restaurando la mayor
parte del sentido de la frase. La inserción, por sí misma, también
interrumpe la frase:
LEO VIO POR AFI NES EDI ASI NLU Z
Si suponemos que el mutante FCO está causado por una inserción de
un par de nucleótidos simple, entonces la segunda mutación (supresora)
podría ser una deleción, porque sólo una deleción restauraría el marco de
lectura del mensaje resultante (una segunda inserción no corregiría el
marco de lectura). En los siguientes diagramas, se emplea una cadena de
nucleótidos hipotética para representar al RNA por simplicidad. Se supone
que las palabras del código son de tres letras de longitud y que se leen en
una dirección (de izquierda a derecha).
1. Mensaje del tipo salvaje
CAU CAU CAU CAU CAU
2. Mensaje rIIa: las palabras después de la adición están cambiadas (X) por
una mutación que altera el marco de lectura, mientras que las palabras
marcadas con () no se ven afectadas.
Adición
CAU ACA UCA UCA UCA U

X
X
X
X
3. Mensaje rIIa, rIIb: Pocas palabras son erróneas, pero se restaura el marco
de lectura en las últimas palabras
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Deleción
CAU ACA UCU CAU CAU

X
X


(Fin de página 327)
(Inicio de página 328)
Las pocas palabras erróneas que hay en el genotipo del supresor que
recuperaron Crick y sus asociados, explicarían por qué los “revertientes”
(los fenotipos supresores) no son exactamente iguales a los fenotipos
salvajes verdaderos.
Se partió de la suposición que la mutación original que cambia el
marco de lectura fue una inserción, pero la explicación es igualmente
válida si se supone que la mutación original FCO es una deleción y el
supresor es una inserción, como podría verificar por sí mismo. Resulta muy
interesante que las combinaciones de tres inserciones o de tres deleciones
actúen de manera conjunta para restaurar el fenotipo salvaje. Estas
observaciones aportaron la primera evidencia experimental de que una
palabra en el código genético consiste de tres nucleótidos sucesivos, o sea
de un triplete. El motivo es que sólo las tres adiciones o las tres deleciones
dentro de un gen restauran automáticamente el marco de lectura en el
mRNA si las palabras son tripletes.
Degeneración del código genético
Ya se ha visto que un codón de tres letras, con cuatro letras que se pueden
elegir para cada posición, puede producir 4 x 4 x 4 = 64 palabras. Si sólo se
necesitan 20 palabras para los 20 aminoácidos comunes, ¿cómo se usan, de
usarse, las otras palabras? El trabajo de Crick sugirió que el código
genético es degenerado, o sea, que cada uno de los 64 tripletes debe tener
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algún significado dentro del código, por lo que algunos aminoácidos deben
estar especificados por al menos dos o más tripletes diferentes.
El razonamiento es el siguiente: Si se emplearan sólo 20 tripletes,
otros 44 carecerían de sentido y no codificarían ningún aminoácido. En este
caso, se espera que la mayoría de las mutaciones que alteran el marco de
lectura produzcan palabras sin sentido, que interrumpirían el proceso de la
construcción de la proteína, y la supresión de las mutaciones que cambian
el marco de lectura se darían, en caso de producirse, raramente. Sin
embargo, si todos los tripletes especifican para algún aminoácido, las
palabras cambiadas podrían resultar simplemente en la inserción de un
aminoácido incorrecto en la proteína. Crick pensó que muchos aminoácidos,
si no todos, tienen varios nombres diferentes en el código de pares de
bases; y esta hipótesis fue confirmada bioquímicamente.
Mensaje: La discusión hasta ahora demuestra que
1. El código genético no es solapado.
2. Tres bases codifican un aminoácido. Estos tripletes se denominan
codones.
3. El código se lee desde un punto de partida fijo y continúa hasta el final
de la secuencia codificadora. Se sabe que el código se lee de manera
secuencial porque una simple mutación de desplazamiento del marco de
lectura en cualquier sitio de la secuencia codificadora altera el alineamiento
del codón para el resto de la secuencia.
4. El código es degenerado ya que algunos aminoácidos están especificados
por más de un codón.
Descifrando el código
El desciframiento del código genético, o sea la determinación del
aminoácido específico para cada triplete, fue uno de los avances genéticos
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más espectaculares de los últimos 50 años. Cuando las técnicas
experimentales necesarias se hallaron disponibles, el código genético se
descifró rápidamente.
El descubrimiento de cómo producir mRNA sintético fue un gran
paso adelante. Si se mezclan los nucleótidos de RNA con una enzima
especial (polinucleótido fosforilasa) la reacción produce una cadena simple
de RNA. A diferencia de la transcripción, no se necesita molde de DNA
para esta síntesis, de manera que los nucleótidos se incorporan al azar. La
capacidad de sintetizar RNA ofreció la perspectiva apasionante de crear
secuencias de mRNA específicas y así ver que aminoácidos podrían
especificar. El primer mensajero sintético se obtuvo mezclando nucleótidos
de uracilo
(Fin de página 328)
(Principio de página 329)
con la enzima que sintetizaba el RNA, que produjo ….UUUU….(poli-U).
En 1961, Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei mezclaron in vitro, un
mRNA de poli-U con la máquina de síntesis de proteínas de E. coli, y
observaron la formación de una proteína. El entusiasmo principal se centró
en la secuencia de aminoácidos de esta proteína, que resultó ser un
polipéptido de fenilalanina; de manera que el triplete UUU debe codificar
para fenilalanina:
-UUU UUU UUU UUU UUU UUU UUU- Phe - Phe - Phe - Phe- Phe - Phe - Phe –
Nirenberg ganó el Premio Nobel por este descubrimiento.
Después, se sintetizó mRNA que contenía dos tipos de nucleótidos
en grupos repetitivos. Por ejemplo, el mRNA sintético que porta la
18
secuencia (AGA)n, es una secuencia larga de AGAAGAAGAAGAAGA,
que se empleó para iniciar la síntesis polipeptídica in vitro (en un tubo de
ensayo que también contenía un extracto celular con todos los componentes
necesarios para la traducción). La secuencia polipeptídica resultante se
observó a partir de una variedad de estos ensayos, con el uso de diferentes
tripletes que residían en otros RNA sintéticos. Realizando este tipo de
ensayos se verificaron muchas palabras del código. (Este experimento se
detalla en el Problema 33 al final de este capítulo. Para resolverlo, puede
colocarse en el lugar de H. Gobind Khorana, que recibió el Premio Nobel
por dirigir estos experimentos).
Otras
estrategias
experimentales
permitieron
asignar
cada
aminoácido a uno o más codones. Recuerde que se propuso que el código
es degenerado, lo que significa que algunos aminoácidos tienen más de un
codón asignado. La degeneración del código se puede observar claramente
en la Figura 9-6, donde se dan los codones y los aminoácidos que
especifican. Prácticamente todos los organismos de la Tierra usan el mismo
código genético. Hay algunas pocas excepciones en las que un pequeño
número de codones tiene diferentes significados, por ejemplo en los
genomas mitocondriales.
Codones stop
Habrá notado que en la Figura 9-6 hay algunos codones que no especifican
ningún aminoácido; son codones de terminación, o de stop. Pueden
homologarse con señales de puntuación en el mensaje codificado en el
DNA.
Uno de los primeros indicios de la existencia de codones stop
provino del trabajo de Brenner con el fago T4 en 1965. Brenner analizó
ciertas mutaciones (m1-m6) en un gen único que controla las proteínas de la
cabeza del fago; y descubrió que las proteínas de cada mutante tenían una
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cadena polipeptídica más corta que la del tipo salvaje. Brenner examinó los
extremos de las proteínas acortadas y los comparó con la proteína salvaje.
Para cada mutante, registró el aminoácido siguiente al que debería haberse
insertado para continuar con la cadena salvaje. Los aminoácidos para las
seis mutaciones fueron glutamina, lisina, ácido glutámico, tirosina,
triptofano, y serina. Estos resultados no presentan de manera inmediata un
patrón obvio, pero Brenner dedujo brillantemente que ciertos codones de
cada uno de estos aminoácidos son similares. Específicamente, cada uno de
estos codones puede mutar a UAG por un cambio simple en un nucleótido
del DNA. Brenner postuló que UAG es un codón stop (terminación), una
señal de que la proteína está completa para el mecanismo de la traducción.
(Fin de página 329)
(Principio de página 330)
UAG fue el primer codón stop descifrado; y se denominó codón
ámbar. Los mutantes que son defectuosos debido a la presencia de un
codón ámbar anormal se denominan mutantes ámbar. Los otros dos
codones de parada son UGA y UAA. Por analogía con el codón ámbar, a
UGA se lo denominó codón ópalo y codón ocre a UAA. Los mutantes que
son defectuosos debido a la presencia de un codón anormal, ópalo u ocre,
se denominan mutantes ópalo y ocre, respectivamente. Los codones stop a
menudo se llaman codones sin sentido porque no designan a ningún
aminoácido.
Además de una proteína de la cabeza más corta, el fago mutante de
Brenner tenía otro rasgo interesante: la presencia de una mutación
supresora (su-) en el cromosoma del hospedador podría causar que el fago
desarrollase la proteína de la cabeza de tamaño normal (salvaje) a pesar de
llevar la mutación m. Se volverá a considerar a los codones stop y a sus
supresores después de haber tratado el proceso de la síntesis de proteínas.
20
9.4 tRNA: el adaptador
Después de conocer que la secuencia de aminoácidos de una proteína está
determinada por los codones o tripletes de mRNA, los científicos
comenzaron a preguntarse cómo se lleva a cabo este proceso. Un primer
modelo, rápidamente descartado por ingenuo y
(Fin de la página 330)
(Principio de página 331)
poco probable, propuso que los codones del mRNA podrían plegarse y
formar 20 cavidades distintas que permitieran la unión del aminoácido
específico directamente y en el orden correcto. Sin embargo, en 1958 Crick
reconoció que:
Una hipótesis natural sería que el aminoácido sea transportado al
molde por una molécula adaptadora, y que el adaptador sea la pieza
que verdaderamente encaja en el RNA. En su forma más simple (esta
hipótesis) se podrían requerir veinte adaptadores, uno para cada
aminoácido.
Crick especuló acerca del adaptador proponiendo que “debería
contener nucleótidos que lo capaciten para unirse al molde de RNA por las
mismas reglas de apareamiento de bases que se descubrieron en el DNA”.
Más aún, “se requeriría una enzima para unir cada adaptador a su
aminoácido correspondiente”.
Ahora se sabe que la hipótesis de Crick del “adaptador” era en gran
parte correcta. Los aminoácidos están unidos al adaptador (recuerde que el
adaptador constituye una clase especial de RNA estable denominado RNA
de transferencia). Cada aminoácido se encuentra sujeto a un tRNA
21
específico, que los lleva al ribosoma, que es el complejo molecular que
enlazará los aminoácidos a los polipéptidos que están creciendo.
Traducción del codón por el tRNA
La estructura del tRNA encierra el secreto de la especificidad entre un
codón del mRNA y el aminoácido que designa. La molécula de una sola
cadena de tRNA tiene una estructura en forma de hoja de trébol que
consiste de cuatro tallos de doble hélice y de tres bucles de cadena simple
(Figura 9-7a). Al bucle del medio de cada tRNA se lo denomina bucle del
anticodón, porque lleva el triplete de nucleótidos denominado anticodón.
Esta secuencia es complementaria al codón que determina el aminoácido
transportado por el tRNA. El anticodón en el tRNA y el codón en el mRNA
se unen por especificidad de apareamiento de bases RNA a RNA. (De
nuevo, vemos el principio de complementariedad de ácidos nucleicos que
trabaja en este caso en la unión de dos RNA diferentes). Debido a que los
codones en el mRNA se leen en dirección 5’ -> 3’, los anticodones están
orientados y escritos en la dirección 3’ -> 5’, como muestra la Figura 9-7a.
La enzima aminoacil-tRNA sintetasa une los aminoácidos al tRNA,
y hay 20 de estas enzimas en la célula, una para cada uno de los 20
aminoácidos. Al tRNA con un aminoácido unido se lo denomina cargado.
Cada aminoácido tiene una sintetasa específica que lo une sólo a aquellos
tRNA que reconocen los codones del aminoácido particular. Para catalizar
esta reacción, la sintetasa tiene dos sitios de unión, uno para el aminoácido
y el otro para su correspondiente tRNA (Figura 9-8). El aminoácido se une
al extremo 3’ de su tRNA; en el las Figuras 9-7a y 9-8 se muestra el
ejemplo del aminoácido alanina.
La estructura “aplanada” de la hoja de trébol que se muestra en la
Figura 9-7a no es la conformación normal de las moléculas de tRNA; que
suele ser una forma de L plegada similar a la hoja de trébol, como se
22
muestra en la Figura 9-7b. La estructura tridimensional del tRNA fue
determinada utilizando cristalografía de rayos X. Desde la época en que se
empleó para deducir la estructura de doble hélice del DNA, esta técnica ha
ido perfeccionándose de manera que ahora se puede utilizar para
determinar la estructura de macromoléculas muy complejas como el
ribosoma. Aunque los tRNAs difieren en su secuencia primaria de
nucleótidos, todos ellos se pliegan prácticamente en la misma
conformación de L, excepto para diferencias en el bucle del anticodón y en
el extremo aminoacídico. Su estructura similar se puede observar
fácilmente en la Figura 9-9, que muestra a dos tRNA diferentes
superpuestos. La conservación de la estructura nos dice que la forma es
importante para la función que desempeña el tRNA.
¿Qué ocurriría si un aminoácido incorrecto se uniera covalentemente
al tRNA? Un experimento convincente respondió esta pregunta. El
experimento empleó el tRNA específico de cisteína, el cisteinil-tRNA
(tRNACys), “cargado” con cisteína, de manera que éste aminoácido fue
unido al tRNA. Al tRNA cargado
(Fin de página 331)
(inicio de página 332)
se lo trató con hidruro de níquel, que convierte la cisteína en otro
aminoácido, la alanina, sin que afecte al tRNACys al que aún se encuentra
ligado:
hidruro de níquel
cisteína-tRNACys
alanina-tRNACys
La proteína sintetizada con este tRNA híbrido tenía alanina en los lugares
donde debería haber cisteína. El experimento demostró que el aminoácido
es “analfabeto”, se insertan en la posición adecuada debido a que el
23
“adaptador” del tRNA reconoce al codón e inserta su aminoácido
apropiadamente. Por lo tanto, la unión del aminoácido correcto a su tRNA
cognado es un paso crítico que asegura que la proteína sea sintetizada
correctamente. Si se une el aminoácido incorrecto, no hay manera de
prevenir que sea incorporado en la cadena de proteína que se está
sintetizando.
Revisión de la degeneración
Como puede observarse en la Figura 9-6, el número de codones de un solo
aminoácido varía, desde un codón (UGG para el triptofano) hasta seis
(UCC, UCU, UCA, UCG, AGC, o AGU para la serina). No está del todo
claro aún por qué el código genético tiene esta variación, pero hay dos
hechos a tener en cuenta:
1. La mayoría de los aminoácidos pueden ser llevados al ribosoma por
diversos tipos alternativos de tRNA. Cada tipo tiene un anticodón diferente
que se empareja con un codón distinto en el mRNA.
2. Ciertas especies de tRNA cargados pueden llevar sus aminoácidos
específicos a cualesquiera de varios codones relacionados. Estos tRNA
reconocen y se unen a varios codones alternativos, no sólo al que tiene la
secuencia complementaria, a través de una especie de emparejamiento
débil en el extremo 3’ del codón y el 5’ del anticodón. Este tipo de
apareamiento débil se denomina tambaleo.
El tambaleo es una situación en la que el tercer nucleótido del
anticodón (en el extremo 5’) puede formar dos alineamientos (Figura 9-10).
El tercer nucleótido puede formar puentes de hidrógeno tanto con su
nucleótido complementario normal de la tercera posición del codón como
con un nucleótido diferente en esta posición. Las “reglas del tambaleo”
24
(Fin de página 332)
(Principio de página 333)
dictan qué nucleótidos pueden o no pueden formar puentes de hidrógeno
con nucleótidos alternativos a través del tambaleo (Tabla 9-1). En la Tabla
9-1, la letra I simboliza inosina, una de las bases raras que suele
encontrarse en el anticodón del tRNA.
La Tabla 9-2 enumera todos los codones para la serina y muestra
cómo se pueden emparejar con tres tRNA diferentes (tRNASer1, tRNASer2 y
tRNASer3). Algunos organismos poseen una especie adicional de tRNA, que
puede representarse con tRNASer4, que tiene un anticodón idéntico a uno de
los tres anticodones mostrados en la Tabla 9-2, pero difiere en su secuencia
de nucleótidos en otra parte de la molécula. Estos cuatro tRNA se
denominan tRNA isoaceptores, porque aceptan el mismo aminoácido a
pesar de que los transcriben diferentes genes de tRNA.
25
Mensaje: Se dice que el código genético es degenerado porque, en muchos
casos, más de un codón se asigna a un único aminoácido; además, distintos
codones pueden emparejarse con más de un anticodón (tambaleo).
9.5 Los Ribosomas
La síntesis de proteínas tiene lugar cuando el tRNA y el mRNA se asocian
con los ribosomas. La tarea de los tRNA y de los ribosomas es traducir la
secuencia de codones del mRNA en la secuencia de aminoácidos de la
proteína. El término maquina biológica ya se ha empleado en los capítulos
precedentes para caracterizar complejos de subunidades múltiples que
realizan funciones celulares específicas. El replisoma, por ejemplo, es una
maquina biológica que puede replicar el DNA con precisión y velocidad. El
sitio de la síntesis de proteínas, el ribosoma, es una de las más grandes y
complejas máquinas que se han descrito hasta ahora. Se complejidad se
debe al hecho que tiene que realizar varios trabajos con precisión y
velocidad. Por esta razón, es mejor pensar en el ribosoma como una fábrica
con muchas máquinas que actúan concertadamente. Se verá ahora cómo
está organizada esta fábrica para realizar sus múltiples funciones.
En todos los organismos, el ribosoma está compuesto por dos
subunidades, una pequeña y una mayor, formadas por RNA (llamado RNA
ribosómico o rRNA) y proteínas. Cada subunidad está compuesta por uno
de tres tipos de rRNA y unas 50 proteínas. Las subunidades ribosómicas
estuvieron originalmente caracterizadas por su tasa de sedimentación
cuando se centrifugaban en una ultracentrífuga, así que sus nombres
derivan de su coeficiente de sedimentación en unidades de Svedberg (S),
que indican el tamaño molecular. En los procariotas, las subunidades
pequeña y grande se denominan 30S y 50S, respectivamente, y entre ellas
se asocian para formar una partícula de 70S (Figura 9-11a). Los homólogos
26
eucariotas se denominan 40S y 60S, y conforman el ribosoma de 80S
(Figura 9-11b). Aunque los ribosomas eucariotas son mayores debido a sus
componentes son mayores y más numerosos, los componentes y los pasos
en la síntesis de proteínas son muy similares en conjunto. Las similitudes
indican claramente que la traducción es un proceso antiguo que se originó
en un ancestro común de eucariotas y procariotas.
(Fin de página 333)
(Principio de página 334)
Cuando se estudiaron los ribosomas por primera vez, sorprendió el hecho
que las dos terceras partes de su masa fuera RNA y sólo la tercera parte
fuera proteína. Por décadas, se consideró que la función del rRNA era la de
servir de andamio o de marco adecuado necesario para el correcto
ensamblaje de las proteínas ribosómicas. Este papel parecía lógico porque
el rRNA se pliega por apareamiento de bases intramolecular en una
estructura secundaria estable (Figura 9-12). Según este modelo, las
proteínas ribosómicas eran las únicas responsables de realizar los pasos
importantes de la síntesis de proteínas. Este punto de vista ha cambiado con
el descubrimiento de los RNA catalíticos en los años 80 (véase capítulo 8).
Como se verá, los científicos ahora piensan que el rRNA, asistido por las
proteínas ribosómicas, lleva a cabo los pasos más importantes de la síntesis
de proteínas.
Características de los ribosomas
Los ribosomas se unen a los otros jugadores importantes en la síntesis de
proteínas, el tRNA y el mRNA, para traducir la secuencia de nucleótidos de
un mRNA a la secuencia de aminoácidos de una proteína. El tRNA y el
mRNA se sitúan en el ribosoma de manera que los codones del mRNA
pueden interactuar con los anticodones de los tRNA. Los sitios claves de
27
interacción se ilustran en la Figura 9-13. El sitio de unión para el mRNA
está completamente dentro de la subunidad menor, mientras que para el
tRNA hay tres sitios de unión. Cada tRNA unido hace de puente entre la
subunidad 30S y la 50S, con su extremo del anticodón en 30S, y su
extremo aminoacil (que lleva
(Fin de página 334)
(Principio de página 335)
el aminoácido) en 50S. En el sitio A (de aminoacil) se coloca un aminoaciltRNA entrante, cuyo anticodón se empareja con el codón que ya se
encuentra en el sitio A de la subunidad 30S. Conforme se avanza en la
dirección 5’ del mRNA, el siguiente codón interactúa con el anticodón del
tRNA del sitio P (por peptidil) de la subunidad 30S. El tRNA del sitio P
sujeta la cadena peptídica en crecimiento, parte de la cual se ajusta a una
estructura en forma de túnel de la subunidad 50S. El sitio E (de exit, salida
en inglés) contiene un tRNA desacilado (que ya no contiene aminoácido)
que está preparado para liberarse del ribosoma. Todavía no está del todo
claro si las interacciones codón-anticodón también tienen lugar entre el
mRNA y el tRNA en el sitio E.
Hay dos regiones adicionales en el ribosoma que son críticas para la
síntesis proteica. El centro decodificador de la unidad 30S asegura que
sólo los tRNAs que lleven el anticodón que aparea con el codón (llamado
tRNA cognado) sean aceptados en el sitio A. El tRNA cognado se asocia
con el centro peptidiltransferasa de la subunidad 50S donde se cataliza la
formación del enlace peptídico. Recientemente, muchos laboratorios,
especialmente el de Thomas Steitz, emplearon cristalografía de rayos X
para “resolver” a nivel atómico la estructura del ribosoma asociado a los
tRNAs. Los resultados de estos elegantes estudios muestran claramente que
ambos centros están compuestos completamente de regiones de rRNA; los
28
contactos importantes que se realizan en estos centros son los contactos
tRNA-rRNA. La formación del enlace peptídico se cree que está catalizada
por un centro activo del RNA ribosómico y que las proteínas solo lo asisten.
En otras palabras, la subunidad mayor del ribosoma actúa como una gran
ribozima que cataliza la formación del enlace peptídico.
¿Qué hacen los genetistas hoy en día?
Se han realizado estudios estructurales similares examinando la subunidad
mayor de los ribosomas formando complejos con distintos antibióticos.
Estos estudios revelaron el punto de contacto entre el antibiótico y el
ribosoma. Por ejemplo, los macrólidos son una familia de compuestos
estructuralmente
similar
que
incluyen
los
populares
antibióticos
eritromicina y Zitromax. Estos antibióticos inhiben la síntesis de proteínas
bloqueando el ribosoma sobre el mRNA. Parece que realizan esta tarea
bloqueando el túnel de salida desde donde emerge la cadena polipeptídica
naciente de la subunidad mayor (véase Figura 9-1). Curiosamente, la
bacteria patogénica que ha desarrollado resistencia a alguno de estos
antibióticos parece tener mutaciones en los ribosomas que hacen que el
túnel de salida sea mayor. Así, el conocimiento de cómo se unen los
antibióticos al ribosoma ayuda a los científicos a entender cómo trabaja el
ribosoma y cómo diseñar nuevos antibióticos que puedan ser activos
(Fin de página 335)
(Principio de página 336)
en contra de los mutantes resistentes. El procedimiento que utiliza la
información básica acerca de la máquina molecular para desarrollar nuevos
antibióticos y otras medicinas se denomina diseño de fármacos basados
en la estructura.
29
Iniciación, elongación y terminación de la traducción
El proceso de la traducción se puede dividir en tres fases: iniciación,
elongación y terminación. Dejando de lado al ribosoma, el mRNA y el
tRNA, se requieren proteínas adicionales para llevar a cabo de manera
exitosa cada fase. Debido a que ciertos pasos de la iniciación difieren
significativamente entre procariotas y eucariotas, se describe la iniciación
separadamente para cada grupo. Las fases de elongación y terminación se
describirán principalmente como sucede en bacterias, ya que en éstas se
han realizado muchos estudios recientes de la traducción.
Iniciación de la traducción La principal tarea de la iniciación es colocar el
primer aminoacil-tRNA en el sitio P del ribosoma y, de esta manera,
establecer el marco de lectura correcto del mRNA. En la mayoría de los
procariotas y en todos los eucariotas, el primer aminoácido de cualquier
proteína recién sintetizada es la metionina, especificado por el codón AUG.
No lo inserta el tRNAMet, si no un tRNA especial llamado iniciador, que se
simboliza como tRNAMeti. En las bacterias, se añade el grupo formil a la
metionina mientras el aminoácido se une al iniciador, formando Nformilmetionina. (El grupo formil en la N-formilmetionina se elimina
después).
¿Cómo sabe la máquina de la traducción dónde debe comenzar? En
otras palabras, como se selecciona el sitio de iniciación AUG entre los
muchos codones AUG de una molécula de mRNA? Recuerde que, tanto en
procariotas como en eucariotas, el mRNA tiene un extremo 5’ que no se
traduce (5’-UTR), que consiste en una secuencia localizada entre el sitio de
iniciación de la transcripción y el sitio de inicio de la traducción. Como se
verá más adelante, la secuencia de nucleótidos del 5’-UTR adyacente al
iniciador AUG es crítica para la unión del ribosoma en los procariotas, pero
no así en los eucariotas.
30
La iniciación en los procariotas. Los codones de iniciación están
precedidos por unas secuencias especiales llamadas secuencias ShineDalgarno, que aparean con el extremo 3’ de un rRNA, llamado rRNA 16S,
en la subunidad 30S del ribosoma. Este apareamiento posiciona de manera
correcta al codón iniciador en el sitio P donde se unirá el tRNA iniciador
(Figura 9-14). El mRNA puede aparear sólo con la subunidad 30S que se
encuentra disociada del resto del ribosoma. Observe de nuevo que el rRNA
juega un papel clave al asegurar que el ribosoma esté en el sitio correcto
para iniciar la traducción.
Se requieren tres proteínas, IF1, IF2 y IF3 (por factor de iniciación,
en inglés initiation factor) para la iniciación correcta (Figura 9-15). La IF3
es necesaria para mantener disociada a la subunidad 30S de la subunidad
50S, mientras que la IF1 y IF2 actúan asegurando que sólo el tRNA
iniciador constituya el complejo de iniciación. El ribosoma completo 70S
se forma por la asociación de la subunidad grande 50S con el complejo de
iniciación y la liberación de los factores de iniciación.
Debido a que los procariotas carecen de compartimento nuclear que
separa la transcripción de la traducción, el complejo de iniciación es capaz
de formarse en la secuencia Shine-Dalgarno cercano al extremo 5’ del
RNA que aún se está transcribiendo. Así, la traducción puede comenzar en
el RNA procariota antes que se complete la transcripción.
La iniciación en los eucariotas. La transcripción y la traducción tienen
lugar en compartimentos separados de las células eucariotas. Como se
discutió en el Capítulo 8, el mRNA eucariótico se transcribe y se procesa
en el núcleo antes de exportarse al citoplasma para la traducción.
(Fin de página 336)
(Principio de página 337)
31
Al llegar al citoplasma, el mRNA está cubierto generalmente por proteínas,
y algunas regiones pueden formar dobles hélices debido al apareamiento
intramolecular de bases. Estas regiones de estructura secundaria deben
eliminarse para exponer al codón iniciador AUG. La eliminación la
realizan los factores de iniciación eucarióticos llamados eIF4A, B y G, que
se asocian con la caperuza del extremo 5’ que se encuentra en la mayoría
de los mRNA eucarióticos, con la subunidad 40S y con el tRNA iniciador
para formar el complejo de iniciación. Una vez en su lugar, el complejo se
mueve en la dirección 5’ a 3’ y se desenrollan las regiones de las bases
apareadas (Figura 9-16). Al mismo tiempo,
(Fin de página 337)
(Principio de página 338)
se explora a la secuencia expuesta en busca de un codón AUG donde la
traducción pueda comenzar. Después que el codón se encuentra
correctamente alineado con el tRNA iniciador, el complejo de iniciación se
une a la subunidad 60S para formar el ribosoma. Como en los procariotas,
los factores de iniciación eucarióticos se disocian del ribosoma antes que se
inicie la fase de la elongación.
Elongación Durante el proceso de la elongación es cuando el ribosoma
más se asemeja a una fábrica. El mRNA actúa como un maestro de obras,
especificando el sitio de entrega del tRNA cognado, cada uno con su
aminoácido cargado. Cada aminoácido se añade a la cadena polipeptídica
creciente mientras que el tRNA desacilado se recicla por la adición de otro
aminoácido. La Figura 9-17 nuestra en detalle los pasos de la elongación.
Dos factores proteicos llamados factores de elongación TU (EF-TU) y
factor de elongación G (EF-G) asisten el proceso de la elongación.
32
Como se ha descrito anteriormente en este capítulo, un aminoaciltRNA se forma por unión covalente de un aminoácido del extremo 3’ de un
tRNA que contiene el correspondiente anticodón. Antes que los aminoaciltRNAs puedan emplearse en la síntesis de proteínas, deben asociarse al
factor proteico EF-TU para formar un complejo ternario compuesto por el
tRNA, el aminoácido y el EF-TU. El ciclo de elongación comienza con un
tRNA iniciador y su aminoácido unido, la metionina, en el sitio P y con el
sitio A listo para aceptar al complejo ternario (véase la Figura 9-17). El
reconocimiento del codón-anticodón en el centro decodificador la
subunidad pequeña determina cuál de los 20 complejos ternarios diferentes
se acepta
(Fin de página 338)
(Principio de página 339)
(véase la Figura 9-13b). Cuando se realiza el ajuste correcto, cambia la
forma del ribosoma, el EF-TU abandona el complejo ternario y los dos
extremos aminoacil se yuxtaponen en el centro peptidiltransferasa de la
subunidad mayor (véase la Figura 9-13b). Allí, se forma un enlace
peptídico con la transferencia de la metionina del sitio P al aminoácido del
sitio A. En este punto, el segundo factor proteico, EF-G, juega su papel. El
factor EF-G encaja en el sitio A, y su entrada en este sitio desplaza el tRNA
de los sitios A y P a los sitios P y E, respectivamente, y mueve el mRNA a
través del ribosoma de manera que el siguiente codón se posiciona en el
sitio A (véase la Figura 9-17). Cuando el EF-G deja el ribosoma, el sitio A
se encuentra abierto para aceptar al siguiente complejo ternario.
En los ciclos sucesivos, el sitio A se rellena con un nuevo complejo
ternario a medida que el tRNA desacilado deja al sitio E. A medida que la
elongación progresa, se incrementa el número de aminoácidos del peptidil-
33
tRNA (en el sitio P). Al final, el extremo amino terminal del polipéptido
creciente emerge del túnel de la subunidad 50S y sale del ribosoma.
Terminación El ciclo continúa hasta que el codón del sitio A es uno de los
tres codones stop: UGA, UAA o UAG. Recuerde que no hay ningún tRNA
que reconozca a estos codones. Sin embargo, unas proteínas llamadas
factores de liberación (RF1, RF2 y RF3 en las bacterias) reconocen los
codones stop (Figura 9-18). En las bacterias, el RF1 reconoce a los codones
UAA o UAG, mientras que RF2 reconoce a UAA o UGA; y ambos son
asistidos por RF3. La interacción entre los factores de liberación 1 y 2 y el
sitio A difiere de la que tiene con el complejo ternario en dos formas
importantes. La primera, es que las proteínas RF reconocen a los codones
stop, y no lo reconoce un anticodón. La segunda, es que los factores de
liberación encajan en el sitio A de la subunidad 30S, pero no participan en
la formación del enlace peptídico. Sin embargo, dentro del centro
polipeptidiltransferasa entra una molécula de agua, y su presencia lleva a la
liberación del polipéptido del tRNA del sitio P. Las subunidades
ribosomales se separan, y la subunidad 30S está lista para formar un nuevo
complejo de iniciación.
Mensaje: La traducción se lleva a cabo en ribosomas que se desplazan a lo
largo del mRNA en dirección 5’ -> 3’. Un conjunto de moléculas de tRNA
llevan los aminoácidos a los ribosomas, y sus anticodones se unen al
mRNA expuesto en el ribosoma. El aminoácido entrante se une
covalentemente al extremo amino de la cadena polipeptídica creciente en el
ribosoma.
Mutaciones supresoras sin sentido
34
Es interesante considerar ahora los supresores de las mutaciones sin
sentido definidas por Brenner y sus colaboradores. Recuerde que las
mutaciones en el fago llamadas ámbar reemplazaban a los codones salvajes
con codones stop, pero las mutaciones supresoras en el hospedador
contrarrestaban los efectos de la mutación ámbar. Podemos ahora decir más
específicamente dónde se localiza la mutación supresora y cómo trabaja.
Muchos de estos supresores son mutaciones en los genes que codifican los
tRNA de manera que un tRNA se vuelve capaz de reconocer un codón stop
en el mRNA. Así, un aminoácido se inserta en respuesta al codón stop y la
traducción continúa pasando ese triplete. En la Figura 9-19, la mutación
ámbar reemplaza al codón salvaje con el codón sin sentido UAG de
terminación de la cadena. Por si mismo, el codón UAG podría causar que la
proteína terminara prematuramente en su posición. La mutación supresora
en este caso produce un tRNATyr con un anticodón que reconoce al codón
stop mutante UAG. El mutante suprimido contiene tirosina en esa posición
de la proteína.
¿Podría el tRNA producido por una mutación supresora también
unirse a las señales de terminación normales de los extremos de las
proteínas? ¿Podría la presencia de una mutación supresora prevenir así la
terminación normal de las proteínas? Muchas señales de terminación
naturales constan
(Fin de la página 339)
(Principio de la página 340)
de dos señales de terminación consecutivas. Por la competencia con los
factores de liberación, la probabilidad de supresión en dos codones
consecutivos es pequeña. Como consecuencia, muy pocas copias proteicas
llevan muchos aminoácidos que resultan de la traducción que va más allá
del codón stop natural.
35
9.3 El proteoma
El Capítulo 8 comenzó con una discusión del número de genes en el
genoma humano y cómo ese número (cercano a 25 000) es mucho menor al
número de proteínas en una célula humana (más de 100 000). Ahora que
está familiarizado con la forma en que la información que está codificada
en el DNA se transcribe a RNA y cómo el RNA se traduce a proteínas, es
un buen momento para revisar este tema y mirar de una manera más
cercana a la fuente de la diversificación de las proteínas. Primero, se
revisará unos viejos términos y se añadirán unos más que serán útiles en la
discusión. Ya conoce que el genoma el es conjunto completo de material
genético en un complemento cromosómico. También verá en el Capítulo 13
que el transcriptoma es la colección completa de secuencias transcritas del
genoma (incluyendo los mRNA y los ncRNA). Otro término es el
proteoma, que fue brevemente introducido en el Capítulo 8, pero que aquí
se define como el conjunto completo de las proteínas que se pueden
expresar por el material genético de un organismo. En el resto del capítulo,
verá cómo el proteoma está enriquecido por dos procesos celulares: el
empalme alternativo del pre-mRNA y la modificación postraduccional de
las proteínas.
El empalme alternativo genera isoformas proteicas
Recuerde que el empalme alternativo del pre-mRNA permite que un gen
codifique más de una proteína. Las proteínas están formadas por dominios
funcionales que a menudo se codifican en diferentes exones. Así, el
empalme alternativo de un pre-mRNA puede llevar a la síntesis de
múltiples proteínas (llamadas isoformas) con diferentes combinaciones de
dominios funcionales. Este concepto viene ilustrado por FGFR2, un gen
humano que codifica el receptor al que se unen a los factores de
36
crecimiento del fibroblasto y entonces transduce una señal dentro de la
célula (Figura 9-20). La proteína FGFR2 está formada por diversos
dominios que incluyen un dominio extracelular de unión a ligando. El
empalme alternativo produce dos isoformas que difieren en sus dominios
extracelulares. Debido a estas diferencias, cada isoforma se une a diferentes
factores de crecimiento. Para muchos genes que son empalmados
alternativamente, existen distintas isoformas en diferentes tejidos.
Eventos postraduccionales
Cuando se liberan del ribosoma la mayoría de las proteínas recién
sintetizadas son incapaces de funcionar. Este hecho puede ser sorprendente
para los que creen que la secuencia de proteínas codificada en el DNA y
sus transcritos
(Fin de página 340)
(Inicio de página 341)
son lo único necesario para explicar cómo trabajan los organismos. Como
verá en esta sección y en los siguientes capítulos de este libro, la secuencia
del DNA es sólo una parte de la historia. En este caso, todas las proteínas
recién sintetizadas necesitan plegarse correctamente y los aminoácidos de
algunas proteínas necesitan ser modificados químicamente. Debido a que el
plegamiento proteico y la modificación tienen lugar después de la síntesis
de la proteína, se denominan sucesos postraduccionales.
El plegamiento de la proteína dentro de la célula. El suceso
postraduccional más importante es el plegamiento de la proteína recién
sintetizada en su forma tridimensional correcta. Una proteína que se pliega
correctamente adopta su conformación nativa, en contraste con una
proteína que no está plegada o que lo hace de manera incorrecta que se
37
denomina no nativa. Como se ha visto al principio del capítulo, las
proteínas presentan una extraordinaria variedad de estructuras. Las distintas
estructuras de las proteínas son esenciales para su actividad enzimática,
para su capacidad de unirse al DNA, o para cumplir con sus funciones en la
célula. Aunque desde 1950 se conocía que la estructura tridimensional de
las proteínas está determinada por su secuencia de aminoácidos, también se
conocía que el ambiente acuoso dentro de la célula no favorece el
plegamiento correcto de la mayoría de las proteínas. Dado que las proteínas
se encuentran en la célula plegadas de forma correcta, ha habido una
pregunta que permaneció sin respuesta durante largo tiempo, y es ¿cómo se
pliega de manera correcta la proteína?
Parece ser que las proteínas nacientes se pliegan correctamente con
ayuda de las chaperonas, una clase de proteínas descubiertas en todos los
organismos desde bacterias hasta plantas y humanos. Una familia de
chaperonas, llamadas las chaperoninas GroE, forman un gran complejo de
múltiples subunidades llamado la máquinas de plegamiento chaperoninas.
Aunque aún se desconoce el mecanismo preciso, se cree que las proteínas
recién sintetizadas, que se encuentran sin plegar, entran en una cámara en
la
máquina
de plegamiento
que
proporciona un
microambiente
eléctricamente neutro dentro del cual las proteínas pueden adoptar su
conformación nativa.
(Fin de página 341)
(Principio de página 342)
Modificación postraduccional de las cadenas laterales de los
aminoácidos
Las proteínas son polímeros formados por cualquiera de los 20 tipos
diferentes de aminoácidos. Sin embargo, el análisis bioquímico de muchas
proteínas reveló que existe una variedad de moléculas que pueden
38
enlazarse covalentemente a las cadenas laterales de aminoácidos. Se
conocen más de 300 modificaciones postraduccionales de las cadenas
laterales de aminoácidos. Seguidamente se analizarán dos de las
modificaciones más comunes, la fosforilación y la ubiquitinización.
La fosforilación: Las enzimas llamadas quinasas unen grupos fosfato a los
grupos hidroxilo de los aminoácidos serina, treonina y tirosina, mientras
que las enzimas llamadas fosfatasas eliminan los grupos fosfato. La adición
y extracción de estos grupos cargados negativamente, por lo general,
cambia la conformación de las proteínas y funcionan como un interruptor
reversible para controlar una variedad de sucesos celulares que incluyen la
actividad enzimática, las interacciones entre proteínas y las interacciones
de las proteínas con el DNA (Figura 9-21).
Una medida de la importancia de la fosforilación de las proteínas es
el número de genes que codifican actividad quinasa en el genoma. Aún en
un organismo tan simple como la levadura hay cientos de genes quinasa,
mientras que la planta Arabidopsis thaliana tiene más de 1000. Otra
medida del significado de la fosforilación proteica es que la mayoría de las
interacciones entre proteínas que tienen lugar en una célula típica están
reguladas por la fosforilación. Los análisis recientes de las interacciones
entre proteínas del proteoma indican que la mayoría de las proteínas
funcionan interactuando con otras proteínas. El interactoma es el nombre
que se le da al conjunto completo de interacciones entre proteínas. Una
forma de de visualizar la red de interacciones proteína-proteína se muestra
en la Figura 9-22. Como puede verse, el interactoma del gusano C. elegans
está compuesto de cientos, quizás miles, de interacciones entre proteínas.
Sin embargo, el número de interacciones representadas en la Figura 9-22
constituye sólo una minúscula fracción de las interacciones que tienen
lugar
39
(Fin de página 342)
(Principio de página 343)
en todas las células de todos los organismos. ¿Cuál es el significado
biológico de estas interacciones? En este capítulo y en los anteriores, se ha
visto que las interacciones entre proteínas son esenciales en el
funcionamiento de las grandes máquinas biológicas como son el replisoma,
el empalmosoma y el ribosoma.
Ubiquitinación:
Sorprendentemente,
una
de
las
modificaciones
postraduccionales más comunes no es tan simple como la adición de un
grupo fosfato. En cambio no es tan sutil el proceso de ubiquitinación, que
consiste en la adición de cadenas de múltiples copias de una proteína
llamada ubiquitina en el ε-amino de los residuos de lisina de una proteína,
para así marcar la proteína para que sea degradada por una proteasa
llamada 26S proteosoma (Figura 9-23). La ubiquitina contiene 76
aminoácidos, se encuentra sólo en los eucariotas, y está sumamente
conservada entre plantas y animales. Existen dos clases de proteínas que la
ubiquitinación marca para su destrucción: las proteínas de vida corta, como
los reguladores del ciclo celular, y las proteínas que están dañadas o
mutadas.
Destino de las proteínas En los eucariotas, todas las proteínas se sintetizan
en los ribosomas del citoplasma. Sin embargo, algunas de estas proteínas
terminarán en el núcleo, otras en la mitocondria y algunas otras serán
ancladas en la membrana o secretadas fuera de la célula. ¿Cómo “saben”
estas proteínas a donde deben ir? La respuesta a este problema
aparentemente complejo es ahora bastante simple: una proteína recién
sintetizada contiene secuencias cortas que dirigen a las proteínas al lugar
40
correcto o al compartimiento celular que le corresponde. Por ejemplo, una
proteína de membrana recién sintetizada o una proteína destinada a un
orgánulo tienen en su extremo amino terminal un péptido corto que le
dirige, denominado secuencia señal. Para las proteínas de membrana, este
grupo de 15 a 25 aminoácidos dirige las proteínas hacia los canales de la
membrana del retículo endoplasmático, donde una peptidasa escinde la
secuencia señal (Figura 9-24). Desde el retículo endoplasmático, la proteína
se dirige a su destino final. Existe un fenómeno similar para ciertas
proteínas bacterianas que se secretan.
Las proteínas destinadas al núcleo incluyen a las polimerasas de
RNA y de DNA, y a los factores de transcripción discutidos en los
Capítulos 7 y 8. Las secuencias de aminoácidos incrustadas en el interior de
las proteínas que rodean al núcleo son necesarias para el transporte de las
proteínas desde el citoplasma hacia el núcleo. Las proteínas receptoras
citoplasmáticas reconocen a las secuencias de localización nuclear (NLS,
del inglés, nuclear localization sequences), y transportan la proteína recién
sintetizada a través de los poros nucleares, que se encuentran en la
membrana. Estos poros permiten que las moléculas grandes atraviesen la
membrana tanto hacia adentro como hacia fuera. Una proteína que
normalmente no se encuentra en el núcleo será transportada a su interior si
se le añade una NLS.
¿Por qué se escinden las secuencias señales mientras llegan a su
destino, mientras que una NLS, localizada en el interior de la proteína,
permanece después que la proteína ya haya entrado en el núcleo? Una
posible explicación sería que, en la desintegración nuclear que acompaña a
la mitosis (véase el Capítulo 2), las proteínas localizadas en el núcleo
podrían encontrarse en el citoplasma, y si contienen un NLS, podrían luego
recolocarse en el núcleo de una célula hija cuando acabe la mitosis.
41
Mensaje: La mayoría de las proteínas eucarióticas son inactivas a menos
que sean modificadas después de la traducción. Algunos eventos
postraduccionales, como la fosforilación o la ubiquitinación, modifican a
los grupos de las cadenas laterales de aminoácidos, promoviendo su
activación
o
degradación,
respectivamente.
Otros
mecanismos
postraduccionales reconocen señales de aminoácidos en una secuencia
proteica y dirigen a las proteínas a los lugares sonde se requiere su
actividad dentro o fuera de la célula.
Resumen
Este capítulo ha tratado de la traducción de la información codificada en la
secuencia de nucleótidos de un mRNA a la secuencia de aminoácidos de
una proteína. Nuestras proteínas, más que otras macromoléculas,
determinan lo que somos o no somos. Son las enzimas responsables del
metabolismo celular, incluyendo la síntesis de DNA y RNA, y son los
factores de regulación requeridos para la expresión del programa genético.
La versatilidad de las proteínas como moléculas biológicas se manifiesta en
la diversidad de formas que pueden adoptar. Más aún, aún después de ser
sintetizadas, pueden modificarse en una variedad de formas por la adición
de moléculas que pueden alterar su función.
Dado el papel central de las proteínas en la vida, no es sorprendente
que el código genético y la maquinaria de traducción se encuentre
sumamente conservada desde las bacterias hasta los humanos. Los
principales componentes de la traducción son tres clases de RNA: tRNA,
mRNA y rRNA. La exactitud de la traducción depende del ligamiento
enzimático de un aminoácido con su tRNA cognado, generando una
molécula de tRNA cargada. Como adaptadores, los tRNA son moléculas
clave en la traducción. Por el contrario, el enorme ribosoma es la fábrica,
42
donde se encuentran el mRNA, los tRNA cargados y los otros factores
proteicos para la síntesis de las proteínas.
La decisión clave en la traducción es dónde se inicia ésta. En los
procariotas, el complejo de iniciación se ensambla sobre el mRNA en la
secuencia de Shine-Dalgarno, ubicada precisamente aguas arriba del codón
de iniciación AUG. El complejo de iniciación en los eucariotas se ensambla
a la caperuza del extremo 5’ del mRNA y se mueve en dirección 3’ hasta
que se reconoce el codón de iniciación. La fase más larga de la traducción
es el ciclo de elongación; en esta fase, el ribosoma se desplaza a lo largo
del mRNA, dejando ver el siguiente codón que interactuará con su tRNA
cognado y cargado de manera que el aminoácido cargado en el tRNA
pueda ser añadido a la cadena polipeptídica creciente. Este ciclo continúa
hasta que se encuentra un codón stop. Los factores de liberación facilitan la
terminación de la traducción.
Hace unos pocos años que nuevas técnicas de imagen han revelado
las interacciones del ribosoma a nivel atómico. Con estos nuevos “ojos”, se
sabe ahora que el ribosoma es una máquina increíblemente dinámica que
cambia la forma en respuesta a los contactos realizados con los tRNAs y
con las proteínas. Más aún, las imágenes de resolución atómica revelaron
que el RNA ribosómico, y no las proteínas ribosómicas, está íntimamente
relacionado con los centros funcionales del ribosoma.
El proteoma es el conjunto completo de proteínas que puede
expresarse a partir del material genético de un organismo. Mientras que un
eucariota multicelular típico tiene cerca de 20 000 genes, el proteoma típico
es probablemente de 10 a 50 veces mayor. Esta diferencia es, en parte, el
resultado de las modificaciones postraduccionales como la fosforilación y
la ubiquitinación, que influyen sobre la actividad y estabilidad de las
proteínas.
43
Términos claves
aminoácido (página 322)
aminoacyl-tRNA sintetasa (página 331)
anticodón (página 331)
centro decodificador (página 335)
centro peptidiltransferasa (página 335)
código degenerado (página 328)
codón (página 325)
colinealidad (página 325)
diseño de fármacos basados en la estructura (página 336)
dominio (página 324)
estructura cuaternaria (página 322)
estructura primaria (página 322)
estructura secundaria (página 322)
estructura terciaria (página 322)
extremo amino (página 322)
extremo carboxilo (página 322)
factor de iniciación (página 336)
factor de liberación, (RF) (página 339)
iniciador (página 336)
interactoma (página 342)
isoforma (página 340)
polipéptido (página 322)
proteína fibrosa (página 322)
proteína globular (página 322)
proteoma (página 340)
ribosoma (página 321)
RNA de transferencia (tRNA) (página 321)
RNA ribosómico (rRNA) (página 321)
44
secuencia de localización nuclear, NLS (página 343)
secuencia de Shine-Dalgarno (página 336)
secuencia señal (página 343)
sitio A (página 335)
sitio activo (página 324)
sitio E (página 335)
sitio P (página 335)
subunidad (página 322)
tambaleo (página 332)
triplete (página 325)
tRNA cargado (página 331)
tRNA isoaceptor (página 333)
ubiquitina (página 343)
ubiquitinización (página 343)
45
PROBLEMAS RESUELTOS:
1. Utilizando el diccionario de codones de la Figura 9-6, indique cómo se
vería afectada la traducción por la adición de una adenina al principio de la
siguiente secuencia:
A
-CGA-UCG-GAA-CCA-CGU-GAU-AAG-CAU-Arg - Ser - Glu – Pro – Arg – Asp – Lys - His-
Solución
Con la adición de una A al principio de la secuencia, el marco de lectura se
desplaza y los aminoácidos especificados por la secuencia cambian, como
se muestra aquí. (Observe que aparecen dos codones sin sentido, que
provocan la terminación de la cadena).
-ACG-AUG-GCA-ACC-ACG-UGA-UAA-GCA
- Thr – Ile – Gly - Thr – Thr – Stop -Stop
2. La inserción de un solo nucleótido seguida de la deleción de un solo
nucleótido a unos 20 nucleótidos de distancia en el DNA provoca cambios
en la secuencia proteica de:
—His—Thr—Glu—Asp—Trp—Leu—His—Gln—Asp—
a
—His—Asp—Arg—Gly—Leu—Ala—Thr—Ser—Asp—
¿Qué nucleótido se ha insertado y cuál se ha delecionado? ¿Cuáles serían
las secuencias del mRNA original y las del nuevo mRNA? (Pista: consulte
la Figura 9-6).
46
Solución
A partir de la secuencia proteica original podemos inferir la secuencia del
mRNA (con las consiguientes ambigüedades del código degenerado):
—His—Thr—Glu—Asp—Trp—Leu—His—Gln—Asp—
—CAU/C—ACC/U/A/G—GA/G—GAU/C—UGG—
CUC/U/A/G/UUA/G—CAU/C—CAA/G—GAU/C—
Debido a que la inserción de un solo nucleótido provoca el cambio de la
secuencia proteica a partir del primer aminoácido (His), se puede inferir
que el codón que cifra Thr debe haber cambiado a un codón que cifra Asp.
Este cambio debe haberse producido por la adición de una G justo delante
del codón que cifra treonina (señalada con un recuadro), provocando un
desplazamiento del marco de lectura, como se indica a continuación:
CAU/C— GAC—C/U/A/G/GA—A/GGA—U/CUG—GC/UU—
C/U/A/G/C—U/CCA—GAU/C—
-G/A
—His—Asp—Arg—Gly—Leu—Ala—Thr—Ser—Asp—
Además, debe haberse producido una deleción de una A o una G en la
última posición del penúltimo codón original (indicado con una flecha),
para explicar que el último codón vuelva a cifrar Asp. A partir de la
secuencia original de la proteína se puede inferir la secuencia del mRNA,
aunque con varias ambigüedades. Sin embargo, la secuencia de la proteína
resultante del desplazamiento del marco de lectura permite resolver la
47
mayoría de estas ambigüedades. Los nucleótidos que deben aparecer en la
secuencia original en estas posiciones están señalados con un círculo. Sólo
en algunos casos se mantiene la ambigüedad.
PROBLEMAS BÁSICOS
1.a. Empleando la tabla de equivalencia de codones de la Figura 9-26 y
complete la siguiente tabla. Suponga que la lectura se realiza de izquierda a
derecha y que las columnas representan los alineamientos de la
transcripción y de la traducción.
C
Doble hélice de DNA
T G A
C A
U
Transcrito de mRNA
G C A Anticodón apropiado del tRNA
Trp
Aminoácido
incorporado
a
la
proteína
1.b. Marque los extremos 5’ y 3’ del DNA y el RNA, así como los
extremos amino y carboxilo de la proteína.
2. Considere el siguiente segmento de DNA:
5’ GCTTCCCAA 3’
3’ CGAAGGGTT 5’
Suponga que la cadena superior es el molde empleado por la RNA
polimerasa.
a. Escriba el RNA transcrito.
48
b. Marque los extremos 5’ y 3’.
c. Escriba la cadena de aminoácidos correspondiente.
d. Marque los extremos amino y carboxilo terminal.
3. Un suceso mutacional inserta un par de nucleótidos extra en el DNA.
¿Cuál de los siguientes resultados se esperaría?
1. No se produce ninguna proteína; 2. Se produce una proteína con un
aminoácido cambiado; 3. Se produce una proteína con tres aminoácidos
cambiados; 4. Se produce una proteína con dos aminoácidos cambiados; 5.
Se produce una proteína en la que la mayoría de los aminoácidos después
del sitio de inserción están cambiados.
4. Antes de que se conociera la verdadera naturaleza del proceso de
codificación genética, se propuso que el mensaje podría leerse en tripletes
solapados. Por ejemplo, la secuencia GCAUC podría leerse como GCA
CAU AUC:
G C A U C
Diseñe un experimento que le permita poner a prueba esta idea.
5. En un sistema de síntesis in vitro de proteínas, la adición de un mRNA
humano específico al aparato de traducción de E. coli (ribosomas, tRNA,
etc) estimula la síntesis de una proteína muy parecida a la cifrada en dicho
mRNA. ¿Qué quiere decir este resultado?
6. ¿Qué anticodón predeciría para una molécula de tRNA portadora de
isoleucina? ¿Existe más de una respuesta correcta? Si fuera así, indique las
49
diferentes respuestas posibles.
7. a. ¿En cuántos casos del código genético sería incapaz de precisar el
aminoácido especificado por un codón si sólo supiera los dos primeros
nucleótidos del codón?
b. ¿En cuántos casos sería incapaz de averiguar los dos primeros
nucleótidos de un codón si conociera el aminoácido que determina?
8. Deduzca cuáles pudieron ser los seis codones originales mutados en las
cepas de Brenner que le permitieron inferir la naturaleza del codón ámbar
UAG.
9. Si un polinucleótido está compuesto por cantidades iguales de las bases
adenina y uracilo, dispuestas al azar, ¿qué proporción de sus tripletes
determinarán: (a) fenilalanina? (b) isoleucina? (c) leucina? (d) tirosina?
10. Se han sintetizado tres RNA mensajeros distintos, combinando al azar
las bases en las proporciones siguientes: (a) 1U:5C, (b) 1A:1C:4U, (c)
1A:1C:1G:1U. Indique la identidad y proporciones de los aminoácidos que
se incorporarían a las proteínas sintetizadas in vitro al añadir por separado
cada uno de estos mRNA. (Consulte la Figura 9-6).
11. En el hongo Neurospora, se obtuvieron algunos mutantes que carecían
de actividad para una cierta enzima. Se descubrió por cartografía que las
mutaciones podrían estar en cualquiera de dos genes que no están ligados.
Escriba una explicación posible referida a la estructura cuaternaria de las
proteínas.
12. Se descubre un mutante que carece de todas las funciones detectables
50
para una enzima específica. Si tiene un anticuerpo marcado que detecta esta
proteína en una transferencia por Western (véase Capítulo 1). ¿Esperaría
detectar con el anticuerpo alguna proteína en el mutante? Explique.
13. En la transferencia por Western (véase Capítulo 1), la enzima
triptofano-sintetasa, generalmente muestra dos bandas de diferente
movilidad en el gel. Algunos mutantes que no presentan actividad
enzimática, mostraron exactamente el mismo patrón de bandas que el tipo
salvaje. Otros mutantes sin actividad, sólo mostraron la banda lenta; y otros,
mostraron sólo la banda rápida.
a. Explique los diferentes tipos de mutantes respecto a la estructura de
proteínas.
b. ¿Por qué piensa que no hubo mutantes que no mostraban ninguna banda?
14. En el experimento de Crick y Brenner descrito en este capítulo, tres
“inserciones” o tres “deleciones” restauraban el marco de lectura normal y
la deducción fue que el código se leía en grupos de tres. ¿Está probada esta
deducción a partir de los experimentos? ¿Un codón podría estar compuesto
por seis bases, por ejemplo?
15. Un mutante no tiene actividad para la enzima isocitrato-liasa. ¿Este
resultado prueba que la mutación está en el gen que codifica esta enzima?
16. Un supresor sin sentido corrige un mutante que no crece a un estado
que es casi, pero no exactamente, salvaje (su crecimiento es anormal).
Sugiera una razón posible por la que la reversión no es una corrección
completa.
17. En los genes bacterianos, tan pronto como se produce un transcrito
51
parcial de mRNA por el sistema de la RNA polimerasa, el ribosoma salta e
inicia la traducción. Esquematice un diagrama de este proceso,
identificando los extremos 5’ y 3’ del mRNA, los extremos amino y
carboxilo de la proteína, la RNA polimerasa y al menos un ribosoma. (¿Por
qué no podría funcionar este sistema en los eucariotas?).
18. En un haploide, un supresor sin sentido su1 actúa sobre la mutación 1
pero no lo hace sobre la mutación 2 ó 3 del gen P. su2, un supresor sin
sentido y no ligado funciona en la mutación 2 de P pero no en la 1 ni en la
3. Explique el patrón de supresión teniendo en cuenta la naturaleza de la
mutación y de los supresores.
19. Se han desarrollado sistemas de traducción in vitro en los que se
pueden añadir moléculas específicas de RNA al tubo de ensayo que
contiene material celular bacteriano, que incluye todos los componentes
necesarios para la traducción (ribosomas, tRNAs, aminoácidos). Si se
añade un aminoácido marcado radiactivamente, cualquier proteína
traducida será detectada y observada en un gel. Si se añade un mRNA
eucariota al tubo de ensayo, ¿se produciría una proteína radiactiva?
Explique.
20. En un sistema de traducción eucariota (que contiene un extracto celular
de unas células eucarióticas) comparable con el del problema 19, ¿se podría
producir una proteína a partir de mRNA bacteriano? Si no, ¿por qué no?
21. Un sistema de traducción quimérico que contiene la subunidad mayor
del ribosoma de E. coli y la subunidad menor de las levaduras (un eucariota
unicelular) ¿podría se capaz de funcionar sintetizando una proteína?
Explique por qué si o por qué no.
52
22. Las mutaciones que cambian un único aminoácido en el sitio activo de
una enzima dar lugar a la síntesis de una enzima inactiva en cantidades
iguales que la salvaje. ¿En qué otras regiones de la proteína se podría
cambiar un aminoácido y obtenerse el mismo resultado?
23. ¿Qué evidencias soportan la visión de que el rRNA es el componente
más importante del ribosoma, más que las proteínas ribosómicas?
24. Explique por qué los antibióticos, como la eritromicina y el Zytromax,
que se unen a la subunidad mayor del ribosoma, no nos causa daño.
25. ¿Por qué los organismos multicelulares necesitan tener cientos de genes
que codifican para quinasas?
26. Nuestro sistema inmune produce muchas proteínas diferentes que nos
protegen de las infecciones bacterianas y virales. Las compañías de
Biotecnología deben producir grandes cantidades de esas proteínas
inmunológicas para ensayos humanos y para venderlas finalmente a la
población. Con este fin, sus científicos diseñan cultivos celulares
bacterianos o humanos para expresar estas proteínas inmunes. Explique por
qué las proteínas aisladas de cultivos bacterianos a menudo son inactivas,
mientras que las mismas proteínas aisladas de cultivos celulares humanos
son activas (funcionales)?
PROBLEMAS PARA PENSAR
27. La inserción de un solo nucleótido y la deleción de otro nucleótido a 15
nucleótidos de distancia en el DNA provoca el siguiente cambio en la
53
secuencia proteica
Lys—Ser—Pro—Ser—Leu—Asn—Ala—Ala—Lys—
a
—Lys—Val—His—His—Leu—Met—Ala—Ala—Lys
a. ¿Cúales serían las secuencias del mRNA original y del nuevo mRNA?
(Utilice la Figura 9-6).
b. ¿Qué nucleótido se ha insertado y cuál se ha delecionado?
(El Problema 27 se ha tomado de W.D. Stansfield, Theory and Problems of
Genetics. McGraw-Hill, 1969.)
28. Suponga que está estudiando un gen de E. coli que determina cierta
proteína. Parte de su secuencia es:
—Ala—Pro—Trp—Ser—Glu—Lys—Cys—His—
Obtiene una serie de mutantes de este gen que carecen de la actividad
enzimática correspondiente. Al aislar las proteínas mutantes, encuentra las
siguientes secuencias:
Mutante 1:
—Ala—Pro—Trp—Arg—Glu—Lys—Cys—His—
Mutante 2:
—Ala—Pro—
Mutante 3:
—Ala—Pro—Gly—Val—Lys—Asn—Cys—His—
Mutante 4:
—Ala—Pro—Trp—Phe—Phe—Thr—Cys—His—
¿Cuál es la base molecular de cada mutación? ¿Cuál es la secuencia del
DNA que determina esta parte de la proteína?
54
29. Se conocen supresores de las mutaciones por cambio en el marco de
lectura. Proponga un mecanismo que explique cómo actúan.
30. Considere el gen que especifica la estructura de la hemoglobina.
Ordene los hechos siguientes en el orden cronológico más probable.
a. Aparición de anemia.
b. Alteración de la conformación del sitio de unión del oxígeno.
c. Aparición de un codón incorrecto en el mRNA de la hemoglobina.
d. El óvulo recibe una dosis alta de radiación.
e. Aparece un codón incorrecto en el DNA del gen de la hemoglobina.
f. Una mujer (que trabaja como técnica de rayos X) entra accidentalmente
en una habitación donde está funcionando un generador de rayos X.
g. Muere un niño.
h. La capacidad de transporte de oxígeno del organismo se ve gravemente
afectada.
i. El anticodón del tRNA se alinea con un codón mutado y se incorpora un
aminoácido erróneo.
j. Se produce el cambio de un par de nucleótidos del DNA del gen de la
hemoglobina.
31. A partir de un cultivo de tejido de hámster, se aísla un mutante celular
por su resistencia a α-amanitina (un compuesto venenoso extraído de un
hongo). Mediante electroforesis, observamos que el mutante ha sufrido una
alteración en la polimerasa de RNA; sólo una de las bandas electroforéticas
aparece en una posición distinta a la de la polimerasa salvaje. Se supone
que las células son diploides. ¿Qué podría decir este experimento sobre la
posibilidad de detectar mutaciones recesivas en dichas células?
32. Una molécula de DNA de cadena doble, cuya secuencia se muestra a
55
continuación, produce in vivo un polipéptido de cinco aminoácidos de
longitud.
TAC ATG ATC ATT TCA CGG AAT TTC TAG CAT GTA
ATG TAC TAG TAA AGT GCC TTA AAG ATC GTA CAT
a. ¿Cuál de los dos cadenas del DNA es la que se transcribe y en qué
sentido?
b. Marque los extremos 5’ y 3’ de cada cadena.
c. Si se produce una inversión entre el segundo triplete desde el extremo
izquierdo y el tercer triplete desde el extremo derecho, y la cadena que se
transcribe es la misma, ¿qué longitud tendrá el polipéptido resultante?
d. Suponga que la molécula original está intacta y que la transcripción
utiliza la cadena inferior y se mueve de izquierda a derecha. Indique la
secuencia de bases, y señale los extremos 5’ y 3’ del anticodón que inserta
el cuarto aminoácido del polipéptido en crecimiento. ¿Cuál es este
aminoácido?
33. Una de las técnicas empleadas para descifrar el código genético fue la
síntesis de polipéptidos in vitro, a partir de mRNA con secuencias repetidas,
por
ejemplo,
(AGA)n,
que
puede
escribirse
como
AGAAGAAGAAGAAGA...... En ocasiones, el polipéptido sintetizado
estaba compuesto por un solo aminoácido (un homopolímero), y en otros
casos por más de uno (heteropolímero), dependiendo de la secuencia
repetitiva que se usara. Además, a veces se producían diferentes
polipéptidos a partir de un mismo mRNA, lo que sugería que la síntesis de
proteínas en el sistema in vitro no comenzaba siempre en el nucleótido del
extremo del mensajero. Por ejemplo, a partir de (AGA)n podrían
sintetizarse tres polipéptidos: el homopolímero aa1 (abreviado aa1-aa1), el
homopolímero aa2 (abreviado aa2-aa2) y el homopolímero aa3 (abreviado
aa3-aa3). Probablemente, estos polipéptidos diferentes derivan de la
56
iniciación de la traducción en posiciones distintas de la secuencia:
AGA AGA AGA AGA . . .
GAA GAA GAA GAA . . .
AAG AAG AAG AAG . . .
En la siguiente tabla se muestran los resultados reales obtenidos en un
experimento realizado por Khorana.
mRNA
sintético
(UC)n
Polipéptido(s) sintetizados
(Ser-Leu)
(UG)n (Val-Cys)
(AC)n (Thr-His)
(AG)n
(Arg-Glu)
(UUC)n
(Ser-Ser) y (Leu-Leu) y (Phe-Phe)
(UUG)n
(Leu-Leu) y (Val-Val) y (Cys-Cys)
(AAG)n (Arg-Arg) y (Lys-Lys) y (Glu-Glu)
(CAA)n (Thr-Thr) y (Asn-Asn) y (Gln-Gln)
(UAC)n (Thr-Thr) y (Leu-Leu) y (Tyr-Tyr)
(AUC)n (Ile-Ile) y (Ser-Ser) y (His-His)
(GUA)n (Ser-Ser) y (Val-Val)
(GAU)n (Asp-Asp) y (Met-Met)
(UAUC)n (Tyr-Leu-Ser-Ile)
(UUAC)n (Leu-Leu-Thr-Tyr)
(GAUA)n Ninguno
(GUAA)n Ninguno
[Nota: el orden en el que aparecen los polipéptidos o los aminoácidos en la
tabla no es significativo excepto en el caso de (UAUC)n y (UUAC)n].
a. ¿Por qué (GUA)n y (GAU)n determinan cada uno sólo dos
homopolipéptidos?
b. ¿Por qué (GAUA)n y (GUAA)n no dan lugar a la síntesis de
57
polipéptidos?
c. Asigne un aminoácido a cada triplete de la siguiente lista. Tenga en
cuenta que suelen haber varios codones para un solo aminoácido y que las
primeras dos letras de un codón son las importantes (mientras que la tercera
letra sólo es ocasionalmente relevante). Recuerde también que algunos
codones muy distintos pueden cifrar el mismo aminoácido. Intente resolver
la pregunta sin consultar la Figura 9-6.
AUG GAU UUG AAC
GUG UUC UUA CAA
GUU CUC AUC AGA
GUA CUU UAU GAG
UGU CUA UAC GAA
CAC UCU ACU UAG
ACA AGU AAG UGA
La resolución de este problema exige cierta lógica combinada con el
método de prueba y error. No se desanime: Khorana recibió el premio
Nobel por resolverlo. ¡Buena suerte!
(El problema 33 está tomado de J. Kuspira y G. W. Walker, Genetics
Questions and Problems, McGraw-Hill, 1973.)
EXPLORANDO
LOS
GENOMAS
Una
tutoría
bioinformática en Web.
Descubriendo dominios conservados
Las secuencias de proteínas conservadas son manifestaciones de la
conservación de los residuos de aminoácidos necesarios para su estructura,
regulación o función catalítica. A menudo, los grupos de residuos pueden
identificarse como pertenecientes a un patrón o marca de un tipo particular
de enzima o dominio de regulación. En la tutoría de Genómica en
58
www.whfreeman.com/iga9e,
descubrirá
cómo
encontrar
dominios
conservados en un complejo proteico.
Determinando la estructura proteica
La función proteica depende de la estructura tridimensional, que a su vez
depende de la secuencia primaria de la proteína. La estructura proteica se
determina experimentalmente por cristalografía de rayos X o por
resonancia magnética nuclear. En ausencia de información experimental
directa, existen programas potentes que se emplean para intentar ajustar los
datos de la secuencia primaria de aminoácidos al modelo tridimensional.
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59
FIGURAS CAPÍTULO 9
Página 319:
Pie de Figura:
La imagen muestra en resolución atómica, la superficie de un ribosoma de
la bacteria Haloarcula marismortuori, deducida por cristalografía de rayos
X. La parte del ribosoma que consiste de RNA se muestra en azul; la que
consiste de proteínas se muestra en morado. Las estructuras en blanco, rojo
y amarillo del centro son los tRNA en los sitios de unión E, P y A; su tallo
aceptor desaparece dentro de una hendidura del ribosoma.
(Tomada de P. Nossen, J. Hensen, N Ban, P.B. Moore, y T.A. Steiz, “The
structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis” Science 289,
200, 920-930, Fig 10A en p. 926)
Página 320
FIGURA 9-1
Título: La unión del antibiótico al ribosoma previene la traducción.
Pie de Figura:
El antibiótico eritromicina (en rojo) bloquea el túnel desde el que emergen
las proteínas recién sintetizadas del ribosoma. La imagen es una vista
superior de la subunidad 50S del ribosoma de la bacteria Deinococcus
radiodurans. Los RNA ribosomales se muestran en azul, y las proteínas
ribosomales en amarillo. (Dr. Joerg Harms, MPI for Molecular Genetics,
Berlín, Alemania)
Página 322
FIGURA 9-2
Título: El enlace peptídico
60
Pie de Figura:
a) Un polipéptido se forma por la extracción de agua entre los aminoácidos
para formar un enlace peptídico. Cada aa indica un aminoácido. R1, R2 y R3
representan a los grupos R (cadenas laterales) que distinguen los
aminoácidos.
b) El enlace peptídico es una unidad rígida y plana con los grupos R
proyectados hacia fuera del esqueleto C-N. Se muestran las distancias
estándar de los enlaces en Angstroms. (b) De L. Stryer, Bioquímica, 4ta
edición. Copyright 1995 por Lubert Stryer).
Página 323
FIGURA 9-3
Título: Niveles de estructura de una proteína
Pie de Figura:
Una proteína tiene cuatro niveles de estructura. a) Estructura primaria. b)
Estructura secundaria. Los polipéptidos pueden formar una estructura
helicoidal (una -hélice) o una estructura en zig-zag (una -hoja plegada).
Las hojas plegadas tienen dos segmentos dispuestos con la polaridad
opuesta, como está indicado por la flecha. c) Estructura terciaria. El grupo
hemo es una estructura en anillo no proteica con un ión de hierro en el
centro. d) Estructura cuaternaria ilustrada por la hemoglobina, que está
compuesta por cuatro subunidades proteicas: dos subunidades  y dos .
Página 325
FIGURA 9-4
Título: El gen y la estructura proteica son colineales.
Pie de Figura:
61
Las mutaciones en trpA son colineales con los cambios en los aminoácidos.
Aunque el orden de las mutaciones en el mapa del gen y las posiciones de
los aminoácidos son las mismas, las posiciones relativas difieren porque el
mapa génico deriva de las frecuencias de recombinación, que no son
uniformes a lo largo del gen. (De Yanofsky, “Gene Structure and Protein
Structure”. Copyright 1967 por Scientific American. Todos los derechos
reservados)
Página 325
FIGURA 9-5
Título: Código genético solapado versus no solapado.
Pie de Figura:
Un código genético solapado y no solapado traducirían de manera distinta
una secuencia de aminoácidos. El ejemplo utiliza un codón con tres
nucleótidos en el RNA (un código de tripletes). En un código solapado,
cada nucleótido ocupa una posición en múltiples codones. En esta figura, el
tercer nucleótido en el RNA, la U, se encuentra en tres codones. En un
código no solapado, una proteína se traduce leyendo los nucleótidos
secuencialmente en grupos de tres. Un nucleótido se encuentra en un único
codón. En este ejemplo, la tercera U en el RNA está solamente en el primer
codón.
.
Página 329
FIGURA 9-6
Título: El código genético
Pie de Figura:
El código genético designa el aminoácido especificado por cada codón.
62
Página 330
FIGURA 9-7
Título: La estructura del RNA de transferencia
Pie de Figura:
a) La estructura del tRNA de alanina en levaduras. El anticodón del tRNA
se une a su codón complementario en el mRNA.
b) Diagrama de la estructura tridimensional del tRNA de la fenilalanina en
levaduras. Las abreviaturas , mG, m2G y UH2 se refieren a las bases
modificadas pseudouridina, metilguanosina, dimetilguanosina, metilinosina
y dihidrouridina, respectivamente.
(a) De S. Arnott, “The structure of Transfer RNA”, Prog. Biophys. Mol.
Biol. 22, 1971, 186; b) de L. Stryer, Bioquímica, 4ta edición. Copyright
1995 por Lubert Stryer. La parte b está basada en un dibujo de Sung-Hou
Kim).
Página 331
FIGURA 9-8
Título: Una aminoacil-tRNA sintetasa une un aminoácido a su tRNA.
Pie de Figura:
Cada aminoacil-tRNA sintetasa tiene bolsillos de unión para un aminoácido
específico y su tRNA cognado, esto quiere decir, que un aminoácido se une
covalentemente al tRNA con el correspondiente anticodón.
Página 331
FIGURA 9-9
Título: Dos tRNA superpuestos
Pie de Figura:
El tRNA de levaduras para glutamina (en azul) plegado en su estructura
tridimensional correcta casi solapa completamente con el tRNA de
63
levaduras para fenilalanina (rojo), excepto en la horquilla del anticodón y el
extremo aminoacil. (De M.A. Rould, J.J. Perona, D. Soll, y T.A. Steitz,
“ Structure of E. coli Glutaminyl-tRNA sinthetase complexed with tRNA
(Gln) and ATP at 2.8 A resolution”. Science 246, 1989, 1135-1142).
Página 332
FIGURA 9-10
Título: El tambaleo permite al tRNA reconocer a dos codones
Pie de Figura:
En la tercera posición del anticodón (extremo 5’), la G puede colocarse en
cualquiera de las dos posiciones de tambaleo, siendo capaz de emparejarse
con la U o la C. Esta capacidad permite que una única especie de tRNA
lleve un aminoácido (en este caso, serina) pero pueda reconocer dos
codones en el mRNA (UCU y UCC).
Página 334
FIGURA 9-11
Título: Moléculas de proteínas y de RNA forman las dos subunidades del
ribosoma.
Pie de Figura:
Un ribosoma contiene una subunidad grande y una pequeña. Cada
subunidad contiene rRNA de distintas longitudes y un conjunto de
proteínas. Hay dos moléculas de rRNA principales en todos los ribosomas.
Los ribosomas procarióticos también contienen un rRNA de 120 bases de
longitud que sedimenta a 5S, mientras que los ribosomas eucarióticos
tienen dos rRNA pequeños: una molécula similar al 5S de los procariotas y
una molécula 5.8S de 160 bases de longitud.
Página 334
64
FIGURA 9-12
Título: El rRNA se pliega por emparejamiento intramolecular de bases.
Pie de Figura:
La estructura plegada del RNA ribosómico procariótico 16S de la
subunidad pequeña del ribosoma.
Página 335
FIGURA 9-13
Título: Sitios claves de interacción en el ribosoma
Pie de Figura:
Sitios claves de interacción en un ribosoma en la fase de elongación de la
traducción. a) Modelo por ordenador de la estructura tridimensional del
ribosoma incluyendo el mRNA, los tRNAs y la cadena polipeptídica
creciente conforme emerge de la subunidad mayor del ribosoma. B) Un
modelo esquemático del ribosoma durante la elongación. Ver texto para los
detalles. ((a) De J. Frank, Bioassays 23, 2001, 725-732, Fig. 2.)
Página 336
FIGURA 9-14
Título: Secuencia de Shine-Dalgarno
Pie de Figura:
En las bacterias, la complementariedad de bases entre el extremo 3’ del
rRNA de la subunidad menor del ribosoma y la secuencia de
Shine-Dalgarno del mRNA posiciona al ribosoma para la iniciación
correcta de la traducción, aguas abajo en el codón AUG.
Página 337
FIGURA 9-15
65
Título: Iniciación de la traducción en los procariotas
Pie de Figura:
Los factores de iniciación asisten el ensamblaje del ribosoma en el sitio de
inicio de la traducción y entonces se disocian antes de la traducción. (De J.
Berg, J. Tymoczko, y L. Stryer. Biochemistry, 5th ed. Copyright 2002 por
W.H. Freeman and Company)
Página 337
FIGURA 9-16
Título: Iniciación de la traducción en los eucariotas
Pie de Figura:
El complejo de iniciación se forma en el extremo 5’ del mRNA y rastrea en
la dirección 3’ el codón de iniciación. El reconocimiento del codón de
iniciación dispara el ensamblaje del ribosoma completo y la disociación de
los factores de iniciación (no se muestra). La hidrólisis del ATP provee la
energía para conducir el proceso de búsqueda. (De J. Berg, J. Tymoczko, y
L. Stryer. Biochemistry, 5th ed. Copyright 2002 por W.H. Freeman and
Company)
Página 338
FIGURA 9-17
Título: Pasos de la elongación en la traducción
Pie de Figura:
Un complejo ternario que consiste de un aminoacil-tRNA unido a un factor
EF-Tu se une al sitio A. Cuando un aminoácido se ha unido a la cadena
polipeptídica creciente, un factor EF-G se une al sitio A mientras el tRNA
y los codones del mRNA se arrastran al interior del sitio E y el sitio P.
Véase el texto para mayor detalle.
66
WWW.ANIMATED.ART Los tres pasos de la traducción.
Página 339
FIGURA 9-18
Título: Terminación de la traducción
Pie de Figura:
La traducción se termina cuando los factores de liberación reconocen los
codones stop en el sitio A del ribosoma. (De H. Lodish et al., Molecular
Cell Biology, 5th ed. Copyright 2004 por W. H. Freeman and Company)
Página 340
FIGURA 9-19
Título: Un supresor contrarresta los efectos de una mutación sin sentido
Pie de Figura:
Un supresor permite que la traducción continúe cuando una mutación la
habría detenido. a) Terminación de la traducción. Aquí, el aparato de la
traducción no puede rebasar un codón sin sentido (UAG en este caso),
porque ningún tRNA reconoce el triplete UAG. Por lo tanto, la síntesis
proteica acaba, con la siguiente liberación del fragmento polipeptídico. Los
factores de liberación no se muestran aquí. b) Las consecuencias
moleculares de una mutación que altera al anticodón de un tRNA de
tirosina. Este tRNA puede leer ahora el codón UAG. c) La supresión del
codón UAG por el tRNA alterado, que ahora permite la elongación. (De D.
Watson, J. Tooze and D.T. Kurtz, Recombinant DNA: A short course.
Copyright 1983 por H. Freeman and Company)
Página 341
FIGURA 9-20
67
Título: El corte y empalme alternativo produce isoformas proteicas
distintas pero relacionadas.
Pie de Figura:
Mensajeros de RNA producidos por corte y empalme alternativo del premRNA del gen humano FGFR2 que codifica dos isoformas proteicas que
se unen a ligandos distintos (los factores de crecimiento)
Página 342
FIGURA 9-21
Título: Fosforilación y desfosforilación de las proteínas.
Pie de Figura:
Las proteínas pueden activarse a través de la unión enzimática de grupos
fosfato a los grupos laterales de sus aminoácidos e inactivarse por la
eliminación de los grupos fosfato.
Página 342
FIGURA 9-22
Título: Todas las interacciones de proteínas en un organismo componen el
interactoma.
Pie de Figura:
Las proteínas (representadas por círculos) interactúan con otras proteínas
(conectadas por líneas) para formar grandes o pequeños complejos
proteicos. Este interactoma está tomado de C. elegans. (Adaptado de S. Li
et al. “A map of the ineractome Network of the metazoan C. elegans.
Science 303, 2004, 540-543)
Página 343
FIGURA 9-23
Título: La ubiquitinación dirige una proteína hacia la degradación.
68
Pie de Figura:
Los pasos principales en la degradación de las proteínas mediados por
ubiquitina. La ubiquitina primero se conjuga con otra proteína, y ambas
proteínas conjugadas son degradadas por el proteosoma. La ubiquitina y los
oligopéptidos se reciclan.
Página 343
FIGURA 9-24
Título: La secuencia señal dirige la secreción de la proteína
Pie de Figura:
Las proteínas destinadas a ser secretadas de la célula tienen una secuencia
aminoterminal que es rica en residuos hidrofóbicos. Esta señal se une a las
proteínas de membrana del retículo endoplasmático (RE) que arrastra de la
proteína restante a través de la bicapa lipídica. Durante este proceso, la
secuencia señal se escinde de la proteína por una enzima llamada peptidasa
de señal (no se muestra). Una vez dentro del retículo endoplasmático, la
proteína se dirige a la membrana celular, desde la que se excreta.
69
Tablas
Tabla 9-1
Apareamientos de codón y anticodón permitidos por la regla del
tambaleo
Extremo 5’ del anticodón
Extremo 3’ del codón
G
CóU
C
G solo
A
U solo
U
AóG
I
U, C ó A
Tabla 9-2
Diferentes tRNA pueden servir codones a la serina
tRNA
Anticodón
Codón
tRNASer1
ACG + Tambaleo
UCC, UCU
tRNASer2
AGU + Tambaleo
UCA, UCG
tRNASer3
UCG + Tambaleo
AGC, AGU
70
PARCHEADO
Página 320
FIGURA 9-1
Título: La unión del antibiótico al ribosoma previene la traducción
Página 322
FIGURA 9-2
1. El enlace peptídico
2. Extremo amino
3. Extremo carboxilo
4. 5. 6. Enlace peptídico
WWW. ANIMATED ART Traducción: formación del enlace peptídico
Página 323
FIGURA 9-3
1. Niveles de estructura de una proteína
2. a) Estructura primaria
3. Extremo amino
4. Extremo carboxilo
5. b) Estructura secundaria
6. Puentes de hidrógeno entre los aminoácidos en diferentes sitios de la
cadena
7. -hélice
8. -hoja plegada
9. c) Estructura terciaria
10. d) Estructura Cuaternaria
11. Hemo
12. Polipéptido 
71
13. Grupo hemo.
Página 325
FIGURA 9-4
1. El gen y la estructura proteica son colineales.
2. Gen
3. Posición de la mutación.
4. Proteína +H3N COO5. Aminoácidos tipo salvaje
6. Aminoácidos alterados
7. Lys Phe Glu
8. Tyr Leu Thr Gly Gly Gly Ser Gln
9. Stop Leu Val Gln Met
10. Cys Arg Ile Arg Glu Val Cys Asp Leu Stop
Página 325
FIGURA 9-5
1. Código genético solapado versus no solapado.
2. Código solapado
3. Punto de inicio
4. Codón
5. Código no solapado.
Página 329
FIGURA 9-6
1. El código genético
2. Primera letra
3. Segunda letra
72
4. Tercera letra
(Stop)
Página 330
FIGURA 9-7
1. La estructura del RNA de transferencia
2. 7 Sitio de unión al aminoácido
3.y 6. Horquilla del anticodón
4. Codón para la alanina
5. Anticodón
8. Horquilla DHU
9. Horquilla TC
Página 331
FIGURA 9-8
1. Una aminoacil-tRNA sintetasa une un aminoácido a su tRNA.
2. Sitio de unión al tRNAAla
3. Aminoacil-tRNA sintetasa específica para alanina.
4. Sitio de unión para la alanina.
Página 331
FIGURA 9-9
1. Dos tRNA superpuestos
2. Anticodón.
Página 332
FIGURA 9-10
1. El tambaleo permite al tRNA reconocer a dos codones
2. horquilla del anticodón del tRNA
73
3. Posición de tambaleo
4. Codón
5. mRNA
6. Anticodón
Página 334
FIGURA 9-11
1. Moléculas de proteínas y de RNA forman las dos subunidades del
ribosoma.
2. a) procariotas
3. Ribosoma 70S
4. b) Eucariotas
5. Ribosoma 80S
6. Subunidad ribosómica 50S
7. Subunidad ribosómica 30S
8. Subunidad ribosómica 60S
9. Subunidad ribosómica 40S
10. 23S rRNA
11. 28S rRNA
12. 5S rRNA
13. 16S rRNA
14. 5.8S rRNA
15. 18S rRNA
16. 5S rRNA
17. 31 proteínas
18. 21 proteínas
19. 49 proteínas
20. 33 proteínas
74
Página 334
FIGURA 9-12
1. El rRNA se pliega por apareamiento intramolecular de bases.
Página 335
FIGURA 9-13
1. Sitios claves de interacción en el ribosoma
2. a) Modelo por ordenador
3. Polipéptido
4. b) Modelo esquemático
5. tRNA desacilado liberado del sitio E
6. Cadena polipeptídica creciente.
7. Centro peptidiltransferasa
8. Centro decodificador
9. Movimiento del ribosoma
10. mRNA
Página 336
FIGURA 9-14
1. Secuencia de Shine-Dalgarno
2. 30S
3. Secuencia de Shine-Dalgarno
4. Codón de iniciación
5. mRNA
6. rRNA 16S
Página 337
FIGURA 9-15
75
1. Iniciación de la traducción en los procariotas
2. Subunidad de 30S del ribosoma
3. Factores de iniciación
4. IF2-fMet-tRNAf + mRNA
5. IF3
6. fMet
7. mRNA
8. Complejo de iniciación 30S
9. Subunidad 50S
10. IF1 + IF2
11. fMet
12. Complejo de iniciación 70S
Página 337
FIGURA 9-16
1. Iniciación de la traducción en los eucariotas
2. Caperuza
3. mRNA
4. Factores de iniciación + GTP Met-tRNAi subunidad 40S
5. Subunidad 40S con los componentes de iniciación
6. ATP
7. ADP + Pi
8. Met
9. Subunidad 60S
10. Factores de iniciación
11. Met
12. Complejo de iniciación 80S
Página 338
76
FIGURA 9-17
1. Pasos de la elongación en la traducción
2. Complejo ternario
3. y 4.
EF-Tu
5. y 8.
El aminoacil-tRNA se une al sitio A
6. Se forma el enlace peptídico
7. Translocación
9. El tRNA del sitio E lo abandona
WWW.ANIMATED.ART Los tres pasos de la traducción.
Página 339
FIGURA 9-18
1. Terminación de la traducción
2. Escisión del peptidil-tRNA
3. RF1
4. RF1
Página 340
FIGURA 9-19
1. Un supresor contrarresta los efectos de una mutación sin sentido
2. La mutación sin sentido rodns.
3. a) La mutación ámbar introduce el codón stop UAG. La traducción se
detiene.
4. b) El anticodón del tRNA tirosina cambia a AUC.
5. El supresor tRNA sin sentido
6. c) El anticodón del tRNA tirosina lee al codón UAG. La traducción
continúa.
7. Supresión sin sentido del alelo rodns.
77
Página 341
FIGURA 9-20
1. El corte y empalme alternativo produce isoformas proteicas distintas
pero relacionadas.
2. Gen FGFR2
3. Exones
4. Corte y empalme alternativo
5. mRNA
6. Ligandos: FGF10 FGF7
7. Ligandos FGF2 FGF9 FGF4 FGF8 FGF6
8. Exterior
Membrana celular
9. Citoplasma
10. Receptor 2 del factor de crecimiento del fibroblasto (FGFR2) Primera
isoforma
11. Receptor 2 del factor de crecimiento del fibroblasto (PGFR2) Segunda
isoforma
Página 342
FIGURA 9-21
1. Fosforilación y desfosforilación de las proteínas.
2. Señal de entrada
3. Enzima inactiva
4. Fosfatasa
5. Señal de salida
6. Enzima activa
7. Quinasa ATP ADP
Página 342
78
FIGURA 9-22
1. Todas las interacciones de proteínas en un organismo componen el
interactoma.
Página 343
FIGURA 9-23
1. La ubiquitinación dirige una proteína hacia la degradación.
2. la cadena de ubiquitina es degradada.
3. La cadena de ubiquitina se elimina.
4. Oligopéptidos
5. La ubiquitina se une a diferentes proteínas
6. Degradación
7. Proteína ubiquitinizada
8. Proteosoma 26S.
Página 343
FIGURA 9-24
1. La secuencia señal dirige la secreción de la proteína
2. Lumen del RE
3. Secuencia señal
4. Citosol
5. Membrana del RE.
79