Síntesis de proteínas

Se mencionó anteriormente que el ADN proporciona un "modelo" para la estructura celular y la fisiología. Esto se refiere al hecho de que el ADN contiene la información necesaria para que la célula construya un tipo muy importante de molécula: la proteína. La mayoría de los componentes estructurales de la célula están formados, al menos en parte, por proteínas y prácticamente todas las funciones que realiza una célula se completan con la ayuda de proteínas. Una de las clases más importantes de proteínas son las enzimas, que ayudan a acelerar las reacciones bioquímicas necesarias que tienen lugar dentro de la célula. Algunas de estas reacciones bioquímicas críticas incluyen la construcción de moléculas más grandes a partir de componentes más pequeños (como ocurre durante la replicación del ADN o la síntesis de microtúbulos) y la descomposición de moléculas más grandes en componentes más pequeños (como al recolectar energía química de moléculas de nutrientes). Cualquiera que sea el proceso celular, es casi seguro que involucre proteínas. Así como el genoma de la célula describe su complemento completo de ADN, el proteoma de una célula es su complemento completo de proteínas. La síntesis de proteínas comienza con los genes. Un gen es un segmento funcional de ADN que proporciona la información genética necesaria para construir una proteína. Cada gen particular proporciona el código necesario para construir una proteína particular. La expresión génica, que transforma la información codificada en un gen en un producto génico final, en última instancia dicta la estructura y función de una célula al determinar qué proteínas se forman.

La interpretación de los genes funciona de la siguiente manera. Recuerde que las proteínas son polímeros, o cadenas, de muchos bloques de construcción de aminoácidos. La secuencia de bases en un gen (es decir, su secuencia de nucleótidos A, T, C, G) se traduce en una secuencia de aminoácidos. Un triplete es una sección de tres bases de ADN en una fila que codifica un aminoácido específico. Similar a la forma en que el código d-o-g de tres letras señala la imagen de un perro, el código base de ADN de tres letras señala el uso de un aminoácido particular. Por ejemplo, el triplete de ADN CAC (citosina, adenina y citosina) especifica el aminoácido valina. Por lo tanto, un gen, que está compuesto por múltiples tripletes en una secuencia única, proporciona el código para construir una proteína completa, con múltiples aminoácidos en la secuencia adecuada. El mecanismo por el cual las células convierten el código de ADN en un producto proteico es un proceso de dos pasos, con una molécula de ARN como intermediario.

El ADN del Código Genético: contiene toda la información genética necesaria para construir las proteínas de una célula. La secuencia de nucleótidos de un gen se traduce finalmente en una secuencia de aminoácidos de la proteína correspondiente del gen.

Del ADN al ARN: transcripción

El ADN está alojado dentro del núcleo, y la síntesis de proteínas tiene lugar en el citoplasma, por lo que debe haber algún tipo de mensajero intermedio que abandone el núcleo y gestione la síntesis de proteínas. Este mensajero intermedio es el ARN mensajero (ARNm), un ácido nucleico monocatenario que lleva una copia del código genético de un solo gen fuera del núcleo y dentro del citoplasma donde se usa para producir proteínas.

Hay varios tipos diferentes de ARN, cada uno con diferentes funciones en la célula. La estructura del ARN es similar al ADN con algunas pequeñas excepciones. Por un lado, a diferencia del ADN, la mayoría de los tipos de ARN, incluido el ARNm, son de cadena sencilla y no contienen cadena complementaria. En segundo lugar, el azúcar ribosa en el ARN contiene un átomo de oxígeno adicional en comparación con el ADN. Finalmente, en lugar de la base timina, el ARN contiene la base de uracilo. Esto significa que la adenina siempre se emparejará con el uracilo durante el proceso de síntesis de proteínas.

La expresión génica comienza con el proceso llamado transcripción, que es la síntesis de una cadena de ARNm que es complementaria al gen de interés. Este proceso se llama transcripción porque el ARNm es como una transcripción, o copia, del código de ADN del gen. La transcripción comienza de una manera similar a la replicación del ADN, en el sentido de que una región de ADN se desenrolla y las dos cadenas se separan, sin embargo, solo esa pequeña porción del ADN se dividirá. Los tripletes dentro del gen en esta sección de la molécula de ADN se usan como plantilla para transcribir la cadena complementaria de ARN. Un codón es una secuencia de ARNm de tres bases, llamada así porque codifican directamente los aminoácidos. Al igual que la replicación del ADN, la transcripción tiene tres etapas: iniciación, alargamiento y terminación.

Transcripción: del ADN al ARNm En la primera de las dos etapas de la fabricación de proteínas a partir del ADN, un gen en la molécula de ADN se transcribe en una molécula de ARNm complementaria.

• Etapa 1: Iniciación. Una región al comienzo del gen llamada promotor, una secuencia particular de nucleótidos, desencadena el inicio de la transcripción.
• Etapa 2: alargamiento. La transcripción comienza cuando la ARN polimerasa desenrolla el segmento de ADN. Una cadena, denominada cadena de codificación, se convierte en la plantilla con los genes a codificar. La polimerasa luego alinea el ácido nucleico correcto (A, C, G o U) con su base complementaria en la cadena de codificación del ADN. La ARN polimerasa es una enzima que agrega nuevos nucleótidos a una cadena creciente de ARN. Este proceso construye una cadena de ARNm.
• Etapa 3: Terminación. Cuando la polimerasa ha llegado al final del gen, uno de los tres tripletes específicos (UAA, UAG o UGA) codifica una señal de "parada", que activa las enzimas para terminar la transcripción y liberar el transcrito de ARNm.

Antes de que la molécula de ARNm abandone el núcleo y proceda a la síntesis de proteínas, se modifica de varias maneras. Por esta razón, a menudo se llama pre-ARNm en esta etapa. Por ejemplo, su ADN, y por lo tanto ARNm complementario, contiene regiones largas llamadas regiones no codificantes que no codifican aminoácidos. Su función sigue siendo un misterio, pero el proceso llamado empalme elimina estas regiones no codificantes de la transcripción previa al ARNm. Un espliceosoma, una estructura compuesta de varias proteínas y otras moléculas, se une al ARNm y a los "empalmes" o corta las regiones no codificantes. El segmento eliminado de la transcripción se llama intrón. Los exones restantes se pegan juntos. Un exón es un segmento de ARN que permanece después del empalme. Curiosamente, algunos intrones que se eliminan del ARNm no siempre no codifican. Cuando se unen diferentes regiones codificantes de ARNm, eventualmente se producirán diferentes variaciones de la proteína, con diferencias en la estructura y la función. Este proceso da como resultado una variedad mucho mayor de posibles proteínas y funciones proteicas. Cuando la transcripción de ARNm está lista, sale del núcleo y entra al citoplasma.

Empalme de ADN: En el núcleo, una estructura llamada espliceosoma corta intrones (regiones no codificantes) dentro de una transcripción pre-mRNA y vuelve a conectar los exones.

Del ARN a la proteína: traducción

Al igual que traducir un libro de un idioma a otro, los codones en una cadena de ARNm deben traducirse al alfabeto de aminoácidos de las proteínas. La traducción es el proceso de sintetizar una cadena de aminoácidos llamada polipéptido. La traducción requiere dos ayudas principales: primero, un "traductor", la molécula que realizará la traducción, y segundo, un sustrato en el que la cadena de ARNm se traduce en una nueva proteína, como el "escritorio" del traductor. Ambos requisitos se cumplen con otros tipos de ARN. El sustrato en el que tiene lugar la traducción es el ribosoma.

Recuerde que muchos de los ribosomas de una célula se encuentran asociados con el ER áspero y llevan a cabo la síntesis de proteínas destinadas al aparato de Golgi. El ARN ribosómico (ARNr) es un tipo de ARN que, junto con las proteínas, compone la estructura del ribosoma. Los ribosomas existen en el citoplasma como dos componentes distintos, una subunidad pequeña y una grande. Cuando una molécula de ARNm está lista para ser traducida, las dos subunidades se unen y se unen al ARNm. El ribosoma proporciona un sustrato para la traducción, uniendo y alineando la molécula de ARNm con los "traductores" moleculares que deben descifrar su código.

El otro requisito principal para la síntesis de proteínas son las moléculas traductoras que físicamente "leen" los codones de ARNm. El ARN de transferencia (ARNt) es un tipo de ARN que transporta los aminoácidos correspondientes apropiados al ribosoma y une cada nuevo aminoácido al último, construyendo la cadena de polipéptidos uno por uno. Así, el ARNt transfiere aminoácidos específicos del citoplasma a un polipéptido en crecimiento. Las moléculas de ARNt deben poder reconocer los codones en el ARNm y unirlos con el aminoácido correcto. El tRNA se modifica para esta función. En un extremo de su estructura hay un sitio de unión para un aminoácido específico. En el otro extremo hay una secuencia de bases que coincide con el codón que especifica su aminoácido particular. Esta secuencia de tres bases en la molécula de tRNA se llama anticodón. Por ejemplo, un ARNt responsable de trasladar el aminoácido glicina contiene un sitio de unión para glicina en un extremo. En el otro extremo, contiene un anticodón que complementa el codón de glicina (GGA es un codón para la glicina, por lo que el anticodón de tRNA leería CCU). Equipada con su carga particular y su anticodón correspondiente, una molécula de ARNt puede leer su codón de ARNm reconocido y llevar el aminoácido correspondiente a la cadena en crecimiento.

Traducción de ARN a proteína: Durante la traducción, el transcrito de ARNm es "leído" por un complejo funcional que consiste en las moléculas de ribosoma y ARNt. Los ARNt traen los aminoácidos apropiados en secuencia a la cadena de polipéptidos en crecimiento al hacer coincidir sus anti-codones con los codones en la cadena de ARNm.

Al igual que los procesos de replicación y transcripción de ADN, la traducción consta de tres etapas principales: iniciación, alargamiento y terminación. La iniciación tiene lugar con la unión de un ribosoma a una transcripción de ARNm. La etapa de alargamiento implica el reconocimiento de un anticodón de ARNt con el siguiente codón de ARNm en la secuencia. Una vez que las secuencias anticodón y codón están unidas (recuerde, son pares de bases complementarias), el ARNt presenta su carga de aminoácidos y la cadena de polipéptidos en crecimiento se une a este próximo aminoácido. Este accesorio se lleva a cabo con la ayuda de varias enzimas y requiere energía. La molécula de ARNt luego libera la cadena de ARNm, la cadena de ARNm desplaza un codón en el ribosoma, y ​​el siguiente ARNt apropiado llega con su anticodón correspondiente. Este proceso continúa hasta que se alcanza el codón final en el ARNm que proporciona un mensaje de "detención" que señala la terminación de la traducción y desencadena la liberación de la proteína completa recién sintetizada. Por lo tanto, un gen dentro de la molécula de ADN se transcribe en ARNm, que luego se traduce en un producto proteico.

Del ADN a la proteína: transcripción a través de la traducción La transcripción dentro del núcleo celular produce una molécula de ARNm, que se modifica y luego se envía al citoplasma para su traducción. La transcripción se decodifica en una proteína con la ayuda de un ribosoma y moléculas de ARNt.

Comúnmente, una transcripción de ARNm será traducida simultáneamente por varios ribosomas adyacentes. Esto aumenta la eficiencia de la síntesis de proteínas. Un ribosoma único podría traducir una molécula de ARNm en aproximadamente un minuto; por lo que múltiples ribosomas a bordo de una sola transcripción podrían producir varias veces el número de la misma proteína en el mismo minuto. Un polirribosoma es una cadena de ribosomas que traducen una sola cadena de ARNm.

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