Ribosomas y Proteosomas: Síntesis y Degradación

Síntesis y Degradación de Proteínas: Ribosomas y Proteasomas

• El tema central de este contenido abarca la síntesis y degradación de proteínas, centrándose en ribosomas y proteasomas.

Generalidades de los Ribosomas

• Los ribosomas son partículas compactas muy abundantes en las células, llegando hasta 10,000,000 dependiendo de la función celular.
• Fueron descritos por Palade en 1953.
• Los ribosomas están presentes en todas las células, excepto en el espermatozoide maduro, y son muy escasos en los glóbulos rojos.
• Se definen como estructuras sintetizadoras de proteínas.
• Tanto en procariotas como en eucariotas, los ribosomas están compuestos por dos subunidades de diferente tamaño: una grande (60S) y otra pequeña (40S), formando un ribosoma eucariótico completo de 80S.

Localización de los Ribosomas en la Célula Eucariota

• Los ribosomas se localizan libres en el citosol, adheridos a la membrana externa de la envoltura nuclear, y adheridos a la membrana externa del retículo endoplásmico.

Dogma Central de la Biología Molecular

• El dogma central de la biología molecular se estableció en la segunda mitad del siglo XX.
• Los organismos vivos almacenan su información genética en forma de polímeros de ADN.
• Esa información genética se copia en una versión de ARN (transcripción).
• La copia de ARN es leída por el ribosoma para producir una proteína (traducción).
• El ADN se transcribe a ARN
• El ARN se traduce a proteína.
• Los ribosomas, junto con ARNm y ARNt, participan en la traducción o síntesis de polipéptidos.
• Las proteínas desempeñan la mayoría de las funciones esenciales dentro de la célula.

Estructura y Composición Química de los Ribosomas

• Los ribosomas están formados por ARN (60%) y proteínas (40%).
• Los ribosomas eucariotas y procariotas tienen la siguiente composición química, formados por ARNr (60%) y proteínas (40%):
  • Procariotas: 3 moléculas de ARNr: 5S y 23S en la subunidad grande, y 16S en la subunidad pequeña.
  • Eucariotas: 4 moléculas de ARNr: 5S, 5.8S y 28S en la subunidad grande; 18S en la subunidad pequeña.
  • Tienen función catalítica y estructural.
  • El ARNr mayor (28 o 23 s) es responsable de realizar el enlace peptídico, con actividad peptidil transferasa, actuando como una ribozima.
  • Las proteínas estructurales facilitan el ensamblaje de las subunidades ribosomales.
  • Las proteínas enzimáticas facilitan el plegamiento adecuado del ARNr, facilitando la función del ribosoma y posicionando apropiadamente los ARNt.

Regiones Funcionales del Ribosoma

• Subunidad grande: cataliza la formación de enlaces covalentes peptídicos entre los aminoácidos para formar una cadena polipeptídica.
• Subunidad pequeña: empareja con precisión los ARNt con los codones del ARNm.
• La subunidad grande tiene Lugar A (aminoacil), Lugar P (peptidil), Lugar E (exit).
• La subunidad pequeña tiene unión ARNm (3´) y ensamblaje.

ARN Ribosómicos (ARNr)

• Los ARN ribosómicos suelen ser moléculas muy grandes, con estructuras secundarias características.
• Los ARN ribosómicos son necesarios para el ensamblaje "in vitro" de ribosomas funcionales.
• El ARNr (23S/28S) tiene actividad catalítica y cataliza la formación del enlace peptídico en la subunidad ribosomal grande.

Proteínas Ribosómicas

• Las proteínas ribosómicas son numerosas y más pequeñas que los ARNr, constituyendo el 40% de la masa de un ribosoma.
• Al igual que los ARNr, las proteínas ribosómicas son diferentes en cada subunidad.
• Funciones:
  • Permiten cambios en la conformación del ARNr necesarios para catalizar la síntesis de proteínas.
  • Participan en el ensamblaje de las subunidades ribosómicas.
  • Implicación en el proceso de traducción (iniciación y elongación de la síntesis proteica).
• Se localizan sobre la superficie y están asociadas a los ARNr.

Fases de la Síntesis de Proteínas

• El proceso de síntesis de proteínas se divide en varias fases principales:
  • Activación de los aminoácidos (en el citosol).
  • Iniciación (en el ribosoma).
  • Elongación (en el ribosoma).
  • Terminación (en el ribosoma).
  • Maduración de la cadena polipeptídica (fuera del ribosoma).

Activación de los Aminoácidos

• La activación ocurre en el citosol.
• Se forma un complejo aminoacil-ARNt.
• Requiere dos fases:
  • Aminoacil-AMP
  • Aminoacil-ARNt
• Este proceso necesita energía en forma de ATP.
• En dos fases:
  • Unir cada aminoácido a un AMP: aminoacil-AMP.
  • Se transfiere el aminoácido del complejo aminoacil-AMP al ARNt especifico: aminoacil-ARNt.
• La aminoacil-ARNt sintetasa activa los aminoácidos al unirlos mediante enlaces covalentes a los ARNt, requiriendo energía de ATP.

Síntesis de la Cadena Polipeptídica

• La síntesis de la cadena polipeptídica ocurre en el ribosoma e incluye tres etapas:
  • Iniciación: El ribosoma se une al ARNm en el codón de inicio.
  • Elongación: La cadena polipeptídica se alarga mediante la adición sucesiva de aminoácidos al extremo carboxilo de la cadena.
  • Terminación: El ribosoma llega a un codón de terminación (STOP CODON), liberando el polipéptido y disociándose el ribosoma.

Iniciación de la Síntesis de Proteínas

• Implica la formación de un complejo de iniciación ribosómico, compuesto por:
  • ARNm
  • Subunidad pequeña ribosómica
  • Subunidad grande ribosómica
  • Complejo Iniciador: fMet-ARNt.
• Requiere la energía (GTP)
• También entran en juego factores de iniciación (IF1, IF2-GTP, IF3 en procariotas).
• El ARNt iniciador es ARNt-fMet

Búsqueda del Codón de Iniciación en Procariotas

• La Secuencia Shine-Dalgarno, presente en los ARNm de procariotas, permite buscar el codón en la iniciación de la síntesis proteica.
• La secuencia se encuentra unos 6 o 7 nucleótidos antes del codón de inicio de la traducción.
• La secuencia consenso característica es «AGGAGGU», complementaria a una zona del 3' del ARN ribosomal 16S: UCCUCCA.
• La interacción entre estas secuencias facilita la unión del ribosoma al extremo 5' del ARNm y el reconocimiento del codón de inicio.

Búsqueda del Codón de Iniciación en Eucariotas

• Los ribosomas eucariotas se unen al 5’CAP (trifosfato de metil guanosina) de los ARNm y escanean la secuencia corriente abajo hasta encontrar un AUG.
• Se ajusta a la secuencia consenso de KOZAK, ACCAUGG.
• La secuencia entre el codón final 5’ y el codón de inicio no se traduce, representando la región no traducida 5'(UTR 5’) del ARNm.

Complejo de Iniciación Ribosómico

• Para el ensamblaje correcto de los elementos que componen el COMPLEJO DE INICIACIÓN RIBOSÓMICO, es necesaria la intervención de numerosos factores (proteínas) denominados:
  • FACTORES DE INICIACIÓN.
• Procariotas: IF1, IF2, IF3
• Eucariotas: elF-1, eIF-1A, eIF-2, eIF-2B, elF-3, eIF-4A, eIF-4B, eIF-4E, eIF-4G, eIF-5

Iniciación en Procariotas

• Primero, el factor IF3 se une a la subunidad 30S libre, impidiendo la asociación con la subunidad ribosómica 50S.
• A este complejo, se le une el IF1 y el IF2 unido a GTP.
• El IF1 impide que se una otro aminoacil-ARNt diferente del iniciador.
• El IF2-GTP reconoce específicamente el ARNt fMet y lo transfiere a la subunidad 30S.
• La subunidad pequeña se une a la secuencia Shine-Dalgarno del ARNm, que precede al codón de iniciación AUG.

Elongación

• En la elongación, mediante la formación de enlaces peptídicos, se van agregando sucesivamente los aminoácidos codificados en el ARNm.
• Elongación, traducción requiere de proteinas: factores de elongación:
  • EF-TU/GTP: Union de aminoacil ARNt entrante al locus A
  • EF-Ts: reciclaje del factor EF-Tu.
  • EF-G/GTP: translocación.
• Requiere energía GTP

Etapas de la Elongación

• Tres etapas
  • Elongación paso 1: Unión de aminoacil ARNt entrante al sitio A
    • Un nuevo aminoacil-ARNt es llevado al sitio A por un FACTOR DE ELONGACIÓN (EF-Tu) unido a GTP
    • El GTP se hidroliza cuando el aminoacil-ARNt.
  • Elongación Paso 2: Formación del enlace peptídico
    • Se forma un enlace peptídico (peptidil-transferasa) entre el iniciador fMet-ARNt situado en el sitio P y el segundo aminoacil- ARNt situado en el sitio A.
    • El sitio P se encuentra el iniciador fMet-ARNt SIN EL AMINOÁCIDO
    • En el sitio A se encuentra un peptidil- ARNt: ARNt-fMet-Ala.
    • El sitio E está vacío.
  • Elongación Paso 3: Translocación
    • TRANSLOCACIÓN: el ribosoma se mueve 3 nucleótidos a lo largo del ARNm, hacia el extremo 3', posicionando el sitio A vacío en el siguiente codon.
    • Se transloca el peptidil-ARNt desde el sitio A al sitio P
    • El iniciador descargado pasa al sitio E
    • El sitio A queda libre

Terminación

• Las células no tienen ARNt con anticodones complementarios a los stop codon del ARNm
• Cuando un stop codon se posiciona en el sitio A, es reconocido por un FACTOR DE LIBERACIÓN (RF), no por ningún ARNt
• El factor de liberación RF reconoce los tres codones de terminación (UAG, UAA ο UGA) cuando se posicionan en el sitio A
• estimula la HIDRÓLISIS del enlace entre el ARNt
• y la cadena polipeptídica en el sitio P, resultando en la liberación completa del polipéptido fuera
• del ribosoma
• El ARNt es entonces liberado del ribosoma y el
• ARNm molde y las subunidades ribosómicas se disocian

Síntesis de Proteínas en Procariotas y Eucariotas: Requisitos

• En procariotas
  • Se requiere la activación de los aminoácidos (ATP), un complejo de iniciación, factores de iniciación (GTP-EF2), factores de elongación (GTP-Tu + GTP-G) y un factor de liberación, además de energía (1 ATP/AA activado + 1 GTP iniciador + 2 GTPs / AA incorporado).
• En eucariotas
  • Se requiere la activación de los aminoácidos (ATP), un complejo de iniciación y rastreo (ATP), factores de iniciación (GTP), factores de elongación (GTP + GTP) y un factor de liberación, además de energía (1 ATP/AA activado + 1ATP rastreo + 1 GTP iniciador + 2 GTPs por cada AA incorporado).

Polirribosomas

• En eucariotas y procariotas, si los ARNm son suficientemente largos, pueden ser traducidos simultáneamente por varios ribosomas, formando polirribosomas.
• En el microscopio electrónico se observan como Estructuras circulares.
• Un polisoma o polirribosoma es un conjunto de ribosomas asociados a una molécula de mRNA.
• Esto aumenta la eficiencia de la traducción.
• Cada ribosoma, dentro del polirribosoma, funciona de forma independiente sintetizando una cadena peptídica.
• Podrían potenciar el reciclaje de los ribosomas.

Antibióticos y Síntesis de Proteínas

• Para ser clínicamente efectivo, un antibiótico debe matar bacterias o inhibir su crecimiento sin causar toxicidad en el organismo humano.
• Algunos antibióticos como la penicilina inhiben la síntesis de la pared bacteriana.
• Otros antibióticos como la neomicina y puromicina actúan sobre distintas etapas en la traducción bacteriana inhibiendo la síntesis de proteínas.
• Algunos antibióticos como la estreptomicina, cloranfenicol, tetraciclina y eritromicina son específicos de los ribosomas procariotas, y efectivos como agentes para el tratamiento antibacteriano.

Proteosomas

• La vía ubiquitina-proteasoma fue descubierta por Avram Hershko, Aaron Ciechanover e Irwin Rose (Nobel de Química en 2004).
• Está implicada en diversos procesos biológicos como la regulación del ciclo celular, la progresión de enfermedades como el cáncer, el párkinson y el alzhéimer.
• Los proteosomas son complejos multicatalíticos de proteasas de gran tamaño que se localizan en el citosol y en el núcleo.
• Degradan las proteínas intracelulares marcadas mediante la ubiquitina para su destrucción.
• Los proteosomas representan un mecanismo por el cual las células controlan la concentración de proteínas mediante la degradación de proteínas dañadas o innecesarias mediante proteolisis.

Estructura del Proteosoma

• Los proteosomas son complejos con forma de barril, incluyendo un núcleo con cuatro anillos apilados que contienen los sitios activos de las proteasas (núcleo catalítico) y dos anillos exteriores que mantienen una "puerta" por la cual las proteínas pueden entrar al barril (centros reguladores).
• Intervienen unas proteínas llamadas ubiquitina.
• Requieren ATP.