Del RNA a la proteína Cap 7 PDF

DEL RNA A LA PROTEÍNA A fines de la década de 1950, los biólogos habian demostrado que la infor-mación codificada en el DNA es copiada primero en RNA y luego en proteina. Después, el debate se desvió al “problema de la codificación”: ¿Cómo se tra-duce la información de una secuencia lineal de nucle...

DEL RNA A LA PROTEÍNA A fines de la década de 1950, los biólogos habian demostrado que la infor-mación codificada en el DNA es copiada primero en RNA y luego en proteina. Después, el debate se desvió al “problema de la codificación”: ¿Cómo se tra-duce la información de una secuencia lineal de nucleótidos de una molécula de RNA a la secuencia lineal de un grupo de subunidades quimicamente bas-tante diferentes: los aminoácidos de una proteina? Esta interesante pregunta fascinó a científicos de muchas disciplinas diferentes, como fisica, matemá ticas y química. Ahí había un criptograma preparado por la naturaleza que, después de más de 3000 millones de años de evolución, podia finalmente ser resuelto por uno de los productos de la evolución: jel cerebro humano! Por cierto, los científicos no solo han descifrado el código, sino que han revela-do, en detalle atomos ne funcionamiento preciso de la maquinaria mediante la cual las células leen este código.Una secuencia de mRNA es decodificada en grupos de tres nucleótidos La transcripción como un medio de transferencia de información es simple de comprender, dado que el DNA y el RNA son química- y estructuralmente si-milares, y el DNA puede actuar como un molde directo para la sintesis del RNA mediante el apareamiento de bases complementarias. Como expresa el tér mino transcripción, es como si un mensaje manuscrito fuera convertido, por ejemplo, en un texto mecanografiado. El propio lenguaje y la forma del men-saje no cambian, y los simbolos utilizados están estrechamente relacionados Por el contrario, la conversión de la información del RNA a proteina repre senta una traducción de la información a otro lenguaje que utiliza símbolos bastante diferentes. Como hay solo 4 nucleótidos distintos en el mRNA, pero 20 tipos diferentes de aminoácidos en una proteína, esta traducción no se puede explicar por una correspondencia uno a uno entre un nucleótido del RNA y un aminoácido de la proteina. El conjunto de reglas por las cuales la secuencia de nucleótidos de un gen, por medio de una molécula de mRNA intermediaria, es traducida a la secuencia de aminoácidos de una proteína se – conoce como código genético. En 1961, se descubrió que la secuencia de nucleótidos de la molécula de mRNA se lee consecutivamente en grupos de tres. Y, como el RNA es un polimero lineal formado por cuatro nucleótidos diferentes, hay 4 x 4 x 4 = 64 combinaciones posibles de tres nucleótidos: AAA, AUA, AUG, y así sucesiva-mente. Sin embargo, solo se suelen encontrar 20 aminoácidos distintos en las proteinas. O bien algunos tripletes de nucleótidos nunca se utilizan o bien el código es redundante y algunos aminoácidos son especificados por más de un triplete. La segunda posibilidad resultó ser la correcta, como lo revela el código genético completamente descifrado que se muestra en la figura 7-27. Cada grupo de tres nucleótidos consecutivos del RNA se denomina codón, y cada codón especifica un aminoácido. La estrategia aplicada para descifrar este código se describe en Cómo sabemos (pp. 246-247). Todos los organismos actuales utilizan el mismo código genético básico. Aunque se han hallado algunas diferencias menores, estas corresponden principalmente al mRNA de las mitocondrias, y de algunos hongos y proto-zoos. Las mitocondrias tienen su propia maquinaria de replicación del DNA, transcripción y sintesis proteica, que opera con independencia de la maqui-naria correspondiente del resto de la célula (se analiza en el cap. 14), y han sido capaces de albergar cambios menores respecto del código por lo demás universal. Aun en hongos y protozoos, las similitudes del código superan por lejos las diferencias. En principio, una secuencia de mRNA puede traducirse en cualquiera de tres marcos de lectura diferentes, lo que depende de dónde comienza el proce-so de decodificación (fig. 7-28). Sin embargo, solo uno de los tres marcos de lectura posibles de una molécula de mRNA especifica la proteína correcta. Analizaremos más adelante cómo una señal especial al comienzo de cada molécula de mRNA establece el marco de lectura correcto. Las moléculas de tRNA emparejan a los aminoácidos con los codones del mRNA Los codones de una molécula de mRNA no reconocen directamente los ami- noácidos que especifican: por ejemplo, el grupo de tres nucleótidos no se une de manera directa al aminoácido. En cambio, la traducción del mRNA a protei-na depende de las moléculas adaptadoras que unen a un codón con una parte del adaptador y a un aminoácido con otra. Estos adaptadores consisten en un grupo de moléculas de RNA pequeñas conocidas como RNA de transferen-cia (tRNA), cada uno de ellos de alrededor de 80 nucleótidos de longitud. Se mencionó antes que una molécula de RNA suele plegarse en una estruc-tura tridimensional, formando pares de bases internos entre diferentes regio-nes de la molécula. Si las regiones de bases apareadas son lo bastante exten-sas, se plegarán sobre si mismas para formar una estructura doble helicoidal, como la del DNA bicatenario. Este es el caso de la molécula de tRNA. Cuatro segmentos cortos del tRNA plegado son hélices dobles, lo que genera una estructura que se asemeja a una hoja de trébol cuando es dibujada esquema-licamente (fig. 7-31ª). Por ejemplo, como ilustra la figura, una secuencia 5-GCUC-3’ de una parte de una cadena polinucleotidica puede aparear bases con una secuencia 5’-GAGC-3’ de otra región de la misma molécula. La hoja de trébol se pliega aún más para formar una estructura compacta en forma de L que se mantiene unida por otros enlaces de hidrógeno entre diferentes regiones de la molécula (fig. 7-31B-D). Dos regiones de nucleótidos no apareados situados en cada extremo de la molécula en forma de L son cruciales para la función del tRNA en la sinte-sis proteica. Una de estas regiones forma el anticodón, un grupo de tres nucleótidos consecutivos que se unen por apareamiento de bases al codón complementario de una molécula de mRNA (fig. 7-31E). La otra es una región monocatenaria corta en el extremo 3’ de la molécula, que es el sitio donde el aminoácido que se corresponde con el codón se une covalentemente al IRNA. En la sección anterior, mencionamos que el código genético es redundante, es decir: varios codones diferentes pueden especificar un solo aminoácido (véase fig. 7-27). Esta redundancia implica que hay más de un tRNA para mu-chos de los aminoácidos o que algunas moléculas de tRNA pueden aparear sus bases con más de un codón. De hecho, se producen ambas situaciones. Algunos aminoácidos tienen más de un tRNA, y algunos tRNA están com-puestos de modo tal que solo requieren un apareamiento de bases preciso en las dos primeras posiciones del codón y pueden tolerar un apareamiento erróneo (o titubeo) en la tercera posición. Este titubeo en el apareamiento de bases explica por qué tantos de los codones alternativos para un aminoácido difieren solo en su tercer nucleótido (véase fig. 7-27). Y hace posible que los 20 aminoácidos se adapten a sus 61 codones con tan solo 31 tipos de molé culas de tRNA. Sin embargo, la cantidad exacta de distintas clases de IRNA difiere de una especie a otra. Por ejemplo, los seres humanos tienen casi 500 genes de tRNA diferentes, pero esta colección solo incluye 48 anticodones diferentes.Enzimas específicas acoplan los tRNA al aminoácido correcto Para que una molécula de tRNA cumpla su función como adaptador, debe estar unido-o cargado- con el aminoácido correcto. ¿Cómo reconoce la mo-lécula de tRNA que uno de los 20 aminoácidos es su compañero correcto? El reconocimiento y la unión del aminoácido correcto dependen de enzimas denominadas aminoacil-tRNA sintetasas, que acoplan covalentemente a cada aminoácido al grupo apropiado de moléculas de tRNA. En la mayoría de los organismos hay una sintetasa diferente para cada aminoácido. Eso significa que existen 20 sintetasas en total: una incorpora glicina a todos los tRNA que reconocen codones para glicina, otra une fenilalanina a todos los IRNA que reconocen codones para fenilalanina y así sucesivamente. Cada enzima sintetasa reconoce a su aminoácido designado, así como los nucleó-tidos del bucle del anticodón y del brazo aceptor de aminoácidos que son específicos para el tRNA correcto (fig. 7-32). Por consiguiente, las sintetasas tienen la misma importancia que los tRNA en el proceso de decodificación porque es la acción combinada de las sintetasas y los tRNA la que permite que cada codón de la molécula de mRNA se empareje correctamente con su aminoácido (fig. 7-33). B La reacción catalizada por la sintetasa que une el aminoácido al extremo 3 del tRNA es una de las numerosas reacciones celulares acopladas a la libe-ración de energía por hidrólisis del ATP (véase fig. 3-32). La reacción genera un enlace de alta energia entre el tRNA cargado y el aminoácido. La energía del de este enlace se utiliza más tarde para unir covalentemente el aminoácido a la cadena polipeptídica en crecimiento. El mensaje del mRNA es decodificado en los ribosomas El reconocimiento de un codón por el anticodón de la molécula de tRNA depende del mismo tipo de apareamiento de bases complementarias utili-zado en la replicación y transcripción del DNA. Sin embargo, la traducción rápida y precisa del mRNA a proteina exige una maquinaria molecular que pueda adherirse a un mRNA, capturar y posicionar las moléculas de tRNA correctas y, luego, unir en forma covalente los aminoácidos que transportan para formar una cadena polipeptídica. Tanto en los procariontes como en los eucariontes, la maquinaria encargada de esta tarea es el ribosoma, un gran complejo compuesto por docenas de pequeñas proteínas (las proteinas ribosómicas) y varias moléculas de RNA denominadas RNA ribosómicos (rRNA). Una célula eucarionte típica contiene millones de ribosomas en su citosol (fig. 7-34). Los ribosomas de eucariontes y procariontes son muy similares en su es-tructura y función. Ambos están formados por una subunidad grande y una subunidad pequeña que se encajan para formar un ribosoma completo con una masa de varios millones de daltons (fig. 7-35); en comparación, una proteína de tamaño promedio tiene una masa de 30 000 daltons. La subuni-dad ribosómica pequeña hace coincidir los tRNA con los codones del mRNA, mientras que la subunidad grande cataliza la formación de los enlaces pep-tidicos que unen en forma covalente a los aminoácidos en una cadena poli-peptidica. Estas dos subunidades se reúnen en una molécula de mRNA cerca de su extremo 5’ para iniciar la síntesis de una proteina. Luego, el mRNA es desprendido del ribosoma como un largo trozo de cinta. A medida que el mRNA avanza en dirección 5’ a 3’, el ribosoma traduce la secuencia un-cleotidica a una secuencia de aminoácidos, de a un codón por vez, y utiliza los tRNA como adaptadores. De este modo, se agrega cada aminoácido en la secuencia correcta al extremo de la cadena polipeptidica en crecimiento. Cuando finaliza la síntesis de la proteína, se separan las dos subunidades del ribosoma. Los ribosomas funcionan con notable eficacia: un ribosoma eucarionte agrega alrededor de 2 aminoácidos por segundo a una cadena polipeptidica, un ribosoma bacteriano funciona aún más rápido y agrega al-rededor de 20 aminoácidos por segundo. ¿Cómo coreografia el ribosoma todos los movimientos requeridos para la traducción? Cada ribosoma contiene, además de un sitio de unión para una molécula de mRNA, tres sitios de unión para moléculas de tRNA, denomi-nados sitio A, sitio P y sitio E (fig. 7-36). Para añadir un aminoácido a una cadena peptidica en crecimiento, un tRNA cargado ingresa en el sitio A por apareamiento de bases con el codón complementario de la molécula de MRNA. Después, su aminoácido es unido a la cadena peptidica en creci-miento, que es sostenido en el lugar por el tRNA del sitio P vecino. A conti-nuación, la subunidad ribosómica grande se desplaza hacia adelante, lo que mueve al tRNA utilizado al sitio E antes de su eyección (fig. 7-37). Este ciclo de reacciones se repite cada vez que se agrega un aminoácido a la cadena polipeptidica, y la nueva proteina crece de su extremo amino a su extremo carboxilo hasta que encuentra un codón de terminación del mRNA y se libera la proteina.El ribosoma es una ribozima El ribosoma es una de las estructuras más grandes y más complejas de la célula, y, por peso, está compuesto por dos tercios de RNA y uno de proteína. La determinación, en el año 2000, de toda la estructura tridimensional de sus subunidades grande y pequeña fue un triunfo importante de la biologia moderna. La estructura confirmó la evidencia previa de que los rRNA -y no las proteínas- son responsables de la estructura general del ribosoma y de su capacidad para coreografiar y catalizar la sintesis proteica. Los rRNA se pliegan en estructuras tridimensionales precisas y muy compac-tas, que forman el centro del ribosoma (fig. 7-38). A diferencia de la posición central de los rRNA, las proteínas ribosómicas suelen estar localizadas en la superficie, donde llenan los hiatos y las hendiduras del RNA plegado. El principal papel de las proteínas ribosómicas parece ser ayudar a plegar y estabilizar el centro del RNA, pero, a la vez, permitir los cambios de confor-mación del rRNA que sean necesarios para que este RNA catalice las sistesis eficiente de proteínas. No solo los tres sitios de unión al tRNA (los sitios A, P y E) del ribosoma es-tán compuestos fundamentalmente por los rRNA, sino que el sitio catalítico para la formación de enlaces peptídicos está formado por el rRNA 235 de la subunidad grande; la proteína ribosómica más cercana se localiza demasia-do lejos para entrar en contacto con el aminoácido entrante o con la cadena polipeptidica en crecimiento. En este RNA, el sitio catalitico -una peptidil transferasa-es similar en muchos aspectos al encontrado en algunas enzi-mas proteicas: es un bolsillo altamente estructurado que orienta con preci-sión los dos reactivos el polipeptido que se está alargando y el aminoácido transportado por el IRNA entrante- lo que aumenta mucho la probabilidad de una reacción productiva. Las moléculas de RNA que poseen actividad catalitica se denominan ribozi-mas. En la última sección de este capítulo, consideraremos otras ribozimas y analizaremos el posible significado de la catálisis basada en el RNA para la evolución temprana de la vida sobre la Tierra. Aquí, solo cabe observar que hay una buena razón para presumir que los RNA, más que las moléculas de proteina, actuaron como los primeros catalizadores en las células vivas. De ser así, el ribosoma, con su centro de RNA catalítico, podría ser considerado una reliquia de una época previa de la historia de la vida, cuando las células eran regidas casi enteramente por los RNA. Codones específicos de un mRNA le señalan al ribosoma dónde iniciar y terminar la síntesis proteica En un tubo de ensayo, los ribosomas pueden ser forzados a traducir cual-quier molécula de RNA (véase Cómo sabemos, pp. 246-247). En cambio, en una célula, se requiere una señal de iniciación específica para comenzar la traducción. En el mRNA, el sitio donde comienza la síntesis proteica es crucial porque establece el marco de lectura para todo el mensaje. En esta etapa, un error de un nucleótido en cualquier dirección determinará que todos los codones siguientes del mRNA sean mal leídos, lo que producirá una proteína no funcional con una secuencia tergiversada de aminoácidos (véase fig. 7-28). Más aún, el paso de iniciación también ejerce una repercu-sión importante sobre la velocidad global a la que es sintetizada la proteína a partir del mRNA La traducción de un mRNA comienza con el codón AUG, para el que se re-quiere un tRNA cargado especial. Este tRNA iniciador siempre transporta el aminoácido metionina (o una forma modificada de metionina, formilme-tionina, en las bacterias). Asi, todas las proteínas recién sintetizadas tienen metionina como primer aminoácido en su extremo N-terminal, el extremo de la proteina que se sintetiza primero. Por lo general, esta metionina es eliminada más tarde por una proteasa específica. En los eucariontes, el tRNA iniciador, cargado con metionina, ingresa en primer lugar en el sitio P de la subunidad ribosómica pequeña, junto con Otras proteínas denominadas factores de iniciación de la traducción (fig. 7.39). El tRNA iniciador es distinto del tRNA que normalmente transporta metionina. De todos los tRNA cargados de la célula, solo una molécula car-gada de IRNA iniciador es capaz de unirse estrechamente al sitio P en ausen-cia de la subunidad ribosómica grande. A continuación, la subunidad ribo-sómica pequeña cargada con el tRNA iniciador se une al extremo 5’ de una molécula de mRNA, que está marcada por la capucha 5’ presente en todos los mRNA eucariontes (véase fig. 7-17). Después, la subunidad ribosómica pequeña barre el mRNA, en dirección 5' a 3’, hasta que encuentra el primer AUG. Cuando el IRNA iniciador reconoce este AUG, varios de los factores de iniciación se disocian de la subunidad ribosómica pequeña para permitir la unión de la subunidad ribosomica grande a fin de completar el ensamblado del ribosoma Como el tRNA iniciador está unido al sitio P, la síntesis de la proteina está lista para comenzar con la adición al sitio A del siguiente IRNA cargado (véase fig. 7-37) El mecanismo para la selección de un codón de iniciación es diferente en las bacterias. Los mRNA bacterianos no tienen capuchas 5’ que le indiquen al ribosoma donde comenzar la búsqueda para iniciar la traducción. En cam bio, cada molécula de mRNA contiene una secuencia específica de unión a ribosomas, de alrededor de seis nucleótidos de longitud, localizada algunos nucleótidos en dirección 5’del AUG en el que debe comenzar la traducción. A diferencia del ribosoma eucarionte, el procarionte puede unirse directamen te, con facilidad, al codón de iniciación localizado en el interior de un mRNA, en tanto que un sitio de unión a ribosomas lo preceda por varios nucleóti-dos. Estas secuencias de unión a ribosomas son necesarias en las bacterias porque es frecuente que los mRNA procariontes sean policistrónicos; es decir, que codifiquen varias proteinas diferentes en la misma molécula de mRNA estos transcritos contienen un sitio de unión a ribosomas distinto para cada secuencia codificante de proteina (fig. 7-40). En cambio, el mRNA eucarionte suele transportar la información para una única proteina y, en consecuencia, puede basarse en la capucha 5’ -y las proteinas que la reconocen- para po sicionar al ribosoma para su búsqueda de AUG. Tanto en procariontes como en eucariontes, el final de la traducción es seña lado por la presencia de uno o más codones, denominados codones de termi nación, del mRNA (véase fig. 7-27). Los codones de terminación -UAA, UAG Y UGA-no son reconocidos por un IRNA y no especifican un aminoácido, sino que le indican al ribosoma que termine la traducción. Proteinas conocidas como factores de liberación se unen a cualquier codón de terminación que alcance el sitio A del ribosoma; esta unión modifica la actividad de la peptidil transferasa del ribosoma, lo que hace que catalice el agregado de una mo lécula de agua en lugar de un aminoácido al peptidil-tRNA (fig. 7-45). Esta reacción libera el extremo carboxilo de la cadena polipeptidica de su unión a una molécula de tRNA, como esta es la única unión entre el polipeptido en crecimiento y el ribosoma, la cadena proteica terminada es liberada de inmediato. En este punto, el ribosoma también libera el mRNA y se disocia en sus dos subunidades, que después pueden ensamblarse en otra molécula de mRNA para comenzar una nueva ronda de sintesis proteica Las proteínas son producidas en polirribosomas La sintesis de la mayor parte de las moléculas proteicas demanda de 20 se-gundos a varios minutos. Pero, aun durante este breve periodo, múltiples ri-bosomas suelen unirse a cada molécula de mRNA que está siendo traducida Si un mRNA está siendo traducido de manera eficiente, un nuevo ribosoma saltará a su extremo 5’ casi tan pronto como el ribosoma precedente haya traducido lo suficiente de la secuencia nucleotidica para quitarse del cami-no. Por lo tanto, las moléculas de mRNA en traducción suelen hallarse en forma de polirribosomas, también conocidos como polisomas. Estos grandes ensamblados citosólicos están compuestos por numerosos ribosomas sepa-rados, por tan solo 80 nucleòtidos, a lo largo de una sola molécula de mRNA fig. 7-42). Con múltiples ribosomas trabajando de manera simultánea en una sola molécula de mRNA, pueden producirse muchas más moléculas de proteina en un tiempo dado de lo que sería posible si hubiera que completar cada polipeptido antes de poder iniciar el siguiente. Los polisomas actúan tanto en bacterias como en eucariontes, pero estas pueden acelerar aún más la velocidad de la sintesis proteica. Como el mRNA bacteriano no necesita ser procesado y también es fisicamente accesible a los ribosomas mientras está siendo sintetizado, los ribosomas en general se unirán al extremo libre de una molécula de mRNA bacteriano y comenzarán a traducirlo incluso antes de que se haya completado la transcripción de ese RNA, estos ribosomas siguen muy de cerca a la RNA polimerasa a medida que esta se mueve a lo largo del DNA. Los inhibidores de la síntesis de proteínas procariontes se utilizan como antibióticos La capacidad para traducir con exactitud mRNA a proteinas es una carac-teristica fundamental de toda la vida sobre la Tierra. Si bien el ribosoma y otras moléculas que llevan a cabo esta enorme tarea son muy similares entre los organismos, existen algunas diferencias sutiles en la manera en la que las bacterias y los eucariontes sintetizan RNA y proteinas. Estas diferencias, aunque representan un capricho de la evolución, forman la base de uno de los avances más importantes de la medicina moderna. Muchos de los antibióticos más eficaces son compuestos que actúan me-diante la inhibición de la expresión génica bacteriana, pero no eucarionte.Algunos de estos fármacos aprovechan las pequeñas diferencias estructura-les y funcionales entre los ribosomas bacterianos y eucariontes, de modo tal que interfieren de manera preferencial en la sintesis proteica bacteriana. Por consiguiente, estos compuestos pueden ser administrados en altas dosis sin que resulten tóxicos para los seres humanos. Como diferentes antibióticos se unen a distintas regiones del ribosoma bacteriano, estos fármacos, a me-nudo, inhiben distintos pasos de la sintesis proteica. El cuadro 7-3 enumera algunos de los antibióticos que inhiben la expresión génica bacteriana. Muchos antibióticos comunes se aislaron por primera vez a partir de hongos. Los hongos y las bacterias suelen ocupar los mismos nichos ecológicos y, para ganar un margen competitivo, los hongos han desarrollado, a lo largo del tiempo, toxinas potentes que destruyen bacterias, pero que son inocuas para ellos mismos. Como los hongos y los seres humanos son eucariontes y, en consecuencia, tienen una relación mucho más estrecha entre si que cualquiera de ellos con las bacterias (véase fig. 1- 29), hemos podido pedir prestadas estas armas para combatir a nuestros propios enemigos bacte rianos. Al mismo tiempo, las bacterias han desarrollado, lamentablemente, resistencia a muchos de estos fármacos, como analizamos en el capitulo 9. Por consiguiente, continúa siendo un desafio continuo mantenernos un paso delante de unestros enemigos bacterianos. La degradación proteica controlada ayuda a regular la cantidad De cada proteína en una célula Después de que una proteina es liberada del ribosoma, una célula puede con trolar su actividad y longevidad de diversas maneras. El número de copias de una proteína en una célula depende, como el número de organismos de una población, no solo de la rapidez con la que se generan nuevos Individuos. Sino también de cuánto tiempo sobreviven. Las proteínas muestran enormes variaciones en su período de vida. Las proteinas estructurales que forman parte de un tejido relativamente estable, como hueso o músculo, pueden persistir durante meses, o incluso años, mientras que otras proteinas, como las enzimas metabólicas y las que regulan el crecimiento y la división celular (se estudian en el cap. 18), perduran solo días, horas o, aun, segundos. Pero, ¿qué determina el lapso de vida de una proteina, y como ”muere” esta? Las células producen muchas proteinas, cuya función es degradar otras pro-teinas en sus aminoácidos componentes (un proceso denominado proteóli sis). Estas enzimas que degradan proteinas, primero, a péptidos cortos y, por último, a aminoácidos individuales, se conocen colectivamente como pro-teasas. Las proteasas actúan cortando (hidrolizando) los enlaces peptidicos entre aminoácidos (véase lámina 2-6, pp. 76-77). Una función de las vías pro-teoliticas es degradar con rapidez las proteinas cuyo periodo de vida debe ser breve. Otra función es reconocer y eliminar a las proteinas dañadas o mal plegadas. Eliminar las proteinas mal plegadas resulta crucial para un orga-nismo, ya que estas tienden a agregarse, y los agregados proteicos pueden lesionar las células e, incluso, desencadenar la muerte celular. Finalmente, todas las proteinas-incluso las de vida prolongada- acumulan daños y son degradadas por proteólisis. Luego, los aminoácidos producidos por esta pro- teolisis pueden ser reutilizados por la célula para sintetizar nuevas proteínas. En las células eucariontes, las proteinas son degradadas por maquinarias proteicas denominadas proteasomas, presentes tanto en el citosol como en el núcleo. Un proteasoma contiene un cilindro central formado a partir de proteasas, cuyos sitios activos enfrentan una cámara interna. Cada extremo del cilindro está obturado por un gran complejo proteico formado por no me-nos de 10 tipos de subunidades proteicas (fig. 7-43). Estos tapones proteicos se unen a las proteínas destinadas a la degradación y después -recurriendo a la hidrólisis del ATP para alimentar su actividad- despliegan las proteinas condenadas y las enhebran en la cámara interna del cilindro. Una vez que las proteínas se encuentran en el interior, las proteasas las fragmentan en peptidos cortos, que después son desechados por uno u otro extremo del proteasoma. Alojar a las proteasas dentro de estas cámaras de destrucción molecular es razonable porque impide que circulen en forma desenfrenada por la célula ¿Cómo seleccionan los proteasomas a las proteinas de la célula que deben ser degradadas? En los eucariontes, los proteasomas actúan fundamental-mente sobre las proteínas que han sido marcadas para su destrucción me-diante la unión covalente de una proteína pequeña denominada ubicuitina. Enzimas especializadas marcan aquellas proteínas destinadas a la degrada-ción rápida con una cadena corta de moléculas de ubicuitina; después, estas proteínas ubicuitinizadas son reconocidas, desplegadas y llevadas al protea-soma por proteínas localizadas dentro del tapón (fig. 7-44). A menudo, las proteinas que están destinadas a una vida breve contienen una corta secuencia de aminoácidos que la identifica para ser ubicuitini-zada y degradada en proteasomas. Las proteinas dañadas o mal plegadas, asi como las que contienen aminoácidos oxidados o con otras anomalias, tambien son reconocidas y degradadas por este sistema proteolitico depen-diente de ubicuitina. Las enzimas que agregan una cadena de ubicuitina a estas proteinas reconocen señales que quedan expuestas en estas proteínas como resultado del plegamiento incorrecto o del daño químico: por ejemplo, secuencias de aminoácidos o motivos conformacionales que sueles estar sepultados y son inaccesibles en una proteina “sana”. Hay muchos pasos entre el DNA y la proteína OFACTORES. IONES TES Hemos visto que se requieren muchos pasos para producir una proteína a partir de la información contenida en un gen. En una célula eucarionte, los mRNA deben ser sintetizados, procesados y exportados al citosol, donde son traducidos para producir una proteina. Pero el proceso no finaliza ahí. Lue-go, las proteínas deben plegarse en la forma tridimensional correcta (como explicamos en el cap. 4). Algunas lo hacen en forma espontánea cuando emergen del ribosoma. En cambio, la mayoria necesita la asistencia de pro teinas chaperonas, que las dirigen a lo largo de vias de plegamiento producti-vas y evitan que se agreguen en el interior de la célula (véanse figs. 4-8 y 4- 9). Además de plegarse correctamente, muchas proteinas -una vez que aban-donan el ribosoma- requieren ajustes adicionales antes de que resulten útiles para la célula. Como analizamos en el capítulo 4, algunas proteínas presentan modificaciones covalentes, por ejemplo: por fosforilación o gluco-silación. Otras se unen a pequeñas moléculas que actúan como cofactores o se asocian con otras subunidades proteicas. Estas modificaciones postraduc ción suelen ser necesarias para que una proteína recién sintetizada se torne completamente funcional (fig. 7-45). Por consiguiente, la concentración final de una proteina depende de la velocidad con la que se lleva a cabo cada uno de los pasos, del DNA a la proteína funcional, madura (fig. 7-46).En principio, las células pueden controlar cualquiera de estos pasos, mien- tras ajustan las concentraciones de sus proteínas de acuerdo con sus necesi-dades. Sin embargo, como se analizará de manera exhaustiva en el siguiente capitulo, la iniciación de la transcripción es el punto más frecuente en el que una célula regula la expresión de sus genes. EL RNA Y LOS ORIGENES DE LA VIDA El dogma central-que el DNA produce RNA, que produce proteina- les plan-teó a los biólogos evolucionistas un rompecabezas complicado: si se ne-cesitan ácidos nucleicos para dirigir la sintesis de proteínas y se requieren proteinas para sintetizar ácidos nucleicos, ¿cómo pudo haber surgido este sistema de componentes interdependientes? El concepto prevalente es que, en la Tierra, existió un mundo de RNA antes de la aparición de las células que contienen DNA y proteínas. Según esta hipótesis, el RNA-que hoy sirve, en gran medida, como intermediario entre genes y proteínas- almacenaba información genética y catalizaba reacciones químicas en las células primi-tivas. Solo en etapas evolutivas más tardias, el DNA se convirtió en el mate-rial genético y las proteinas, en los principales catalizadores y componentes estructurales de las células (fig. 7-47). Como hemos visto, el RNA todavía cataliza varias reacciones fundamentales en las células modernas, incluidos la sintesis de proteinas y el corte y empalme del RNA. Estas ribozimas son como fósiles moleculares, remanentes de un mundo previo de RNA La vida requiere autocatálisis El origen de la vida requiere moléculas que posean, aunque sea en un pe-queño grado, una propiedad crucial: la capacidad de catalizar reacciones que induzcan, de forma directa o indirecta, la producción de más moléculas iguales a ellas mismas. Los catalizadores con esta propiedad especial de au-torreproducción, después de haberse originado por azar, derivarian materias primas de la producción de otras sustancias para producir más moléculas Idénticas a ellos. De esta manera, se puede concebir el desarrollo gradual de un sistema químico cada vez más complejo de monómeros y polímeros orgánicos que funcionan juntos para generar más moléculas de los mismos tipos, alimentado por el suministro de materias primas simples del ambiente Primitivo de la Tierra. Un sistema autocatalítico de este tipo tendría muchas de las propiedades que consideramos como caracteristicas de la materia viva: el sistema contendría una selección que dista de ser aleatoria de mo-léculas interactivas, tenderia a reproducirse a si mismo, debería competir con otros sistemas dependientes de las mismas materias primas; y, de ser privado de sus materias primas o mantenido a una temperatura que alterara el equilibrio de las velocidades de las reacciones, decaeria hacia el equilibrio quimico y “moriria”. Pero ¿qué moléculas podrían haber tenido estas propiedades autocataliticas? En las células vivas actuales, los catalizadores más versátiles son proteinas que pueden adoptar diversas formas tridimensionales erizadas de sitios qui-micamente reactivos en su superficie. Sin embargo, no se conoce ninguna manera por la cual una proteina pueda reproducirse a sí misma de forma di-recta. En cambio, las moléculas de RNA poseen propiedades que por lo me nos en principio- podrían ser aprovechadas para catalizar su propia sintesis El RNA puede almacenar información y catalizar reacciones químicas Se ha visto que el apareamiento de bases complementarias permite que un ácido nucleico actúe como un molde para la formación de otro. Por lo tanto, una hebra simple de RNA o de DNA contiene la información necesaria para especificar la secuencia de un polinucleótido complementario que, a su vez, puede especificar la secuencia de la molécula original, lo que permite la re-plicación del ácido nucleico original (fig. 7-48). Estos mecanismos de moldes complementarios son la base de la replicación y la transcripción del DNA en las células modernas. Sin embargo, la sintesis eficiente de polinucleótidos a través de estos me canismos de moldes complementarios también requiere catalizadores para promover la reacción de polimerización: sin catálisis, la formación de poli-meros es lenta, proclive al error e ineficiente. En la actualidad, la polimeriza ción de nucleotidos es catalizada con rapidez por enzimas proteicas, como las DNA y RNA polimerasas. Pero ¿cómo podría haber sido catalizada esta reacción antes de que existieran las proteinas con la capacidad catalitica apropiada? El principio de una respuesta a esta pregunta se obtuvo en 1982. Cuando se descubrió que las propias moléculas de RNA podian actuar como catalizadores. En las células actuales, el RNA es sintetizado como una molécula monoca tenaria, y hemos visto que puede haber apareamiento de bases complemen tarias entre nucleotidos en la misma cadena. Este apareamiento de bases, junto con enlaces de hidrógeno “no convencionales”, puede causar que cada molécula de RNA se pliegue de una manera única determinada por su se cuencia de nucleotidos (véase fig. 7-5). Estas asociaciones producen formas tridimensionales complejas Las enzimas proteicas pueden catalizar reacciones bioquimicas porque tie nen superficies con contornos y propiedades quimicas singulares, como ex plicamos en el capitulo 4. Del mismo modo, las moléculas de RNA, con sus formas plegadas particulares, pueden servir como catalizadores (fig. 7-49) Los RNA cataliticos no presentan la misma diversidad estructural ni funcio nal que las enzimas proteicas, después de todo, están compuestos solo por cuatro subunidades diferentes. No obstante, las ribozimas pueden catalizar muchos tipos de reacciones químicas. Aunque en las células actuales actuan relativamente pocos RNA catalíticos, estos desempeñan papeles importan tes en algunos de los pasos más fundamentales de la expresión de informa sión genética, especificamente aquellos donde las propias moléculas de RNA son cortadas y empalmadas o traducidas a proteinas. En el laboratorios han generado más ribozimas con otras capacidades catalíticas y se las ha Seleccionado por su actividad en un tubo de ensayo (cuadro 7-4) Por consiguiente, el RNA tiene todas las propiedades necesarias de una molécula que contiene información, que también podria catalizar su propia sin-tesis (fig. 7-50). Si bien no se han hallado en la naturaleza sistemas auto-replicativos de moléculas de RNA, los cientificos parecen estar en vias de sintetizarlos en el laboratorio. Este logro no probaria que moléculas de RNA autorreplicativas fueron esenciales en el origen de la vida sobre la Tierra, pero demostraría que un escenario de este tipo es posible. Se considera que el RNA precedió al DNA en la evolución Si el papel del RNA en la evolución postulado antes es correcto, las primeras células de la Tierra habrian almacenado su información genética en el RNA y no en el DNA. Y, sobre la base de las diferencias químicas entre estos poli-nucleótidos, parece que el RNA podria, de hecho, haber aparecido antes que el DNA. La ribosa (véase fig. 7-3ª), al igual que la glucosa y otros hidratos de carbono simples, se forma con facilidad a partir de formaldehido (HCHO), que es uno de los principales productos de los experimentos que simulan las condiciones en la Tierra primitiva. El azúcar desoxirribosa es más dificil de producir y en las células actuales se sintetiza a partir de ribosa, en una reacción catalizada por una enzima proteica, lo que hace pensar que la ri-bosa precede a la desoxirribosa en las células. Presumiblemente, el DNA haya aparecido en la escena después que el RNA, y luego, probó ser más adecuado que el RNA como depósito permanente de información genética. En particular, la desoxirribosa de su esqueleto azúcar-fosfato produce cade-nas de DNA mucho más estables, desde el punto de vista quimico, que las cadenas de RNA, de manera que el DNA puede alcanzar mayores longitudes sin romperse Las otras diferencias entre RNA y DNA -la estructura helicoidal doble del DNA y el uso de timina en lugar de uracilo- aumentan aún más la estabilidad del DNA, lo que facilita la reparación de la molécula. En el capítulo 6, explicamos que un nucleótido dañado de una hebra de la doble hélice puede ser reparado utilizando la otra hebra como molde. Más aún, la desaminación, uno de los cambios quimicos deletéreos más frecuentes que se producen en los polinu-cleótidos, es más fácil de detectar y reparar en el DNA que en el RNA (véase fig. 6-24). Esto se debe a que el producto de la desaminación de la citosina es, por casualidad, el uracilo, que ya existe en el RNA; de manera que seria impo-sible que las enzimas reparadoras detectaran este daño en una molécula de RNA. En cambio, en el DNA, que contiene timina en lugar de uracilo, cualquier uracilo producido por la desaminación accidental de citosina es detectado y reparado con facilidad. En conjunto, la evidencia que hemos analizado avala la idea de que el RNA -con su capacidad de cumplir funciones genéticas, estructurales y cataliticas-precedió al DNA en la evolución. Se considera que, a medida que aparecieron células que se asemejaban más estrechamente a las células actuales, los RNA fueron relevados de muchas de las funciones que llevaban a cabo original-mente: el DNA se hizo cargo del almacenamiento primario de la información genética y las proteinas se convirtieron en los principales catalizadores, mien-tras que el RNA se mantuvo principalmente como el intermediario entre am bos (fig. 7-51). Con el advenimiento del DNA, las células pudieron aumentar su complejidad, ya que podían transportar y transmitir más información genética de la que podía ser mantenida de manera estable por el RNA solo Gracias a la mayor complejidad quimica de las proteinas y a la variedad de reacciones quimicas que pueden catalizar, el cambio de RNA a proteinas (aunque incom-pleto) también proporcionó una fuente mucho más rica de componentes es tructurales y enzimas, que hizo posible que las células desarrollaran la gran diversidad de aspecto y función que se observa en la actualidad.