Cómo se traduce la secuencia de nucleótidos de un ARNm en la secuencia de aminoácidos de un polipéptido (proteína).

Introducción

Toma un momento para mirar tus manos. El hueso, piel y músculo que ves están compuestos de células, y cada una de esas células contiene millones de proteínas1^1. De hecho, ¡las proteínas son las "piezas fundamentales" moleculares clave para todos los organismos en la Tierra!
¿Cómo se hacen estas proteínas en una célula? Para empezar, las instrucciones para hacer las proteínas están "escritas" en el ADN de la célula en forma de genes. Si esta idea es nueva para ti puedes revisar la sección sobre ADN a ARN a proteína (dogma central) antes de entrar en el meollo de la construcción de proteínas.
Basicamente, un gen se usa para contruir una proteína en un proceso de dos pasos:
  • Paso 1: transcripción. Aquí la secuencia de ADN de un gen se "vuelve a escribir" en forma de ARN. En eucariontes como tu y yo, el ARN se procesa (y con frecuencia se le recortan pedazos) para hacer un producto final llamado ARN mensajero o ARNm.
  • Paso 2: traducción. En esta etapa el ARNm se "decodifica" para construir una proteína (o un pedazo/subunidad de una proteína) que contiene una serie de aminoácidos en específico.
    ¡Excelente pregunta! Un aminoácido es un"pieza fundamental" para una proteína. Cada proteína consta de muchos aminoacidos.
    Todos los aminoácidos que forman parte de una proteína comparten la misma estructura general, pero cada una tiene su propia "cadena lateral" que le da propiedades específicas. Puedes conocer más sobre los aminoácidos en el video sobre aminoácidos.
El dogma central de la biología molecular afirma que la información fluye del ADN (genes) a ARNm a través del proceso de transcripción y luego a proteínas a través del proceso de traducción.
_Imagen modificada de "Dogma central de la bioquímica molecular con enzimas", por Daniel Horspool (CC BY-SA 3.0). La imagen modificada se encuentra bajo una licencia CC BY-SA 3.0._
En este artículo nos concentraremos en la traducción, y obtendremos una visión general del proceso y de las moléculas que la llevan a cabo.

El código genético

Durante la traducción, una célula "lee" la información contenida en el ARN mensajero (ARNm) y la usa para construir una proteína. En realidad, y para ser un poco más técnico, un ARNm no siempre codifica o proporciona las instrucciones para una proteína completa, sino que podemos decir confiadamente que siempre codifica para un polipéptido o una cadena de aminoácidos.
¡Esto definitivamente parece un tecnisismo ridículo cuando estás aprendiendo sobre la traducción por primera vez! La diferencia básica es:
  • Una proteína, es una macromolécula completamente ensamblada y funcional en una célula. Algunas proteínas se conforman de solo una cadena de aminoácidos, mientras que otras incluyen varias o muchas de ellas.
  • Un polipéptido no es más que otro término para una sola cadena de aminoácidos. Puede formar una proteína funcional por sí misma, o puede que tenga que unirse con otros polipéptidos para formar una proteína funcional.
Tabla del código genético. Cada secuencia de tres letras de nucleótidos de ARNm corresponde a un aminoácido en específico o a un codón de terminación. UGA, UAG y UAA son codones de terminación. AUG es el codón de metionina además de ser el codón de inicio.
_Crédito de la imagen: "The genetic code", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0)_
En un ARNm, las instrucciones para construir un polipéptido son los nucleótidos de ARN (A, U, C, y G), que se leen en grupos de tres. Estos grupos de tres se conocen como codones.
Hay 6161 codones para los aminoácidos, y cada uno se "lee" para especificar un cierto aminoácido de los 2020 que se encuentran comúnmente en las proteínas. Un codon, AUG, especifica el aminoácido metionina y también actúa como un codón de inicio para señalar el comienzo de la construcción de la proteína.
Hay tres codones más que no especifican aminoácidos. Estos codones de terminación, UAA, UAG y UGA, le informan a la célula cuando está completo un polipéptido. En conjunto, esta colección de relaciones codón-aminoácidos se llama el código genético , porque permite que las células "decodifiquen" un ARNm en una cadena de aminoácidos.
Cada ARNm contiene una serie de codones (tripletes de nucleótidos), cada uno de los cuales especifica un aminoácido. La correspondencia entre codones de ARNm y aminoácidos es llamada el código genético.
5' AUG - Metionina ACG - Treonina GAG - Glutamato CUU - Leucina CGG - Arginina AGC - Serina UAG - Alto 3'
Imagen modificada de "RNA-codons-aminoacids", por Thomas Splettstoesser (CC BY-SA 4.0). La imagen modificada se encuentra bajo una licencia CC BY-SA 4.0.

Resumen de la Traducción

¿Cómo se "lee" un ARNm para formar un polipéptido? Dos tipos de molécula con papeles clave en la traducción son los ARNt y los ribosomas.

ARNs de transferencia (ARNt)

Los ARNs de transferencia o ARNt, son "puentes" moleculares que conectan los codones del ARN con los aminoácidos para los que codifican. Un extremo de cada ARNt tiene una secuencia de tres nucleótidos llamada anticodón, que se puede unir a codones del ARNm en específico. El otro extremo de ARNt lleva los aminoácidos que especifican los codones.
Hay muchos tipos de ARNt. Cada tipo lee uno o unos pocos codones y lleva el aminoácido correcto que corresponde a esos codones,
Los ribosomas están compuestos de una subunidad grande y una pequeña, y tienen tres sitios en los cuales se puede unir el ARNt con el ARNm (los sitios A, P y E). Cada ARNt transporta un aminoácido específico y se une a un codón que es complementario a su anticodón.
Imagen modificada de "Translation: Figure 3", de OpenStax College, Biología (CC BY 4.0).

Ribosomas

Los ribosomas son las estructuras donde se construyen los polipéptidos (proteínas). Se componen de proteínas y ARN (ARN ribosomal o ARNr). Cada ribosoma tiene dos subunidades, una grande y una pequeña, que se reúnen alrededor de un ARNm, algo parecido a las dos mitades de un pan para hamburguesa que se reúnen alrededor de la torta de carne.
El ribosoma proporciona un conjunto de espacios útiles o huecos donde los ARNt pueden encontrar sus codones correspondientes en la plantilla del ARNm y entregar sus aminoácidos. Estos huecos se llaman los sitios A, P y E. Pero además el ribosoma actúa como una enzima que cataliza la reacción química que une los aminoácidos para formar una cadena.
¿Quieres saber más sobre la estrucutra y función de los ARNt y los ribosomas? ¡Consulta el artículo sobre ARNt y ribosomas!

Los pasos de la traducción

Tus células están fabricando proteínas cada segundo, y cada una de ellas debe contener el conjunto correcto de aminoácidos unidos justo en el orden debido. Esto puede sonar como una tarea difícil, pero por suerte, tus células (junto con las de los demás animales, plantes y bacterias) están capacitados para ella.
Para ver cómo las células hacen las proteínas, vamos a dividir la traducción en tres etapas: iniciación (el comienzo), elongación (el agregar a la cadena proteica) y terminación (la finalización).

El comienzo: la iniciación

En la iniciación, el ribosoma se ensambla alrededor del ARNm que se leerá y el primer ARNt (que lleva el aminoácido metionina y que corresponde al codón de iniciación AUG). Este conjunto, conocido como complejo de iniciación, se necesita para que comience la traducción.

La extensión de la cadena: elongación

La elongación es la etapa donde la cadena de aminoácidos se extiende. En la elongacón, el ARNm se lee un codón a la vez, y el aminoácido que corresponde a cada codón se agrega a la cadena creciente de proteína.
Cada vez que un codón nuevo está expuesto:
  • Un ARNt correspondiente se une al codón
  • La cadena de aminoácidos existente (polipéptido) se une al aminoácido del ARNt mediante una reacción química.
  • El ARNm se desplaza un codón sobre el ribosoma, lo que exponde un nuevo codón para que se lea.
    La elongación tiene tres etapas:
    1) El anticodón de un ARNt entrante se aparea con el codón expuesto del ARNm en el sitio A.
    2) Se forma un enlace peptídico entre el nuevo aminoácido (en el sitio A) y el aminoácido que se añadió previamente (en el sitio P), y se transfiere el polipéptido del sitio P al sitio A.
    3) El ribosoma avanza un codón en el ARNm. El ARNt en el sitio A (que lleva el polipétido) se despalaza hacia el sitio P. El ARNt en el sitio P se mueve hacia el sitio E y sale del ribosoma.
    Imagen basada en un diagrama similar en Reece et al.2^2
Durante la elongación, los ARNt pasan por los sitios A, P, y E como se muestra arriba. Este proceso se repite muchas veces conforme se leen los nuevos codones y se agregan los nuevos aminoácidos a la cadena.
Para más detalles sobre los pasos de la elongación, consulta el artículo etapas de la traducción.

Finalizando el proceso: terminación

La terminación es la etapa donde la cadena polipeptídica completa es liberada. Comienza cuando un codón de terminación (UAG, UAA o UGA) entra al ribosoma, lo que dispara una serie de eventos que separa la cadena de su ARNt y le permite flotar hacia afuera.
Después de la terminación, es posible que el polipéptido todavía necesite tomar la forma tridimensional correcta, se someta a procesamiento (tal como el retiro de aminoácidos), sea enviado a la parte correcta en la célula, o se combine con otros polipéptidos antes de que pueda hacer su trabajo como una proteína funcional.
Este artículo está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0

Referencias citadas:

  1. Milo, R. (2013). What is the total number of protein molecules per cell volume? A call to rethink some published values (¿Cuál es el número total de moléculas de proteína por volumen celular? Un llamado para volver a pensar algunos valores publicados). Bioessays, 35(12), 1050-1055. http://dx.doi.org/10.1002/bies.201300066.
  2. Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., y Jackson, R. B. (2011). Translation is the RNA-directed synthesis of a polypeptide: A closer look (La traducción es la síntesis de un polipéptido dirigida por ARN: una visión más cercana). En Campbell biology (10a ed., p. 350). San Francisco, CA: Pearson.

Referencias:

Cooper, G. M. (2000). Translation of mRNA (Traducción del ARNm). En The cell: a molecular approach. (2° ed.). Consultado en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9849/.
OpenStax College, Biología. (30 de septiembre de 2015). Ribosomes and protein synthesis (Ribosomas y síntesis de proteínas). En OpenStax CNX. Consultado en https://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@8.57:FUH9XUkW@6/Translation.
OpenStax College, Biología. (s.f.). Translation (Traducción). En OpenStax CNX. Consultado en http://philschatz.com/biology-concepts-book/contents/m45479.html.
Purves, W.K., Sadava, D., Orians, G.H. y Heller, H.C. (2004). From DNA to protein: Genotype to phenotype (De ADN a proteína: de genotipo a fenotipo). En Life: the science of biology (Vida: la ciencia de la biología) (7° ed., págs. 233-256). Sunderland, MA: Sinauer Associates.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., y Jackson, R. B. (2011). Translation is the RNA-directed synthesis of a polypeptide: A closer look (La traducción es la síntesis de un polipéptido dirigida por ARN: una visión más cercana). En Campbell biology (10a ed., pp. 345-353). San Francisco, CA: Pearson.
Translation (biology). (19 de septiembre de 2016,). Consultado el 23 de octubre de 2016 de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Translation_%28biology%29.
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