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Tema 3: Ribosomas e inclusion citosólicas
1. Ribosomas: Composición química
- Ribosoma. Partícula compuesta de RNA ribosómicos y proteínas ribosómicas que se asocia con los RNA mensajeros y cataliza la síntesis de proteínas. Podemos distinguir entre:
- Ribosoma libre. Ribosoma que se encuentra libre en el citosol, sin estar unido a ninguna membrana. Es el lugar de síntesis de todas las proteínas codificadas por el genoma nuclear, exceptuando aquellas destinadas a entrar en el retículo endoplasmático.
- Ribosoma unido a membrana. Ribosoma unido a la cara citosólico del retículo endopasmático. Es el lugar de síntesis de las proteínas que entran en el retículo endoplasmático.
No obstante, no podemos decir que haya más de un tipo de ribosoma, solo difieren los lugares donde sintetizan las proteínas y las proteínas que sintetizan.
RNA ribosómico. Cualquiera de las moléculas específicas de RNA que forman parte de la estructura de un ribosoma y que participan en la síntesis de proteínas. A menudo se diferencian por su coeficiente de sedimentación, como rRNA 28S o rRNA 5S.
RNA mensajero. Molécula de RNA que determina la secuencia de aminoácidos de una proteína. Se produce por maduración del RNA (en eucariotas) a partir de una molécula de RNA más larga sintetizada por la RNA polimerasa como una copia complementaria de un fragmento de DNA. Es traducida a proteína a través de un proceso catalizado por ribosomas.
La síntesis de proteínas está guiada por la información contenida en las moléculas de mRNA. Para mantener la pauta de lectura correcta y asegurar la precisión de la traducción, la síntesis de proteínas se lleva a cabo en el ribosoma, una compleja máquina catalítica compuesta por más de 50 proteínas diferentes (las proteínas ribosómicas) y varias moléculas de RNA, los RNA ribosómicos (rRNA). Cada célula eucariota tiene millones de ribosomas en su citoplasma. Las subunidades de los ribosomas eucariotas se ensamblan en el nucléolo, mediante la asociación de los nuevos rRNA transcritos y modificados con las proteínas ribosómicas, que han sido importadas al núcleo tras su síntesis en el citoplasma. Una vez ensambladas, las dos subunidades ribosómicas son exportadas al citoplasma, donde llevan a cabo la síntesis proteica.
Los ribosomas de los eucariotas son muy parecidos en diseño y función a los de los procariotas. Ambos están formados por una subunidad mayor y otra menor que encajan una en la otra, formando el ribosoma completo, con una masa molecular de varios millones de daltons. La subunidad menor constituye el soporte sobre el que los tRNA pueden aparearse correctamente con los codones del mRNA, y la mayor cataliza la formación de los enlaces peptídicos que van uniendo los aminoácidos de una cadena polipeptídica.
Cuando no están fabricando proteínas, las dos subunidades del ribosoma están disociadas. Se unen sobre una molécula de mRNA, generalmente cerca de su extremo 5’, iniciando la síntesis de una proteína. A continuación, el mRNA va siendo empujado a través del ribosoma; a medida que sus codones llegan al centro activo del ribosoma, la secuencia de nucleótidos del mRNA es traducida a la secuencia de aminoácidos utilizando los tRNA como adaptaciones para añadir cada aminoácido, en la secuencia correcta, al extremo de la cadena polipeptídica creciente. Cuando se encuentra un codón de paro, el ribosoma libera la proteína terminada y sus dos subunidades se disocian de nuevo, con lo que pueden ser utilizadas para sintetizar otra proteína a partir de otra molécula de mRNA.
- RNA de transferencia (tRNA). Conjunto de pequeñas moléculas de RNA utilizadas en la síntesis de proteínas como elementos de interacción (adaptadores) entre el RNA mensajero y los aminoácidos. Cada tipo de molécula de tRNA está unida covalentemente a un aminoácido determinado.
Comparación de las estructuras de los ribosomas procariotas y eucariotas
Los componentes ribosómicos se suelen designar mediante sus “valores S”, que se refieren a su velocidad de sedimentación en una ultracentrifugadora. A pesar de las diferencias en el número y tamaño de sus componentes de RNA y de proteína, los ribosomas tanto procariotas como eucariotas tienen prácticamente la misma estructura y actúan de forma similar. Aunque los rRNA 18S y 28S de los ribosomas eucariotas contienen muchos nucleótidos adicionales que no están presentes en los ribosomas bacterianos, estos nucleótidos están presentes en forma de muchas inserciones que constituyen dominios adicionales y dejan la estructura básica de cada rRNA prácticamente inalterada.
Los ribosomas eucariotas tienen una velocidad de sedimentación 80S, mientras que los ribosomas de los procariotas tienen una velocidad de sedimentación 70S. En el caso de los ribosomas eucariotas, la subunidad grande (60S) presenta 49 proteínas, mientras que la subunidad pequeña (40S) presenta 33 proteínas. Los ribosomas procariotas presentan una subunidad grande (50S) con 34 proteínas y una subunidad pequeña (30S) con 21 proteínas.
2. Ribosomas: estructura
Cada ribosoma contiene cuatro centros de unión para las moléculas de RNA: uno de ellos es el centro de unión del mRNA y los otros tres (llamados los centros A, P y E) son los centros de unión de los tRNA. En los centros A y P, se puede unir una molécula de tRNA con fuerza suficiente sólo si su anticodón está apareado con el codón complementario (aunque en algunos casos se tolera un cierto balanceo) de la molécula de mRNA que está unida al ribosoma. Los centros A y P están lo suficientemente próximos como para que sus dos moléculas de tRNA se vean obligadas a aparearse con dos codones adyacentes de la molécula de mRNA. Esta característica del ribosoma permite mantener correcta la pauta de lectura del mRNA.
Codón. Secuencia de tres nucleótidos de una molécula de DNA o RNA mensajero, que representa la instrucción de incorporar un determinado aminoácido a una cadena polipeptídica en crecimiento.
Anticodón. Secuencia de tres nucleótidos de una molécula de RNA de transferencia, que es complementaria a la secuencia de tres nucleótidos del codón de una molécula de RNA mensajero.
Sitios de unión al RNA en el ribosoma
Cada ribosoma tiene tres sitios de unión al tRNA, los sitios A, P y E (abreviaturas de aminoacil- tRNA, peptidil-tRNA y expulsión, respectivamente), y uno para el mRNA. Durante proceso de síntesis proteica sólo están ocupados simultáneamente dos de los sitios de unión al tRNA.
3. Síntesis de proteínas en ribosomas de células eucariotas, en mitocondrias y cloroplastos
Se utiliza un conjunto común de ribosomas para sintetizar tanto las proteínas que permanecerán en el citosol como aquellas que serán transportadas al ER. La secuencia señal de ER de una nueva cadena polipeptídica dirige el ribosoma unido hacia la membrana del ER. La molécula de mRNA permanece unida permanentemente al ER como parte de un polirribosoma, mientras los ribosomas que se desplazan por encima son reciclados; al final de cada ciclo de síntesis proteica las subunidades ribosómicas se separan y se unen de nuevo al conjunto común de subunidades de ribosomas del citosol.
4. Síntesis de proteínas
La síntesis de proteínas se desarrolla en tres etapas: iniciación, elongación y finalización.
Iniciación
El lugar del mRNA donde empieza la síntesis de la proteína es crucial, ya que establece la pauta de lectura que se utilizará para traducir todo el mensaje. El proceso de inicio de la traducción también es de gran importancia en otro aspecto, ya que para muchos genes es el último punto en el que la célula puede decidir si el mRNA ha de ser traducido y la proteína sintetizada o no. Así, la tasa de inicio determinará la tasa a la que se sintetizará la proteína. Las células utilizan diversos mecanismos para regular el inicio de la traducción.
La traducción de un mRNA empieza con el codón AUG y se requiere un tRNA especial para iniciarla. Este tRNA iniciador siempre lleva el aminoácido metionina, de modo que todas las proteínas formadas tienen metionina como primer aminoácido en el extremo N-terminal, que es el extremo por el que empieza a sintetizarse la proteína. Esta metionina es eliminada posteriormente por una proteasa específica.
El tRNA iniciador se carga primero sobre la subunidad menor del ribosoma, acompañado de unas proteínas llamadas factores eucariotas de inicio o elF. De todos los aminoacil-tRNA de la célula, sólo el tRNA iniciador cargado con metionina puede unirse con suficiente fuerza a la subunidad menor del ribosoma sin que esté presente la subunidad mayor. A continuación, la subunidad menor del ribosoma se une al extremo 5’ de una molécula de mRNA, que es reconocida mediante su caperuza 5’ y los dos factores de inicio que lleva unidos. Entonces, la subunidad menor del ribosoma se desplaza hacia el extremo 3’ del mRNA, buscando el primer codón AUG. Este desplazamiento se ve facilitado por otros factores de inicio adicionales. En el 90% de los mRNA, la traducción comienza en el primer codón AUG hallado por la subundad menor. En este punto, los factores de inicio se disocian de la subunidad menor del ribosoma y hacen sitio para que la subunidad mayor se ensamble con ella y complete el ribosoma. Ahora el tRNA iniciador está unido al sitio P, dejando el sitio A vacante. Por tanto, la síntesis proteica está lista para comenzar con la adición de la siguiente molécula de aminoacil-tRNA.
Elongación
Cuando se ha iniciado la síntesis de proteínas, cada nuevo aminoácido es añadido a la cadena polipeptídica mediante un ciclo de reacciones constituido por tres etapas principales. En el paso 1, un tRNA que transporta el próximo aminoácido que se debe incorporar a la proteína se une al centro A mediante el apareamiento de su anticodón con el codón del mRNA situado frente a él, de manera que tanto el centro P como el A tienen unido un tRNA. En el paso 2, el extremo carboxilo de la cadena polipeptídica se desprende de su tRNA en el centro P (mediante la rotura del enlace de alta energía entre el tRNA y la cadena polipeptídica) y se une al grupo amino libre del aminoácido unido al tRNA del centro A, formándose un nuevo enlace peptídico. Esta reacción, central en la síntesis de proteínas, está catalizada por una actividad catalítica peptidil transferasa contenida en la subunidad mayor del ribosoma. En el paso 3, otra serie de cambios conformacionales hace que el mRNA se desplace una distancia equivalente exactamente a tres nucleótidos a lo largo del ribosoma y deja al ribosoma preparado para recibir un nuevo aminoacil-tRNA. Entonces se repite el paso 1 con el aminoacil-tRNA recién llegado.
Este ciclo de tres pasos se repite cada vez que se añade un nuevo aminoácido a la cadena peptídica. La cadena va creciendo por su extremo carboxilo terminal hasta que se alcanza un codón de paro.
Finalización
El fin del mensaje que codifica una proteína está señalado por un codón especial, uno de los tres codones de paro (UAA, UAG o UGA). Estos no son reconocidos por ningún tRNA por lo que no especifican ningún aminoácido, sino que indican al ribosoma que ha de detener la traducción. Unas proteínas, los factores de liberación, se unen a cualquier ribosoma que tenga un codón de paro situado en el sitio A y esta unión fuerza a la peptidil transferasa del ribosoma a catalizar la adición de una molécula de agua al peptidil-tRNA en lugar de un aminoácido. Esta reaccion libera el extremo carboxilo de la cadena polipeptídica en crecimiento de su unión a la molécula de tRNA y, dado que normalmente el polipéptido en crecimiento sólo está unido al ribosoma por esta unión, la cadena proteica, ya completada, se libera al citoplasma. A continuación, el ribosoma libera el mRNA y se separan sus subunidades, que pueden volver a ensamblarse sobre otra molécula de mRNA, iniciando una nueva ronda de síntesis proteica.
5. Proceso post-traduccional de proteínas
Muchas proteínas polipeptídicas y neuropéptidos, así como muchas enzimas hidrofílicas secretadas, se sintetizan como proteínas precursoras inactivas, a partir de las cuales tienen que ser liberadas las moléculas activas por la proteólisis. Así, estas proteínas se sintetizan como preproproteínas, en las que el prepéptido consiste en el péptido señal del ER que se elimina en el ER rugoso. En otros casos las moléculas peptídicas señal se sintetizan como poliproteínas que contienen múltiples copias de una misma secuencia amnoacídica. En casos aún más complejos se sintetizan varias moléculas peptídicas señal como partes de una sola poliproteína que es precursora de los diferentes productos finales, los cuales son cortados individualmente a partir de la cadena polipeptídica inicial. La misma poliproteína puede ser procesada de formas diferentes produciendo diferentes péptidos en distintos tipos celulares.
Existen casos en los que la degradación proteolítica es un paso esencial e irreversible del proceso de ensamblaje, como algunos agregados proteicos, como la hormona insulina.
Rotura proteolítica en el ensamblaje de la insulina
posiciones fuera del citosol. Muchas proteínas no presentan señales de clasificación y, en consecuencia, permanecen en el citosol como residentes permanentes. Sin embargo, muchas otras tienen señales de clasificación específicas que las dirigen desde el citosol hacia el núcleo, el ER, las mitocondrias, los plastidios o los peroxisomas; las señales de clasificación también pueden dirigir el transporte desde el ER a otros destinos celulares.
Existen tres sistemas fundamentales diferentes mediante los cuales las proteínas se desplazan desde un compartimento a otro. Estos tres mecanismos son:
- Transporte regulado o a través de poros nucleares. El tráfico de proteínas entre el citosol y el núcleo tiene lugar entre espacios topológicamente equivalentes, los cuales están conectados a través de complejos de poro nuclear. El complejo de poro nuclear actúa como una puerta selectiva que puede transportar activamente macromoléculas específicas y complejos macromoleculares, aunque también permiten la difusión libre de moléculas pequeñas.
- Transporte transmembrana. Unos translocadores proteicos unidos a la membrana dirigen el transporte específico de proteínas a través de la membrana desde el citosol hacia un espacio que es topológicamente distinto.
- Transporte vesicular. Intermediarios en el transporte rodeados de membrana (vesículas) conducen proteínas desde un compartimento a otro.
Los tres sistemas de transporte de proteínas están controlados mediante señales de clasificación presentes en la proteína transportadora, que son reconocidas por proteínas receptoras complementarias.
8. Degradación de proteínas citosólicas y nucleares
Las células enseguida eliminan los fallos de la traducción. Parece que hasta un tercio de las cadenas polipeptídicas recién fabricadas son seleccionadas para su degradación por los mecanismos de control de calidad de proteínas. En los eucariotas el aparato final de eliminación es el proteosoma, una abundante proteasa dependiente de ATP que constituye casi el 1% de la proteína celular. El proteosoma, del que existen muchas copias dispersas por el citosol y por el núcleo, también actúa sobre proteínas del ER; las que no se pliegan o no se ensamblan bien en el ER son detectadas por un sistema de vigilancia del ER y retrotranslocadas al citosol, donde serán degradadas.
Cada proteosoma consiste en un cilindro central hueco (complejo 20S) formado por varias subunidades proteicas que se ensamblan en una columna de cuatro anillos heptaméricos. Cada extremo del cilindro suele estar asociado con otro gran complejo proteico (la cubierta 19S). Las subunidades de las cubiertas 19S incluyen al menos seis proteínas que hidrolizan ATP. La cubierta 19S despliega las proteínas que han de ser diferidas y las envían hacia la cámara interior para su proteólisis. Una propiedad crucial del proteosoma es la complejidad de su mecanismo: el proteosoma se mantiene unido al sustrato hasta que lo convierte completamente en pequeños péptidos.
Las cubiertas 19S actúan como “puertas” de las entradas de la cámara proteolítica interna, por lo que son responsables de reconocer y unirse a las proteínas que han sido seleccionadas como sustrato del proteosoma. Los proteosomas actúan sobre proteínas que han sido marcadas específicamente para su destrucción mediante la unión covalente de varias copias de una pequeña proteína (ubiquitina). La ubiquitina de las células se halla libre o unida a una gran
variedad de proteínas intracelulares. En la mayoría de los casos, esta ubiquitina unida acaba desencadenando la destrucción proteica en el proteosoma.
9. Inclusiones citosólicas: glucógeno
Polisacarido de reserva animal. Está formado por unidades de glucosa 1-4α. Se acumula en las células en forma de gránulos de intensidades (tamaños) variables. La acumulación de glucógeno se encuentra cerca del REL. Si función es almacenar moléculas de glucosa sin crear problemas osmóticos. La glucosa almacenada en el glucógeno es osmóticamente inactiva. La síntesis de glucógeno se produce en el REL mediante la glucogenogénesis. Mediante la glucogenolisis se produce la degradación de glucógeno. En el hígado se acumula glucógeno para abastecer de glucosa al organismo. También se encuentra en el corazón y músculos lisos, para liberar glucosa en casos de necesidad urgente.
10. Inclusiones citosólicas: gotas lipídicas
Son triacilglicéridos (proteínas con 3 ácidos grasos). Almacenan mucha energía. Son molécuas hidrófobicas que se unen y forman gotas lipídicas. Se forma en células con poco citoplasma (están llenas de gotas lipídicas). Se forman en los adipositos, los cueles pueden tener más de una gota lipídica.
Hay dos moléculas de reserva energética debido a que 1kg de ácido grado tiene la misma energía que 6 kg de glucógeno.
