Sesión 5 Actividad 2. Análisis y abstracción de información

"Síntesis de proteínas"

Marco teórico

Antecedentes

Con la línea del tiempo que a continuación se presenta, podrás conocer cómo se llegó a descubrir la estructura tridimensional del ADN y podrás valorar su importancia en el proceso de la síntesis de proteínas.

1869

Johann Friederich Miescher

(1844-1895)

Médico alemán que en 1869 aisló una sustancia de los núcleos de células de leucocitos y esperma de salmón a la que llamó nucleína, la cual sometió a análisis químicos para demostrar la presencia de fósforo en esta molécula y que se encontraba generalmente en los núcleos de las células.

1879

El investigador francés Piccard, comprueba que en el ácido nucleíco de esperma de salmón se encuentran las bases púricasadenina y guanina

1889

Richard Altmann

(1852-1900)

Patólogo alemán que fue discípulo de Miescher. En 1889 identificó como ácido a la nucleína y le dio el nombre de ácido nucleíco, distinguiéndolo como componente de la cromatina.

1878

Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel

(1853-1927)

Médico alemán que descubrió en 1878 un carbohidrato en el ácido nucleico de células de levadura, además de las bases pirimídicas timina y citosina en el timo, también vio que había unas proteínas muy básicas fuertemente unidas a los ácidos nucleicos que llamó histonas.

S.XX

Archibald Edward Garrod

(1857-1936)

Físico inglés que, a principios del siglo XX, formuló la hipótesis sobre la relación entre los genes y las proteínas, introdujo la frase error congénito del metabolismo, para referirse a la relación entre la herencia y las enfermedades metabólicas.

1928

Frederick Griffith

(1878-1941)

Microbiólogo británico que en 1928 determinó la función biológica del ADN, sugería que una sustancia activa era transferida en determinadas condiciones, de bacterias muertas hacia bacterias vivas, para modificar sus características hereditarias.

1929

Phoebus Aaron Theodore Levene

(1869-1940)

Bioquímico ruso estadounidense que identificó en 1929 los componentes del ADN (cuatro bases nitrogenadas, un azúcar pentosa desoxirribosa y un grupo fosfato), y el orden en que se encontraban unidos que era fosfato-azúcar-base nitrogenada.

1933

Thomas Hunt Morgan

(1866-1945)

Genetista estadounidense que descubrió que los genes se encuentran en los cromosomas, y el papel que juegan en la herencia. Por sus descubrimientos se le otorga el premio Nobel en fisiología y medicina en 1933.

1939

Severo Ochoa

(1905-1993)

Bioquímico español que descubrió en 1939 el papel del ARN en la síntesis de proteínas y en 1959, tras encontrar cómo es el mecanismo de la síntesis biológica de los ácidos nucleicos (ARN y ADN), obtiene el premio Nobel de fisiología y medicina.

1940

George Wells Beadle

Genetista estadounidense (1903-1989)

Edward Lawrie Tatum

Químico Biólogo estadounidense (1909-1975)

En 1940, George Wells y Eduard Lawrie descubrieron que un gene codifica la información para sintetizar una enzima (proteína) “hipótesis: un gene=una proteína”; por lo cual recibieron el premio Nobel de fisiología y medicina en 1958.

Erwin Chargaff 

(1905-2002)

Químico austriaco que en 1940 determinó la relación entre purinas y pirimidinas en la molécula de ADN, planteó dos reglas que ayudaron al descubrimiento de la doble hélice del ADN. La primera consiste en que el número de adeninas siempre es igual que el de timinas, y el de guaninas al de citosinas. La segunda se refiere a que la cantidad de adeninas en relación a las guaninas difiere de una especie a otra.

1952

Rosalind Elsie Franklin 

(1920-1958)

Química física inglesa que en 1952 tomó la famosa fotografía 51 por difracción por rayos X a la molécula de ADN, la cual sirvió de base para dilucidar la estructura tridimensional del ADN. Muere en 1958 de cáncer, probablemente provocado por la radiación, por lo cual no se le otorgó el premio Nobel debido a que este no se da póstumo.

1953

Francis Harry Comptom Crick

Físico inglés (1916-2004)

En este año Francis Harry participó en el descubrimiento de la estructura tridimensional del ADN, por lo que en 1962 obtiene el premio Nobel de fisiología y medicina. Posteriormente concentra sus investigaciones de bioquímica y genética en la síntesis proteínica y el código genético. Junto con Sydney Brenner en 1961 desmuestran que los codones están formados por tres nucleótidos.

Maurice Wilkins

(1916-2004)

Maurice Wilkins, biofísico británico de origen neozelandés que en 1953 participó en el descubrimiento de la estructura tridimensional del ADN, al ser especialista en el estudio de biomoléculas por medio de difracción por Rayos X, proporcionó algunas fotografías de ADN. Por sus estudios obtiene el premio Nobel de fisiología y medicina en 1962.

James Dewey Watson 

(1928-…..)

Biólogo estadounidense que en 1953 participó en el descubrimiento de la estructura tridimensional del ADN, durante el posdoctorado trabajó en el estudio del ADN de los virus infecciosos. Por sus estudios obtiene el premio Nobel de fisiología y medicina en 1962. Fue nombrado de 1988 a 1992 director del proyecto “Genoma Humano”, al cual renunció como protesta a la posibilidad de que se patentaran los genes.

1968

Marshall Warren Nirenberg 

1922-2010)

Investigador estadounidense, que en 1968 recibió el premio Nobel de fisiología y medicina por identificar los codones, y demostrar que ciertas combinaciones de tres de las cuatro bases posibles del ADN codifican aminoácidos específicos, por lo tanto, sentó las bases para descifrar el código genético (Escuela Nacional Autónoma de México, 2017).

Durante el curso de la síntesis de proteínas in vitro y los experimentos con aminoácidos marcados se demostró que los aminoácidos se juntaban transitoriamente a una fracción del RNA de bajo peso molecular. Esta fracción de RNAs ha sido llamada RNAs de transferencia (tRNAs) puesto que transfiere los aminoácidos al polipéptido que se esta elongando. Estos resultados indican que la traduccón exacta requiere de dos pasos de reconocimiento igualmente importantes:

1. La opción correcta del aminoácido necesita ser realizada por adherencia al tRNA correspondiente.
2. La selección del correcto aminoácido cargado con tRNA por el mRNA. Este proceso es facilitado por los ribosomas que discutiremos abajo ( the medical biochemistry page, 2016).

Generalidades

Para que puedas comprender el proceso de “Síntesis de proteínas” es necesario recordar algunos conceptos básicos que están íntimamente relacionados con el tema, como son: ácidos nucleicos (ADN y ARN), proteínas (aminoácidos), núcleo, nucléolo y ribosomas; los cuales te facilitarán el aprendizaje de éste tema. Da clic en cada una de las pestañas para revisarlos.

Ácidos Nucleicos

Existen dos tipos de ácidos nucleicos que son: el ADN o ácido desoxirribonucleico y el ARN o ácido ribonucleico, ambos están presentes en todas las células y constituyen entre el 5 y 15% de estas.

Estos se definen como polímeros lineales, complejos y de alto peso molecular, formados por unas subunidades o monómeros llamados nucleótidos.

Los nucleótidos están constituidos por tres partes que son: Un grupo fosfato (H3PO4), que se une a un azúcar de cinco carbonos (pentosa), que puede ser ribosa o desoxirribosa y a su vez a una base nitrogenada que son compuestos heterocíclicos de dos tipos, purinas (Adenina y Guanina) y pirimidinas (Citosina, Timina y Uracilo).

Desoxirribosa

Para que se forme un nucleótido, el fosfato se une al azúcar por el carbono cinco (C-5'), la base nitrogenada si es púrica se une a través del nitrógeno 9 (N-9), si es pirimídica por el nitrógeno 1 (N-1) y en ambos casos se unen al azúcar por el carbono 1 (C-1') como se muestra a continuación:

                                    

Ácido Desoxirribonucleico

La molécula de ADN está constituida por un grupo fosfato, el azúcar desoxirribosa y las bases nitrogenadas adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T) esta última es exclusiva de ADN. Un nucleótido se une al anterior a través del fosfato (P), que se une al C-3' del azúcar del carbono anterior y así sucesivamente.

La estructura del ADN está formada por dos cadenas o bandas de nucleótidos enrolladas en torno a un eje, que giran a la derecha, que da como resultado una escalera de caracol o una doble hélice. Las dos cadenas se hallan unidas entre sí por puentes de hidrógeno (H) entre las bases complementarias, es decir, que si una cadena tiene adenina (A), enfrente siempre estará una timina (T) o si tiene una

guanina (G), enfrente tendrá una citosina (C) y se localizan en el centro de la molécula. Al lado de las bases nitrogenadas se encuentran las desoxirribosas, unidas a estas por el carbono1 (C-1), y el grupo fosfato se une al carbono 5 (C-5') del azúcar para así constituir a los nucleótidos.

Las cadenas de ácidos nucleicos se forman por la unión de varios nucleótidos, lo cual se lleva a cabo a través del carbono 3 (C-3') del azúcar con el grupo fosfato del siguiente nucleótido. Se dice que el sentido de las cadenas del ADN es 5' --> 3' y 3' --> 5' debido a que son los carbonos del azúcar que quedan libres hacia arriba y hacia abajo los que determinan esto. Las cadenas de nucleótidos son antiparalelas, por lo que, una cadena va en el sentido 3' --> 5' y la otra 5' --> 3', de modo que coincidan las bases nitrogenadas.

El ADN es muy importante, ya que es parte integral de los cromosomas, por tanto, contiene la información hereditaria de los organismos y las instrucciones para fabricar las proteínas. Se localiza en el núcleo, las mitocondrias y los cloroplastos de las células eucariotas y en las procariotas en el citoplasma.

Ácido Ribonucleico

Los nucleótidos del ARN, están formados por un grupo fosfato que se une al azúcar ribosa en el carbono 5 (C-5'), y una base nitrogenada que puede ser adenina (A) o guanina (G) o citosina (C) o uracilo (U), este último es exclusivo del ARN, las cuales se unen al azúcar por el carbono 1 (C-1') de la ribosa, para formar una sola cadena de nucleótidos y de menor tamaño que la del ADN. El ARN interviene en la síntesis de proteínas y existen tres tipos: el ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt).

El ARN mensajero (ARNm) es el que se encuentra en menor cantidad y no rebasa el 5% del ARN total de la célula, es lineal, de tamaño variable y la secuencia de bases que contiene es complementaria a la del ADN; ya que se sintetiza a partir de él (es copiado por la enzima ARN polimerasa II) y es necesario para la síntesis de una proteína, ya que define la secuencia de los aminoácidos que formaran a dicha proteína.

El ARN ribosomal (ARNr) es el más abundante en la célula, el cual llega hasta el 80% del total del ARN que ésta posee, tiene función estructural, ya que forma a los ribosomas, también interviene directamente en la síntesis de proteínas.

Los ARN de transferencia (ARNt) son moléculas pequeñas que sufren una serie de plegamientos o dobleces, por los que forman dos o tres asas (dobleces), que le dan el aspecto de una hoja de trébol. Existen en las células 64 moléculas diferentes de ARNt (sintetizadas por la enzima ARN polimerasa III), así que, por lo menos hay uno para cada aminoácido. Las funciones del ARNt son dos:

Transportar a los aminoácidos del citoplasma al ribosoma.

Reconocer el sitio en el ARNm en donde debe unirse el aminoácido para que se lleve a cabo la síntesis de proteínas.

Como se muestra en la figura en el extremo inferior de la molécula del ARNt se encuentra un triplete de bases que recibe el nombre de anticodón, que son complementarias a los tripletes de bases del ARNm; y en el extremo opuesto se une el aminoácido que será transportado al ribosoma.

Proteínas

Son biomoléculas muy grandes, formadas por unas subunidades llamadas aminoácidos que están constituidos por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y algunos tienen azufre (S); formando grandes cadenas polipeptídicas llamadas proteínas. Alrededor del 50% del peso seco de las células son proteínas sintetizadas por ellas mismas, las cuales realizan diferentes funciones en los organismos como:

• §  Estructural (forman parte de todas las membranas celulares)
• §  Enzimática (aceleran la velocidad de las reacciones metabólicas)
• §  Transporte (distribuyen diferentes substancias a las células)
• §  Hormonal (regulan una gran variedad de funciones)
• §  Contráctiles (constituyen el mecanismo biológico del movimiento)
• §  Receptoras (determinan la capacidad de reacción de las células), entre otras

En la naturaleza existen una gran cantidad de aminoácidos, de los cuales solo 20 constituyen a las proteínas, de éstos 9 se consideran esenciales en el hombre debido a que las células no pueden sintetizarlos y es necesario consumirlos en la dieta diaria. Los aminoácidos contienen en su molécula por lo menos un grupo funcional amino y uno carboxilo. En la siguiente tabla se muestran los aminoácidos que forman proteínas:

  

*Aunque se encuentra en la tabla como no esencial, para los niños (hasta los 12 años) se considera esencial.

Existen varios miles de proteínas diferentes (hasta 10,000 en una célula típica de mamífero. Karp 1998), que son específicas de cada especie, las cuales son el resultado de la unión de los aminoácidos, que se realiza entre el OH del grupo carboxilo de un aminoácido y el H del grupo amino del otro, formándose un enlace llamado peptídico. La variedad de proteínas que existen, se debe a la secuencia, el número y el tipo de aminoácidos que las componen, lo que da como resultado una gran diversidad de funciones que realizan en los organismos, ya que están presentes en todos los procesos biológicos que llevan a cabo los seres vivos. (Escuela Nacional Autónoma de México, 2017)

Síntesis proteínica.

La síntesis proteínica es un proceso demasiado complejo en el que la información genética codificada en los ácidos nucleicos se traduce en el “alfabeto” de los 20 aminoácidos estándar de los polipéptidos. Además de la traducción (el mecanismo por medio del que una secuencia de bases de nucleótidos dirige la polimerización de los aminoácidos), también puede considerarse que la síntesis de proteínas incluye los procesos de modificación y de direccionamiento posteriores a la traducción. La modificación posterior a la traducción consiste en modificaciones químicas que utilizan las células para preparar a los polipéptidos para sus cometidos funcionales. Varias modificaciones ayudan en el direccionamiento, que lleva a las moléculas recién sintetizadas a una localización específica intracelular o extracelular.

En conjunto, al menos 100 moléculas diferentes participan en la síntesis de proteínas. Entre las más importantes se encuentran las componentes de los ribosomas, grandes máquinas ribonucleoproteínicas que sintetizan polipéptidos. Cada ribosoma “lee” la secuencia de bases de un mRNA e, impulsado por GTP, convierte de manera rápida y precisa esta información en la secuencia de aminoácidos de un polipéptido. La rapidez es necesaria porque los organismos deben reaccionar de manera expedita a las condiciones ambientales siempre cambiantes. Por ejemplo, en las procariotas como E. coli, un polipéptido de 100 residuos se sintetiza en menos de 6 s. Los eucariotas son más lentos, con unos dos residuos por segundo. La precisión en la traducción del mRNA es crítica porque el funcionamiento adecuado de cada polipéptido depende no sólo de la secuencia primaria de la molécula, sino también de su plegamiento exacto. (McKee & McKee, 2014)

Fases de las síntesis de proteínas

La síntesis de proteína es un proceso muy complejo, de manera que lo vamos a descomponer en varios pasos. Primero, debemos señalar que las proteínas son células creadas dentro de células, y que los modelos para ellas son partes de ADN de una sola hebra. Los pasos son los siguientes:

1. Una sección de un ADN de una sola hebra es desenrollado por una enzima llamada ADN helicasa del bien conocido ADN de doble hélice. La sección consiste en dos tipos de secuencias de bases llamadas exones (codificantes de proteínas) e intrones (no codificantes).
2. TRANSCRIPCIÓN: Una proteína llamada ARN polimerasa transcribe —el proceso es llamado transcripción— el ADN para producir una hebra complementaria de ARN mensajero (ARNm) y agrega algo de ARN a cada extremo, el cual es esencial para iniciar y detener el siguiente paso. En el ARN mensajero, las adeninas son remplazadas por uraciles, timinas y adeninas, y citosinas por guaninas y viceversa. Note que el ARN tiene uracil más bien que ADN tiamina, de manera que el remplazo sucede como se describe. Los intrones no son utilizados en los pasos futuros y son removidos; los exones remanentes se acoplan entre sí para formar un modelo o planilla para el siguiente paso en la síntesis de proteína.
3. TRADUCCIÓN: La secuencia de ARN mensajero es exportada desde el núcleo a través de un poro nuclear y migra hacia un orgánulo llamado una ribosoma que construye la secuencia de aminoácidos que conforman la estructura primaria (lineal) de la proteína resultante —ese proceso se llama traducción. La ribosoma tiene una estructura compleja, constituida por docenas de proteínas y ARN llamado ARN ribosomal (ARNr). Su número de Svedberg total (ver la definición de Números p, gp, y S) es 80S, y sus dos subunidades son, el pequeño (40S) y el más grande (60S). En al ribosoma, el ARNm, el cual consiste de tres codones básicos para aminoácidos, es traducido a una secuencia de ARN transferente (ARNt) por una enzima llamada aminoacil ARNt sintetasa. Los codones correspondientes a los aminoácidos con redundancia significativa, como se anotó en la definición de ácido nucleico (Base). Las funciones ARNt en la subunidad 60S ribosoma, donde se inserta el aminoácido de cada codón al precedente en la secuencia de proteína de estructura primaria. Eventualmente la ribosoma reconoce un codón de detenimiento transferido por su ARNt y termina este paso.
4. DOBLAMIENTO: El proceso final de la construcción de una proteína es llamado modificación postraducción, o informalmente, doblamiento. Comienza con la secuencia primaria de aminoácidos, y consiste de varios pasos necesarios, y algunos posibles. Los pasos necesarios, llamados doblamiento de la proteína, y los que crean la estructura tridimensional de la proteína (llamado su estado nativo), y estos son los únicos que se mencionan aquí. Primero, note que el doblamiento de la proteína no está bien entendido. Está claro que la secuencia de aminoácidos es el conductor primario del doblamiento de la proteína, pero se cree que los codones para aminoácidos también pueden influenciar el doblamiento, como pueden los solventes (como el agua o la grasa), la concentración de varias sales, el pH, la temperatura y la presencia de moléculas llamadas chaperonas. Vale la pena notar estas dos cosas:

• Primero, casi todas las observaciones del doblamiento en las células ha sido de proteínas que se doblan en masa, haciendo muy difícil discernir os detalles del proceso.
• Segundo, existes varios modelos de computadora de proteínas doblándose que tratan de simular el proceso. Uno de ellos llamado Folding@Home, utiliza un modelo de computadoras distribuido en los modelos de los PCs para el modelo de doblamiento. El sitio web es http://folding.stanford.edu/home/ . Tan temprano como en el 2016, ya tiene más de 110,000 personas y sus computadoras participando. (Project Inform, 2016)

Referencias

the medical biochemistry page. (15 de Junio de 2016). themedicalbiochemistrypage.org. Obtenido de https://themedicalbiochemistrypage.org/es/protein-synthesis-sp.php

Escuela Nacional Autónoma de México. (2017). Portal académico CCH . Obtenido de https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia1/unidad2/sintesisdeproteinas

McKee, T., & McKee, J. R. (2014). Bioquímica. Las bases moleculares de la vida, 5e. México, D.F.: McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES.

Project Inform. (21 de Septiembre de 2016). Project Imform. Obtenido de https://www.projectinform.org/es/glosario/sintesis-de-proteina/

Aquí abajo les dejo la liga para que puedan visualizar el archivo en word.

https://drive.google.com/open?id=13GgeQtqoGgtioXvhgJFsmDYnbaD_OZyk

Tengan un excelente día.

Saludos.