Capítulo 9

Página 319.

Las proteínas y su síntesis

Preguntas clave

- ¿Cómo se relacionan las secuencias de un gen y su proteína?

- ¿Por qué se dice que el código genético no se solapa y es

degenerado?

- ¿Cuál es la evidencia que sugiere que el RNA ribosómico, y no las

proteínas ribosómica, llevan a cabo los pasos claves en la

traducción?

- ¿Qué es el procesamiento postraduccional y por qué es importante

para la función proteica?

Esquema

9.1 Estructura de las proteínas.

9.2 Colinealidad de gen y proteína

9.3 El código genético

9.4 tRNA: el adaptador

9.5 Ribosomas

9.6 El proteoma

En el discurso de un congreso en 1969, William Stewart, cirujano general

de los Estados Unidos, dijo “Es tiempo de cerrar el libro de las

enfermedades infecciosas. Se acabó la guerra contra la pestilencia”. En esa

época, su anuncio de victoria no fue un alarde insensato. En las dos décadas

anteriores, se habían eliminado prácticamente tres de las enfermedades que

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fueron plagas de la humanidad por siglos, la polio, la viruela y la

tuberculosis. Un factor importante que contribuyó a la erradicación de

algunas enfermedades infecciosas fue el descubrimiento y el uso

generalizado de los antibióticos, un grupo diverso de compuestos químicos

que matan patógenos bacterianos específicos sin dañar al animal

hospedador. Los antibióticos como la penicilina, la tetraciclina, la

ampicilina y el cloranfenicol, por nombrar algunos, salvaron cientos de

millones de vidas.

Desafortunadamente, el anuncio de victoria de William Stewart en la

batalla contra las enfermedades infecciosas fue prematuro. El uso excesivo

de los antibióticos en todo el mundo estimuló la evolución de cepas

bacterianas resistentes. Por ejemplo, cada año, más de 2 millones de

pacientes en los hospitales de los Estados Unidos adquieren una infección

que es resistente al antibiótico y como resultado mueren más de 90.000

personas. ¿Cómo se desarrolló la resistencia tan rápidamente? ¿Serán

nuevamente las enfermedades infecciosas una causa de mortalidad

humana? ¿Serán capaces los científicos de emplear su comprensión de los

mecanismos de resistencia para desarrollar antibióticos más duraderos?

Para responder a estas preguntas, los científicos focalizaron su

atención en la máquina celular que es el blanco de los antibióticos. Más de

la mitad de todos los antibióticos de uso general atacan al ribosoma

bacteriano, que es el sitio de la síntesis de proteínas de los procariotas. En

este capítulo, aprenderá los increíbles descubrimientos que los científicos

han realizado con el empleo de una técnica llamada cristalografía de rayos

X para visualizar los RNA ribosómicos y las más de 100 proteínas que

conforman la subunidad mayor y menor del ribosoma bacteriano. Aunque

los ribosomas de los procariotas y de los eucariotas son similares, hay

sutiles diferencias entre ellos, que hacen posible que los ribosomas

bacterianos sean el blanco de acción de los antibióticos mientras que a los

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ribosomas eucarióticos no les afectan. Empleando cristalografía de rayos X,

los científicos han visualizado la unión de los antibióticos al ribosoma

(Figura 9-1). A partir de estos estudios, se han determinado qué mutaciones

en el rRNA y/o en las proteínas ribosómicas bacterianas son las

responsables de la resistencia a los antibióticos. Con el conocimiento de los

puntos de contacto entre ciertos antibióticos y el ribosoma, los diseñadores

de fármacos están intentando diseñar una nueva generación de antibióticos

que, por ejemplo, sean capaces de unirse a distintos sitios que se

encuentren cercanos espacialmente. La lógica de este diseño está en que la

resistencia tardaría más en llegar porque se necesitaría que ocurrieran dos

mutaciones, que es un hecho muy poco probable incluso en las bacterias.

Los capítulos 7 y 8 describieron cómo se copia el DNA de una

generación a la siguiente y cómo se sintetiza el RNA a partir de una región

específica del DNA. Se puede pensar que estos dos procesos forman parte

de dos etapas en la transferencia de la información: la replicación (la

síntesis de DNA) y la transcripción (la síntesis de una copia de RNA de

una parte del DNA). En este capítulo, aprenderá el estadio final de la

transferencia de la información: la traducción (la síntesis de un polipéptido

dirigida por la secuencia del RNA).

Como se ha visto en el Capítulo 8, el RNA transcrito de los genes se

clasifica en RNA mensajero (mRNA) y RNA funcional. En este capítulo,

verá el destino de las dos clases de RNA. La gran mayoría de genes

codifica mRNA cuya función es la de servir de intermediario en la síntesis

de la proteína que es el producto final. Por el contrario, recuerde que los

RNA funcionales son activos como RNA, y nunca se traducen a proteínas.

Las principales clases de RNA funcional son los protagonistas principales

en la síntesis de proteínas, incluyendo el RNA de transferencia y el RNA

ribosómico.

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RNA de transferencia (tRNA) son moléculas adaptadoras que

traducen el codón de tres nucleótidos del mRNA al aminoácido

correspondiente, que es transportado por el tRNA al ribosoma

para el proceso de traducción. Los tRNAs son componentes

generales de la máquina de traducción; una molécula de tRNA

puede transportar el aminoácido al ribosoma para traducir

cualquier mRNA.

RNA ribosómico (rRNA) es el componente principal de los

ribosomas, que son complejos macromoleculares que ensamblan

los aminoácidos para formar la proteína cuya secuencia está

codificada en el mRNA. Los ribosomas están compuestos por

varios tipos de rRNA y decenas de distintas proteínas. Como los

tRNA, los ribosomas tienen una función generalista, en el sentido

que traducen mRNA de cualquier gen que codifique proteínas.

Aunque la mayoría de los genes codifican mRNA, los RNA

funcionales constituyen la fracción mayor del RNA total de la célula. En

una célula eucariótica típica que está dividiéndose en forma activa, el

rRNA y el tRNA constituye casi el 95% del RNA total, mientras que el

mRNA restante es el 5%. Existen dos factores que explican la abundancia

de los RNA funcionales. Primero, son mucho más estables que los mRNA,

y así estas moléculas permanecen intactas por más tiempo. Segundo, la

transcripción de genes de rRNA y tRNA constituye más de la mitad de la

transcripción total en las células eucarióticas activas y casi el 80% de la

transcripción en levaduras.

Los componentes de la máquina de traducción y el proceso en sí son

similares en procariotas y eucariotas. El rasgo principal que los distingue es

el lugar de la célula donde ocurre la transcripción y la traducción: en los

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procariotas ambos procesos ocurren en el mismo compartimiento celular,

mientras que en los eucariotas están separados físicamente. Después de un

extenso procesamiento, el mRNA eucariótico se exporta del núcleo para la

traducción en los ribosomas que se localizan en el citoplasma. Por el

contrario, la transcripción y la traducción en los procariotas se encuentran

acopladas: la traducción de un RNA comienza en su extremo 5’ mientras el

resto del mRNA está aún siendo sintetizado.

9.1 Estructura de las proteínas

Después que un transcrito primario se procesa completamente y se

convierte en una molécula de mRNA maduro, puede tener lugar la

traducción a proteína. Antes de considerar cómo se construyen las

proteínas, se necesita entender cómo es su estructura.

Las proteínas son los principales determinantes de la forma y la

función biológica. Estas moléculas influyen directamente sobre la forma, el

color, el tamaño, el comportamiento y la fisiología de

(Fin de página 327)

(Principio de página 328)

los organismos. Debido a que la función de los genes es codificar proteínas,

entender la naturaleza de las proteínas es esencial para entender la acción

génica.

Una proteína es un polímero compuesto de monómeros llamados

aminoácidos. En otras palabras, una proteína es una cadena de

aminoácidos, que se suele llamar polipéptido, porque a los aminoácidos se

les denominaba péptidos. La fórmula general de los aminoácidos es

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H

H2N-C-COOH

R

Todos tienen una cadena lateral, o grupo R (reactivo). Existen 20

aminoácidos conocidos en las proteínas, y cada uno lleva un grupo R

diferente que le da su propiedad única. El grupo R puede ser desde un

átomo de hidrógeno (como en el aminoácido glicina) a un anillo complejo

(como en el triptófano). En las proteínas, los aminoácidos están ligados por

enlaces covalentes llamados enlaces peptídicos, formados por la unión

entre el extremo amino (NH2) de un aminoácido con el extremo carboxilo

(COOH) de otro aminoácido. Durante la reacción se forma una molécula de

agua (Figura 9-2). Por la manera en la que se forma un enlace peptídico,

una molécula de polipéptidos siempre tiene un extremo amino y un

extremo carboxilo, como se muestra en la Figura 9-2a.

Las proteínas tienen una estructura compleja con cuatro niveles de

organización, ilustrados en la Figura 9-3. La secuencia lineal de

aminoácidos en un polipéptido constituye la estructura primaria de la

proteína. Regiones locales de la cadena polipeptídica se pliegan en formas

específicas, que se denomina la estructura secundaria de una proteína.

Cada forma surge de fuerzas de unión entre los aminoácidos que se

encuentran cercanos en la secuencia lineal. Estas fuerzas incluyen diversos

tipos de enlaces débiles, especialmente los puentes de hidrógeno, las

interacciones electrostáticas y las fuerzas de van der Waals. Las estructuras

secundarias más comunes son la α-hélice y la estructura en hoja plegada.

Diferentes proteínas muestran una u otra estructura, aunque algunas

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presentan ambas. La estructura terciaria se produce por el plegamiento de

la estructura secundaria. Algunas proteínas presentan estructura

cuaternaria, porque están compuestas de dos o más polipéptidos plegados,

llamados subunidades, mantenidos por uniones débiles. La estructura

cuaternaria puede establecerse entre distintos tipos de polipéptidos, que

conforman un heterodímero si está formada por dos subunidades, o un

homodímero si son polipéptidos idénticos. La hemoglobina es un ejemplo

de heterotetrámero, una proteína de cuatro subunidades, compuesta por dos

copias de dos polipéptidos diferentes, que se muestran en verde y morado

en la Figura 9-3d.

Muchas proteínas son estructuras compactas, llamadas proteínas

globulares. Las enzimas y los anticuerpos se encuentran entre las proteínas

globulares mejor caracterizadas. Las proteínas con forma lineal, llamadas

fibrosas, son componentes importantes de estructuras como la piel, el pelo

y los tendones.

La forma es lo más importante de una proteína porque es su forma

específica la que permite su especificidad para realizar un determinado

trabajo en la célula. La forma de una proteína está determinada por la

secuencia primaria de aminoácidos y por las condiciones en la célula que

promueven el plegamiento y las uniones necesarias para alcanzar

estructuras de niveles superiores. El plegamiento de las proteínas en su

conformación correcta se discutirá al final de este capítulo. La secuencia de

aminoácidos también determina qué tipo de grupo R está presente en una

posición específica y

(Fin de página 322)

(Inicio de página 323)

está disponible para unirse a otros componentes celulares. Los sitios activos

de las enzimas son un buen ejemplo de la interacción precisa de grupos R.

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Cada enzima tiene un bolsillo llamado centro activo en el que pueden

adaptarse los sustratos. Dentro del centro activo, los grupos R de ciertos

aminoácidos se posicionan estratégicamente para interactuar con un

sustrato y catalizar una reacción química específica.

Hasta el presente no se conoce bien cuáles son las reglas por las que

una estructura primaria adopta estructuras de nivel superior. Sin embargo, a

partir del conocimiento de la estructura primaria de una proteína, se puede

predecir la función de regiones específicas. Por ejemplo, algunas

secuencias de proteínas características son el punto de contacto con los

fosfolípidos de la membrana que posicionan una proteína en la membrana.

Otras secuencias características actúan para unir proteínas al DNA. Las

secuencias de aminoácidos o pliegues proteicos conservados que están

asociados con funciones particulares se denominan dominios. Una proteína

puede contener uno o más dominios separados.

9.2 Colinealidad de los genes y las proteínasLa hipótesis de Beadle y Batum de “un gen – un polipéptido” (véase el

Capítulo 6) fue la fuente de la primera comprensión excitante acerca de las

funciones de los genes: los genes son de alguna manera los responsables de

las funciones enzimáticas, y aparentemente cada gen controla una enzima.

Esta hipótesis aportó un concepto unificador en biología, porque construyó

un puente entre los conceptos y las técnicas de investigación de la genética

y la bioquímica. Cuando en 1953 se dedujo la estructura del DNA, parecía

probable que existiera una correspondencia lineal entre la secuencia de

nucleótidos y la secuencia de aminoácidos en las proteínas, como las

enzimas. Sin embargo, no fue hasta 1963 que se demostró

experimentalmente la colinealidad. En ese año, Charles Yanofsky de la

Universidad de Stanford dirigía uno de los dos grupos de investigación que

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demostraron la correspondencia lineal entre los nucleótidos del DNA y los

aminoácidos de las proteínas.

Yanofsky demostró la relación entre genes alterados y proteínas

alteradas a través del estudio de la enzima triptófano sintetasa y su gen.

Esta enzima es un heterotetrámero compuesto por dos subunidades α y dos

β, que cataliza la conversión del indol glicerol fosfato en triptófano.

Indol-3-glicerol fosfato

subunidad α

gliceraldehído-3-fosfato

indol

serina

subunidad β

Triptofano

Yanofsky identificó 16 alelos mutantes del gen trpA de E.coli, cuyo alelo

salvaje codifica para la subunidad α de la enzima. Los 16 alelos mutantes

producían formas inactivas de la enzima. Yanofsky cartografió la posición

del sitio mutante de cada alelo. En 1963, aún no se había inventado la

secuenciación del DNA, pero los sitios mutantes podían cartografiarse por

los métodos de análisis de recombinación, descriptos en el Capítulo 4.

A través del análisis bioquímico de la proteína TrpA, Yanofsky

demostró que cada una de las 16 mutaciones resultaba en la sustitución de

un aminoácido en diferentes posiciones de la proteína. Más aún, demostró

que el sitio mutacional en el mapa génico del gen trpA aparecía en el

mismo orden que el correspondiente aminoácido alterado en la cadena

polipeptídica (Figura 9-4). Además la distancia entre los sitios mutados,

medida como frecuencia de recombinación, mostraba una correlación con

(Fin de página 324)

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(Principio de página 325)

la distancia entre el aminoácido alterado en la correspondiente proteína

mutante. De esta manera, Yanofsky demostró la colinealidad, o sea la

correspondencia entre la secuencia lineal de un gen y la del polipéptido.

Posteriormente, estos resultados fueron aplicados a mutaciones en otras

proteínas de manera general.

Mensaje: La secuencia lineal de nucleótidos en un gen determina la

secuencia lineal de aminoácidos en una proteína.

9.3 El código genéticoSi los genes son segmentos de DNA y si las cadenas de DNA son una serie

de nucleótidos, entonces la secuencia de nucleótidos debe determinar de

alguna manera la secuencia de aminoácidos en la proteína. ¿Cómo hace la

secuencia del DNA para dictar la secuencia de proteínas? De inmediato nos

viene a la cabeza la analogía con un código; la simple lógica nos dice que,

si los nucleótidos son las “letras” en el código, entonces la combinación de

letras puede formar las “palabras” que representan los diferentes

aminoácidos. Primero, se debe preguntar cómo se lee el código, y si es o no

solapado. Entonces, se debe preguntar cuántas letras del mRNA pueden

componer una palabra, o codón, y qué codón o codones representan a cada

aminoácido. La historia que se describirá a continuación se relaciona con el

desciframiento del código genético.

Código solapado versus no solapado

La Figura 9-5 muestra la diferencia entre un código solapado y uno que no

lo es. El ejemplo muestra un código con grupos de tres letras o tripletes.

Para un código no solapado, los aminoácidos consecutivos se especifican

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por un código de palabras consecutivas (codones), como se muestra en la

parte inferior de la Figura 9-5. Sin embargo, para un código solapado, los

aminoácidos consecutivos están especificados por codones que tienen

algunas bases consecutivas en común; por ejemplo, las últimas dos bases

de un codón pueden ser también las dos primeras del siguiente codón. Los

codones solapados se muestran en la parte superior de la Figura 9-5. De

esta manera, para la secuencia AUUGCUCAG en un código no solapado,

habría tres tripletes que codifican para los tres primeros aminoácidos

respectivamente, AUU, GCU y CAG. Sin embargo, en un código solapado,

los tripletes AUU, UUG y UGC codifican para los tres primeros

aminoácidos si solapan dos bases, como se muestra en la Figura 9-5.

En el año 1961, ya estaba claro que el código no era solapado. Los

análisis de proteínas alteradas por una mutación mostraron que sólo se

cambia un único aminoácido en una región de la proteína. Este resultado es

lo que predice un código no solapado.

(Fin de página 325)

(Principio de página 326)

Como se observa en la Figura 9-5, un código solapado predice que el

cambio de una base alterará al menos a tres aminoácidos, localizados en

posiciones adyacentes de una proteína.

Número de letras en el codón

Si una molécula de mRNA se lee de un extremo al otro, sólo se puede

colocar una de las cuatro bases diferentes, A, U, G y C en cada posición.

De esta manera, si las palabras que codifican aminoácidos fueran de una

sola letra, habría sólo cuatro palabras posibles. Este vocabulario no puede

ser el código genético, porque debería tener al menos una palabra para cada

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uno de los 20 aminoácidos que se encuentran comúnmente en las proteínas

celulares. Si las palabras tuvieran dos letras de longitud, entonces las

posibilidades serían 4 x 4 = 16, de manera que sólo habría 16 palabras; por

ejemplo, AU, CU, o CC. Este vocabulario todavía no sería lo

suficientemente largo.

Si las palabras tienen tres letras de longitud, entonces las

posibilidades serían 4 x 4 x 4 = 64 palabras posibles, por ejemplo, AUU,

GCG, o UGC. Este vocabulario provee más palabras de las necesarias para

describir los aminoácidos; entonces podemos concluir que las palabras del

código deben consistir al menos de tres nucleótidos. Sin embargo, si todas

las palabras son “tripletes”, entonces las posibles palabras resultantes están

en un exceso considerable respecto a las 20 necesarias para nombrar a los

aminoácidos comunes. Más adelante, en este capítulo, se volverá a este

exceso de codones.

El uso de supresores para demostrar un código de tripletes

Una prueba convincente de que un codón tiene tres letras de longitud, y no

más de tres, proviene de un elegante experimento genético presentado por

primera vez en 1961 por Francis Crick, Sydney Brenner y sus

colaboradores. Este experimento empleó mutantes del locus rII del fago

T4. El empleo de mutaciones de rII en análisis de recombinación se

discutió en el Capítulo 5. El fago T4 es capaz de crecer en dos cepas

diferentes de E. coli, denominadas B y K. Sin embargo, las mutaciones en

el gen rII, cambian el espectro de hospedadores del fago: los fagos

mutantes todavía pueden crecer en un hospedador de la cepa B , pero no

pueden hacerlo en un hospedador K. Las mutaciones que causan este

fenotipo rII se indujeron empleando una sustancia química denominada

proflavina, que se supone que actúa por la adición o deleción de un simple

par de nucleótidos en el DNA. (Esta suposición se basa en evidencia

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experimental que no se presentará aquí). El siguiente ejemplo ilustra la

acción de la proflavina sobre la doble hélice del DNA.

-ATCTAGTCT-

Inserción -TAGATCAGA-

-ATCTGTCT-

-TAGACAGA-

Deleción -ATCTGTT-

-TAGACAA-

Crick y sus colaboradores trabajaron con una mutación particular inducida

por la proflavina, llamada FCO; y descubrieron “reversiones” de la

mutación al estado salvaje, que eran capaces de crecer en la cepa K de E.

coli. El análisis genético de estas placas reveló que los “revertientes” no

eran idénticos a los salvajes verdaderos. De hecho, las reversiones que

descubrieron se debían a la presencia de una segunda mutación en un sitio

diferente al que causa FCO, aunque en el mismo gen.

“Reversión”

mutación FCO mutación FCO Supresor de la mutación

placas mutantes rII placas doble mutantes tipo salvaje

(Fin de página 326)

(Principio de página 327)

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Esta segunda mutación “suprimió” la expresión mutante del original FCO.

Recuerde del Capítulo 6 que una mutación supresora contrarresta o suprime

los efectos de otra mutación.

¿Cómo se puede explicar este resultado? Si suponemos que el gen se

lee sólo desde un extremo, entonces la adición original o la deleción

inducida por la proflavina podría resultar en una mutación porque

interrumpe el mecanismo normal de lectura que establece el grupo de bases

que deben leerse leen como palabras. Por ejemplo, si cada tres bases en el

mRNA resultante constituye una palabra, entonces se podría establecer el

“marco de lectura” agrupando las tres primeras bases del extremo como la

primera palabra, las siguientes tres como la segunda palabra, y así en

adelante. En este caso, la adición o deleción de un par de nucleótidos

simple inducida por la proflavina podría desplazar el marco de lectura en el

mRNA a partir del punto correspondiente, causando la lectura errónea de

todas las palabras siguientes. Una mutación de desplazamiento del marco

de lectura podría reducir gran parte del mensaje genético a un galimatías.

Sin embargo, se podría reestablecer el marco de lectura apropiado por la

inserción o deleción compensatoria en otro punto, lo que produciría un

trecho corto ilegible entre las dos mutaciones. Considere el siguiente

ejemplo en el que se emplean palabras inglesas de tres letras para

representar los codones:

LEO VIO POR FIN ESE DIA SIN LUZ

Deleción de la P: LEO VIO ORF INE SED IAS INL UZ

Inserción de A: LEO VIO ORA FIN ESE DIA SIN LUZ

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La inserción suprime el efecto de la deleción restaurando la mayor

parte del sentido de la frase. La inserción, por sí misma, también

interrumpe la frase:

LEO VIO POR AFI NES EDI ASI NLU Z

Si suponemos que el mutante FCO está causado por una inserción de

un par de nucleótidos simple, entonces la segunda mutación (supresora)

podría ser una deleción, porque sólo una deleción restauraría el marco de

lectura del mensaje resultante (una segunda inserción no corregiría el

marco de lectura). En los siguientes diagramas, se emplea una cadena de

nucleótidos hipotética para representar al RNA por simplicidad. Se supone

que las palabras del código son de tres letras de longitud y que se leen en

una dirección (de izquierda a derecha).

1. Mensaje del tipo salvaje

CAU CAU CAU CAU CAU

2. Mensaje rIIa: las palabras después de la adición están cambiadas (X) por

una mutación que altera el marco de lectura, mientras que las palabras

marcadas con () no se ven afectadas.

Adición

CAU ACA UCA UCA UCA U

X X X X

3. Mensaje rIIa, rIIb: Pocas palabras son erróneas, pero se restaura el marco

de lectura en las últimas palabras

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Deleción

CAU ACA UCU CAU CAU

X X

(Fin de página 327)

(Inicio de página 328)

Las pocas palabras erróneas que hay en el genotipo del supresor que

recuperaron Crick y sus asociados, explicarían por qué los “revertientes”

(los fenotipos supresores) no son exactamente iguales a los fenotipos

salvajes verdaderos.

Se partió de la suposición que la mutación original que cambia el

marco de lectura fue una inserción, pero la explicación es igualmente

válida si se supone que la mutación original FCO es una deleción y el

supresor es una inserción, como podría verificar por sí mismo. Resulta muy

interesante que las combinaciones de tres inserciones o de tres deleciones

actúen de manera conjunta para restaurar el fenotipo salvaje. Estas

observaciones aportaron la primera evidencia experimental de que una

palabra en el código genético consiste de tres nucleótidos sucesivos, o sea

de un triplete. El motivo es que sólo las tres adiciones o las tres deleciones

dentro de un gen restauran automáticamente el marco de lectura en el

mRNA si las palabras son tripletes.

Degeneración del código genético

Ya se ha visto que un codón de tres letras, con cuatro letras que se pueden

elegir para cada posición, puede producir 4 x 4 x 4 = 64 palabras. Si sólo se

necesitan 20 palabras para los 20 aminoácidos comunes, ¿cómo se usan, de

usarse, las otras palabras? El trabajo de Crick sugirió que el código

genético es degenerado, o sea, que cada uno de los 64 tripletes debe tener

16

algún significado dentro del código, por lo que algunos aminoácidos deben

estar especificados por al menos dos o más tripletes diferentes.

El razonamiento es el siguiente: Si se emplearan sólo 20 tripletes,

otros 44 carecerían de sentido y no codificarían ningún aminoácido. En este

caso, se espera que la mayoría de las mutaciones que alteran el marco de

lectura produzcan palabras sin sentido, que interrumpirían el proceso de la

construcción de la proteína, y la supresión de las mutaciones que cambian

el marco de lectura se darían, en caso de producirse, raramente. Sin

embargo, si todos los tripletes especifican para algún aminoácido, las

palabras cambiadas podrían resultar simplemente en la inserción de un

aminoácido incorrecto en la proteína. Crick pensó que muchos

aminoácidos, si no todos, tienen varios nombres diferentes en el código de

pares de bases; y esta hipótesis fue confirmada bioquímicamente.

Mensaje: La discusión hasta ahora demuestra que

1. El código genético no es solapado.

2. Tres bases codifican un aminoácido. Estos tripletes se denominan

codones.

3. El código se lee desde un punto de partida fijo y continúa hasta el final

de la secuencia codificadora. Se sabe que el código se lee de manera

secuencial porque una simple mutación de desplazamiento del marco de

lectura en cualquier sitio de la secuencia codificadora altera el alineamiento

del codón para el resto de la secuencia.

4. El código es degenerado ya que algunos aminoácidos están especificados

por más de un codón.

Descifrando el código

El desciframiento del código genético, o sea la determinación del

aminoácido específico para cada triplete, fue uno de los avances genéticos

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más espectaculares de los últimos 50 años. Cuando las técnicas

experimentales necesarias se hallaron disponibles, el código genético se

descifró rápidamente.

El descubrimiento de cómo producir mRNA sintético fue un gran

paso adelante. Si se mezclan los nucleótidos de RNA con una enzima

especial (polinucleótido fosforilasa) la reacción produce una cadena simple

de RNA. A diferencia de la transcripción, no se necesita molde de DNA

para esta síntesis, de manera que los nucleótidos se incorporan al azar. La

capacidad de sintetizar RNA ofreció la perspectiva apasionante de crear

secuencias de mRNA específicas y así ver que aminoácidos podrían

especificar. El primer mensajero sintético se obtuvo mezclando nucleótidos

de uracilo

(Fin de página 328)

(Principio de página 329)

con la enzima que sintetizaba el RNA, que produjo ….UUUU….(poli-U).

En 1961, Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei mezclaron in vitro, un

mRNA de poli-U con la máquina de síntesis de proteínas de E. coli, y

observaron la formación de una proteína. El entusiasmo principal se centró

en la secuencia de aminoácidos de esta proteína, que resultó ser un

polipéptido de fenilalanina; de manera que el triplete UUU debe codificar

para fenilalanina:

-UUU UUU UUU UUU UUU UUU UUU-

- Phe - Phe - Phe - Phe- Phe - Phe - Phe –

Nirenberg ganó el Premio Nobel por este descubrimiento.

Después, se sintetizó mRNA que contenía dos tipos de nucleótidos

en grupos repetitivos. Por ejemplo, el mRNA sintético que porta la

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secuencia (AGA)n, es una secuencia larga de AGAAGAAGAAGAAGA,

que se empleó para iniciar la síntesis polipeptídica in vitro (en un tubo de

ensayo que también contenía un extracto celular con todos los componentes

necesarios para la traducción). La secuencia polipeptídica resultante se

observó a partir de una variedad de estos ensayos, con el uso de diferentes

tripletes que residían en otros RNA sintéticos. Realizando este tipo de

ensayos se verificaron muchas palabras del código. (Este experimento se

detalla en el Problema 33 al final de este capítulo. Para resolverlo, puede

colocarse en el lugar de H. Gobind Khorana, que recibió el Premio Nobel

por dirigir estos experimentos).

Otras estrategias experimentales permitieron asignar cada

aminoácido a uno o más codones. Recuerde que se propuso que el código

es degenerado, lo que significa que algunos aminoácidos tienen más de un

codón asignado. La degeneración del código se puede observar claramente

en la Figura 9-6, donde se dan los codones y los aminoácidos que

especifican. Prácticamente todos los organismos de la Tierra usan el mismo

código genético. Hay algunas pocas excepciones en las que un pequeño

número de codones tiene diferentes significados, por ejemplo en los

genomas mitocondriales.

Codones stop

Habrá notado que en la Figura 9-6 hay algunos codones que no especifican

ningún aminoácido; son codones de terminación, o de stop. Pueden

homologarse con señales de puntuación en el mensaje codificado en el

DNA.

Uno de los primeros indicios de la existencia de codones stop

provino del trabajo de Brenner con el fago T4 en 1965. Brenner analizó

ciertas mutaciones (m1-m6) en un gen único que controla las proteínas de la

cabeza del fago; y descubrió que las proteínas de cada mutante tenían una

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cadena polipeptídica más corta que la del tipo salvaje. Brenner examinó los

extremos de las proteínas acortadas y los comparó con la proteína salvaje.

Para cada mutante, registró el aminoácido siguiente al que debería haberse

insertado para continuar con la cadena salvaje. Los aminoácidos para las

seis mutaciones fueron glutamina, lisina, ácido glutámico, tirosina,

triptofano, y serina. Estos resultados no presentan de manera inmediata un

patrón obvio, pero Brenner dedujo brillantemente que ciertos codones de

cada uno de estos aminoácidos son similares. Específicamente, cada uno de

estos codones puede mutar a UAG por un cambio simple en un nucleótido

del DNA. Brenner postuló que UAG es un codón stop (terminación), una

señal de que la proteína está completa para el mecanismo de la traducción.

(Fin de página 329)

(Principio de página 330)

UAG fue el primer codón stop descifrado; y se denominó codón

ámbar. Los mutantes que son defectuosos debido a la presencia de un

codón ámbar anormal se denominan mutantes ámbar. Los otros dos

codones de parada son UGA y UAA. Por analogía con el codón ámbar, a

UGA se lo denominó codón ópalo y codón ocre a UAA. Los mutantes que

son defectuosos debido a la presencia de un codón anormal, ópalo u ocre,

se denominan mutantes ópalo y ocre, respectivamente. Los codones stop a

menudo se llaman codones sin sentido porque no designan a ningún

aminoácido.

Además de una proteína de la cabeza más corta, el fago mutante de

Brenner tenía otro rasgo interesante: la presencia de una mutación

supresora (su-) en el cromosoma del hospedador podría causar que el fago

desarrollase la proteína de la cabeza de tamaño normal (salvaje) a pesar de

llevar la mutación m. Se volverá a considerar a los codones stop y a sus

supresores después de haber tratado el proceso de la síntesis de proteínas.

20

9.4 tRNA: el adaptadorDespués de conocer que la secuencia de aminoácidos de una proteína está

determinada por los codones o tripletes de mRNA, los científicos

comenzaron a preguntarse cómo se lleva a cabo este proceso. Un primer

modelo, rápidamente descartado por ingenuo y

(Fin de la página 330)

(Principio de página 331)

poco probable, propuso que los codones del mRNA podrían plegarse y

formar 20 cavidades distintas que permitieran la unión del aminoácido

específico directamente y en el orden correcto. Sin embargo, en 1958 Crick

reconoció que:

Una hipótesis natural sería que el aminoácido sea transportado al

molde por una molécula adaptadora, y que el adaptador sea la pieza

que verdaderamente encaja en el RNA. En su forma más simple (esta

hipótesis) se podrían requerir veinte adaptadores, uno para cada

aminoácido.

Crick especuló acerca del adaptador proponiendo que “debería

contener nucleótidos que lo capaciten para unirse al molde de RNA por las

mismas reglas de apareamiento de bases que se descubrieron en el DNA”.

Más aún, “se requeriría una enzima para unir cada adaptador a su

aminoácido correspondiente”.

Ahora se sabe que la hipótesis de Crick del “adaptador” era en gran

parte correcta. Los aminoácidos están unidos al adaptador (recuerde que el

adaptador constituye una clase especial de RNA estable denominado RNA

de transferencia). Cada aminoácido se encuentra sujeto a un tRNA

21

específico, que los lleva al ribosoma, que es el complejo molecular que

enlazará los aminoácidos a los polipéptidos que están creciendo.

Traducción del codón por el tRNA

La estructura del tRNA encierra el secreto de la especificidad entre un

codón del mRNA y el aminoácido que designa. La molécula de una sola

cadena de tRNA tiene una estructura en forma de hoja de trébol que

consiste de cuatro tallos de doble hélice y de tres bucles de cadena simple

(Figura 9-7a). Al bucle del medio de cada tRNA se lo denomina bucle del

anticodón, porque lleva el triplete de nucleótidos denominado anticodón.

Esta secuencia es complementaria al codón que determina el aminoácido

transportado por el tRNA. El anticodón en el tRNA y el codón en el mRNA

se unen por especificidad de apareamiento de bases RNA a RNA. (De

nuevo, vemos el principio de complementariedad de ácidos nucleicos que

trabaja en este caso en la unión de dos RNA diferentes). Debido a que los

codones en el mRNA se leen en dirección 5’ -> 3’, los anticodones están

orientados y escritos en la dirección 3’ -> 5’, como muestra la Figura 9-7a.

La enzima aminoacil-tRNA sintetasa une los aminoácidos al tRNA,

y hay 20 de estas enzimas en la célula, una para cada uno de los 20

aminoácidos. Al tRNA con un aminoácido unido se lo denomina cargado.

Cada aminoácido tiene una sintetasa específica que lo une sólo a aquellos

tRNA que reconocen los codones del aminoácido particular. Para catalizar

esta reacción, la sintetasa tiene dos sitios de unión, uno para el aminoácido

y el otro para su correspondiente tRNA (Figura 9-8). El aminoácido se une

al extremo 3’ de su tRNA; en el las Figuras 9-7a y 9-8 se muestra el

ejemplo del aminoácido alanina.

La estructura “aplanada” de la hoja de trébol que se muestra en la

Figura 9-7a no es la conformación normal de las moléculas de tRNA; que

suele ser una forma de L plegada similar a la hoja de trébol, como se

22

muestra en la Figura 9-7b. La estructura tridimensional del tRNA fue

determinada utilizando cristalografía de rayos X. Desde la época en que se

empleó para deducir la estructura de doble hélice del DNA, esta técnica ha

ido perfeccionándose de manera que ahora se puede utilizar para

determinar la estructura de macromoléculas muy complejas como el

ribosoma. Aunque los tRNAs difieren en su secuencia primaria de

nucleótidos, todos ellos se pliegan prácticamente en la misma

conformación de L, excepto para diferencias en el bucle del anticodón y en

el extremo aminoacídico. Su estructura similar se puede observar

fácilmente en la Figura 9-9, que muestra a dos tRNA diferentes

superpuestos. La conservación de la estructura nos dice que la forma es

importante para la función que desempeña el tRNA.

¿Qué ocurriría si un aminoácido incorrecto se uniera covalentemente

al tRNA? Un experimento convincente respondió esta pregunta. El

experimento empleó el tRNA específico de cisteína, el cisteinil-tRNA

(tRNACys), “cargado” con cisteína, de manera que éste aminoácido fue

unido al tRNA. Al tRNA cargado

(Fin de página 331)

(inicio de página 332)

se lo trató con hidruro de níquel, que convierte la cisteína en otro

aminoácido, la alanina, sin que afecte al tRNACys al que aún se encuentra

ligado:

hidruro de níquel

cisteína-tRNACys alanina-tRNACys

La proteína sintetizada con este tRNA híbrido tenía alanina en los lugares

donde debería haber cisteína. El experimento demostró que el aminoácido

es “analfabeto”, se insertan en la posición adecuada debido a que el

23

“adaptador” del tRNA reconoce al codón e inserta su aminoácido

apropiadamente. Por lo tanto, la unión del aminoácido correcto a su tRNA

cognado es un paso crítico que asegura que la proteína sea sintetizada

correctamente. Si se une el aminoácido incorrecto, no hay manera de

prevenir que sea incorporado en la cadena de proteína que se está

sintetizando.

Revisión de la degeneración

Como puede observarse en la Figura 9-6, el número de codones de un solo

aminoácido varía, desde un codón (UGG para el triptofano) hasta seis

(UCC, UCU, UCA, UCG, AGC, o AGU para la serina). No está del todo

claro aún por qué el código genético tiene esta variación, pero hay dos

hechos a tener en cuenta:

1. La mayoría de los aminoácidos pueden ser llevados al ribosoma por

diversos tipos alternativos de tRNA. Cada tipo tiene un anticodón diferente

que se empareja con un codón distinto en el mRNA.

2. Ciertas especies de tRNA cargados pueden llevar sus aminoácidos

específicos a cualesquiera de varios codones relacionados. Estos tRNA

reconocen y se unen a varios codones alternativos, no sólo al que tiene la

secuencia complementaria, a través de una especie de emparejamiento

débil en el extremo 3’ del codón y el 5’ del anticodón. Este tipo de

apareamiento débil se denomina tambaleo.

El tambaleo es una situación en la que el tercer nucleótido del

anticodón (en el extremo 5’) puede formar dos alineamientos (Figura 9-10).

El tercer nucleótido puede formar puentes de hidrógeno tanto con su

nucleótido complementario normal de la tercera posición del codón como

con un nucleótido diferente en esta posición. Las “reglas del tambaleo”

24

(Fin de página 332)

(Principio de página 333)

dictan qué nucleótidos pueden o no pueden formar puentes de hidrógeno

con nucleótidos alternativos a través del tambaleo (Tabla 9-1). En la Tabla

9-1, la letra I simboliza inosina, una de las bases raras que suele

encontrarse en el anticodón del tRNA.

La Tabla 9-2 enumera todos los codones para la serina y muestra

cómo se pueden emparejar con tres tRNA diferentes (tRNASer1, tRNASer

2 y

tRNASer3). Algunos organismos poseen una especie adicional de tRNA, que

puede representarse con tRNASer4, que tiene un anticodón idéntico a uno de

los tres anticodones mostrados en la Tabla 9-2, pero difiere en su secuencia

de nucleótidos en otra parte de la molécula. Estos cuatro tRNA se

denominan tRNA isoaceptores, porque aceptan el mismo aminoácido a

pesar de que los transcriben diferentes genes de tRNA.

25

Mensaje: Se dice que el código genético es degenerado porque, en muchos

casos, más de un codón se asigna a un único aminoácido; además, distintos

codones pueden emparejarse con más de un anticodón (tambaleo).

9.5 Los RibosomasLa síntesis de proteínas tiene lugar cuando el tRNA y el mRNA se asocian

con los ribosomas. La tarea de los tRNA y de los ribosomas es traducir la

secuencia de codones del mRNA en la secuencia de aminoácidos de la

proteína. El término maquina biológica ya se ha empleado en los capítulos

precedentes para caracterizar complejos de subunidades múltiples que

realizan funciones celulares específicas. El replisoma, por ejemplo, es una

maquina biológica que puede replicar el DNA con precisión y velocidad. El

sitio de la síntesis de proteínas, el ribosoma, es una de las más grandes y

complejas máquinas que se han descrito hasta ahora. Se complejidad se

debe al hecho que tiene que realizar varios trabajos con precisión y

velocidad. Por esta razón, es mejor pensar en el ribosoma como una fábrica

con muchas máquinas que actúan concertadamente. Se verá ahora cómo

está organizada esta fábrica para realizar sus múltiples funciones.

En todos los organismos, el ribosoma está compuesto por dos

subunidades, una pequeña y una mayor, formadas por RNA (llamado RNA

ribosómico o rRNA) y proteínas. Cada subunidad está compuesta por uno

de tres tipos de rRNA y unas 50 proteínas. Las subunidades ribosómicas

estuvieron originalmente caracterizadas por su tasa de sedimentación

cuando se centrifugaban en una ultracentrífuga, así que sus nombres

derivan de su coeficiente de sedimentación en unidades de Svedberg (S),

que indican el tamaño molecular. En los procariotas, las subunidades

pequeña y grande se denominan 30S y 50S, respectivamente, y entre ellas

se asocian para formar una partícula de 70S (Figura 9-11a). Los homólogos

26

eucariotas se denominan 40S y 60S, y conforman el ribosoma de 80S

(Figura 9-11b). Aunque los ribosomas eucariotas son mayores debido a sus

componentes son mayores y más numerosos, los componentes y los pasos

en la síntesis de proteínas son muy similares en conjunto. Las similitudes

indican claramente que la traducción es un proceso antiguo que se originó

en un ancestro común de eucariotas y procariotas.

(Fin de página 333)

(Principio de página 334)

Cuando se estudiaron los ribosomas por primera vez, sorprendió el hecho

que las dos terceras partes de su masa fuera RNA y sólo la tercera parte

fuera proteína. Por décadas, se consideró que la función del rRNA era la de

servir de andamio o de marco adecuado necesario para el correcto

ensamblaje de las proteínas ribosómicas. Este papel parecía lógico porque

el rRNA se pliega por apareamiento de bases intramolecular en una

estructura secundaria estable (Figura 9-12). Según este modelo, las

proteínas ribosómicas eran las únicas responsables de realizar los pasos

importantes de la síntesis de proteínas. Este punto de vista ha cambiado con

el descubrimiento de los RNA catalíticos en los años 80 (véase capítulo 8).

Como se verá, los científicos ahora piensan que el rRNA, asistido por las

proteínas ribosómicas, lleva a cabo los pasos más importantes de la síntesis

de proteínas.

Características de los ribosomas

Los ribosomas se unen a los otros jugadores importantes en la síntesis de

proteínas, el tRNA y el mRNA, para traducir la secuencia de nucleótidos de

un mRNA a la secuencia de aminoácidos de una proteína. El tRNA y el

mRNA se sitúan en el ribosoma de manera que los codones del mRNA

pueden interactuar con los anticodones de los tRNA. Los sitios claves de

27

interacción se ilustran en la Figura 9-13. El sitio de unión para el mRNA

está completamente dentro de la subunidad menor, mientras que para el

tRNA hay tres sitios de unión. Cada tRNA unido hace de puente entre la

subunidad 30S y la 50S, con su extremo del anticodón en 30S, y su

extremo aminoacil (que lleva

(Fin de página 334)

(Principio de página 335)

el aminoácido) en 50S. En el sitio A (de aminoacil) se coloca un aminoacil-

tRNA entrante, cuyo anticodón se empareja con el codón que ya se

encuentra en el sitio A de la subunidad 30S. Conforme se avanza en la

dirección 5’ del mRNA, el siguiente codón interactúa con el anticodón del

tRNA del sitio P (por peptidil) de la subunidad 30S. El tRNA del sitio P

sujeta la cadena peptídica en crecimiento, parte de la cual se ajusta a una

estructura en forma de túnel de la subunidad 50S. El sitio E (de exit, salida

en inglés) contiene un tRNA desacilado (que ya no contiene aminoácido)

que está preparado para liberarse del ribosoma. Todavía no está del todo

claro si las interacciones codón-anticodón también tienen lugar entre el

mRNA y el tRNA en el sitio E.

Hay dos regiones adicionales en el ribosoma que son críticas para la

síntesis proteica. El centro decodificador de la unidad 30S asegura que

sólo los tRNAs que lleven el anticodón que aparea con el codón (llamado

tRNA cognado) sean aceptados en el sitio A. El tRNA cognado se asocia

con el centro peptidiltransferasa de la subunidad 50S donde se cataliza la

formación del enlace peptídico. Recientemente, muchos laboratorios,

especialmente el de Thomas Steitz, emplearon cristalografía de rayos X

para “resolver” a nivel atómico la estructura del ribosoma asociado a los

tRNAs. Los resultados de estos elegantes estudios muestran claramente que

ambos centros están compuestos completamente de regiones de rRNA; los

28

contactos importantes que se realizan en estos centros son los contactos

tRNA-rRNA. La formación del enlace peptídico se cree que está catalizada

por un centro activo del RNA ribosómico y que las proteínas solo lo

asisten. En otras palabras, la subunidad mayor del ribosoma actúa como

una gran ribozima que cataliza la formación del enlace peptídico.

¿Qué hacen los genetistas hoy en día?

Se han realizado estudios estructurales similares examinando la subunidad

mayor de los ribosomas formando complejos con distintos antibióticos.

Estos estudios revelaron el punto de contacto entre el antibiótico y el

ribosoma. Por ejemplo, los macrólidos son una familia de compuestos

estructuralmente similar que incluyen los populares antibióticos

eritromicina y Zitromax. Estos antibióticos inhiben la síntesis de proteínas

bloqueando el ribosoma sobre el mRNA. Parece que realizan esta tarea

bloqueando el túnel de salida desde donde emerge la cadena polipeptídica

naciente de la subunidad mayor (véase Figura 9-1). Curiosamente, la

bacteria patogénica que ha desarrollado resistencia a alguno de estos

antibióticos parece tener mutaciones en los ribosomas que hacen que el

túnel de salida sea mayor. Así, el conocimiento de cómo se unen los

antibióticos al ribosoma ayuda a los científicos a entender cómo trabaja el

ribosoma y cómo diseñar nuevos antibióticos que puedan ser activos

(Fin de página 335)

(Principio de página 336)

en contra de los mutantes resistentes. El procedimiento que utiliza la

información básica acerca de la máquina molecular para desarrollar nuevos

antibióticos y otras medicinas se denomina diseño de fármacos basados

en la estructura.

29

Iniciación, elongación y terminación de la traducción

El proceso de la traducción se puede dividir en tres fases: iniciación,

elongación y terminación. Dejando de lado al ribosoma, el mRNA y el

tRNA, se requieren proteínas adicionales para llevar a cabo de manera

exitosa cada fase. Debido a que ciertos pasos de la iniciación difieren

significativamente entre procariotas y eucariotas, se describe la iniciación

separadamente para cada grupo. Las fases de elongación y terminación se

describirán principalmente como sucede en bacterias, ya que en éstas se

han realizado muchos estudios recientes de la traducción.

Iniciación de la traducción La principal tarea de la iniciación es colocar el

primer aminoacil-tRNA en el sitio P del ribosoma y, de esta manera,

establecer el marco de lectura correcto del mRNA. En la mayoría de los

procariotas y en todos los eucariotas, el primer aminoácido de cualquier

proteína recién sintetizada es la metionina, especificado por el codón AUG.

No lo inserta el tRNAMet, si no un tRNA especial llamado iniciador, que se

simboliza como tRNAMeti. En las bacterias, se añade el grupo formil a la

metionina mientras el aminoácido se une al iniciador, formando N-

formilmetionina. (El grupo formil en la N-formilmetionina se elimina

después).

¿Cómo sabe la máquina de la traducción dónde debe comenzar? En

otras palabras, como se selecciona el sitio de iniciación AUG entre los

muchos codones AUG de una molécula de mRNA? Recuerde que, tanto en

procariotas como en eucariotas, el mRNA tiene un extremo 5’ que no se

traduce (5’-UTR), que consiste en una secuencia localizada entre el sitio de

iniciación de la transcripción y el sitio de inicio de la traducción. Como se

verá más adelante, la secuencia de nucleótidos del 5’-UTR adyacente al

iniciador AUG es crítica para la unión del ribosoma en los procariotas, pero

no así en los eucariotas.

30

La iniciación en los procariotas. Los codones de iniciación están

precedidos por unas secuencias especiales llamadas secuencias Shine-

Dalgarno, que aparean con el extremo 3’ de un rRNA, llamado rRNA 16S,

en la subunidad 30S del ribosoma. Este apareamiento posiciona de manera

correcta al codón iniciador en el sitio P donde se unirá el tRNA iniciador

(Figura 9-14). El mRNA puede aparear sólo con la subunidad 30S que se

encuentra disociada del resto del ribosoma. Observe de nuevo que el rRNA

juega un papel clave al asegurar que el ribosoma esté en el sitio correcto

para iniciar la traducción.

Se requieren tres proteínas, IF1, IF2 y IF3 (por factor de iniciación,

en inglés initiation factor) para la iniciación correcta (Figura 9-15). La IF3

es necesaria para mantener disociada a la subunidad 30S de la subunidad

50S, mientras que la IF1 y IF2 actúan asegurando que sólo el tRNA

iniciador constituya el complejo de iniciación. El ribosoma completo 70S

se forma por la asociación de la subunidad grande 50S con el complejo de

iniciación y la liberación de los factores de iniciación.

Debido a que los procariotas carecen de compartimento nuclear que

separa la transcripción de la traducción, el complejo de iniciación es capaz

de formarse en la secuencia Shine-Dalgarno cercano al extremo 5’ del

RNA que aún se está transcribiendo. Así, la traducción puede comenzar en

el RNA procariota antes que se complete la transcripción.

La iniciación en los eucariotas. La transcripción y la traducción tienen

lugar en compartimentos separados de las células eucariotas. Como se

discutió en el Capítulo 8, el mRNA eucariótico se transcribe y se procesa

en el núcleo antes de exportarse al citoplasma para la traducción.

(Fin de página 336)

(Principio de página 337)

31

Al llegar al citoplasma, el mRNA está cubierto generalmente por proteínas,

y algunas regiones pueden formar dobles hélices debido al apareamiento

intramolecular de bases. Estas regiones de estructura secundaria deben

eliminarse para exponer al codón iniciador AUG. La eliminación la

realizan los factores de iniciación eucarióticos llamados eIF4A, B y G, que

se asocian con la caperuza del extremo 5’ que se encuentra en la mayoría

de los mRNA eucarióticos, con la subunidad 40S y con el tRNA iniciador

para formar el complejo de iniciación. Una vez en su lugar, el complejo se

mueve en la dirección 5’ a 3’ y se desenrollan las regiones de las bases

apareadas (Figura 9-16). Al mismo tiempo,

(Fin de página 337)

(Principio de página 338)

se explora a la secuencia expuesta en busca de un codón AUG donde la

traducción pueda comenzar. Después que el codón se encuentra

correctamente alineado con el tRNA iniciador, el complejo de iniciación se

une a la subunidad 60S para formar el ribosoma. Como en los procariotas,

los factores de iniciación eucarióticos se disocian del ribosoma antes que se

inicie la fase de la elongación.

Elongación Durante el proceso de la elongación es cuando el ribosoma

más se asemeja a una fábrica. El mRNA actúa como un maestro de obras,

especificando el sitio de entrega del tRNA cognado, cada uno con su

aminoácido cargado. Cada aminoácido se añade a la cadena polipeptídica

creciente mientras que el tRNA desacilado se recicla por la adición de otro

aminoácido. La Figura 9-17 nuestra en detalle los pasos de la elongación.

Dos factores proteicos llamados factores de elongación TU (EF-TU) y

factor de elongación G (EF-G) asisten el proceso de la elongación.

32

Como se ha descrito anteriormente en este capítulo, un aminoacil-

tRNA se forma por unión covalente de un aminoácido del extremo 3’ de un

tRNA que contiene el correspondiente anticodón. Antes que los aminoacil-

tRNAs puedan emplearse en la síntesis de proteínas, deben asociarse al

factor proteico EF-TU para formar un complejo ternario compuesto por el

tRNA, el aminoácido y el EF-TU. El ciclo de elongación comienza con un

tRNA iniciador y su aminoácido unido, la metionina, en el sitio P y con el

sitio A listo para aceptar al complejo ternario (véase la Figura 9-17). El

reconocimiento del codón-anticodón en el centro decodificador la

subunidad pequeña determina cuál de los 20 complejos ternarios diferentes

se acepta

(Fin de página 338)

(Principio de página 339)

(véase la Figura 9-13b). Cuando se realiza el ajuste correcto, cambia la

forma del ribosoma, el EF-TU abandona el complejo ternario y los dos

extremos aminoacil se yuxtaponen en el centro peptidiltransferasa de la

subunidad mayor (véase la Figura 9-13b). Allí, se forma un enlace

peptídico con la transferencia de la metionina del sitio P al aminoácido del

sitio A. En este punto, el segundo factor proteico, EF-G, juega su papel. El

factor EF-G encaja en el sitio A, y su entrada en este sitio desplaza el tRNA

de los sitios A y P a los sitios P y E, respectivamente, y mueve el mRNA a

través del ribosoma de manera que el siguiente codón se posiciona en el

sitio A (véase la Figura 9-17). Cuando el EF-G deja el ribosoma, el sitio A

se encuentra abierto para aceptar al siguiente complejo ternario.

En los ciclos sucesivos, el sitio A se rellena con un nuevo complejo

ternario a medida que el tRNA desacilado deja al sitio E. A medida que la

elongación progresa, se incrementa el número de aminoácidos del peptidil-

33

tRNA (en el sitio P). Al final, el extremo amino terminal del polipéptido

creciente emerge del túnel de la subunidad 50S y sale del ribosoma.

Terminación El ciclo continúa hasta que el codón del sitio A es uno de los

tres codones stop: UGA, UAA o UAG. Recuerde que no hay ningún tRNA

que reconozca a estos codones. Sin embargo, unas proteínas llamadas

factores de liberación (RF1, RF2 y RF3 en las bacterias) reconocen los

codones stop (Figura 9-18). En las bacterias, el RF1 reconoce a los codones

UAA o UAG, mientras que RF2 reconoce a UAA o UGA; y ambos son

asistidos por RF3. La interacción entre los factores de liberación 1 y 2 y el

sitio A difiere de la que tiene con el complejo ternario en dos formas

importantes. La primera, es que las proteínas RF reconocen a los codones

stop, y no lo reconoce un anticodón. La segunda, es que los factores de

liberación encajan en el sitio A de la subunidad 30S, pero no participan en

la formación del enlace peptídico. Sin embargo, dentro del centro

polipeptidiltransferasa entra una molécula de agua, y su presencia lleva a la

liberación del polipéptido del tRNA del sitio P. Las subunidades

ribosomales se separan, y la subunidad 30S está lista para formar un nuevo

complejo de iniciación.

Mensaje: La traducción se lleva a cabo en ribosomas que se desplazan a lo

largo del mRNA en dirección 5’ -> 3’. Un conjunto de moléculas de tRNA

llevan los aminoácidos a los ribosomas, y sus anticodones se unen al

mRNA expuesto en el ribosoma. El aminoácido entrante se une

covalentemente al extremo amino de la cadena polipeptídica creciente en el

ribosoma.

Mutaciones supresoras sin sentido

34

Es interesante considerar ahora los supresores de las mutaciones sin

sentido definidas por Brenner y sus colaboradores. Recuerde que las

mutaciones en el fago llamadas ámbar reemplazaban a los codones salvajes

con codones stop, pero las mutaciones supresoras en el hospedador

contrarrestaban los efectos de la mutación ámbar. Podemos ahora decir más

específicamente dónde se localiza la mutación supresora y cómo trabaja.

Muchos de estos supresores son mutaciones en los genes que codifican los

tRNA de manera que un tRNA se vuelve capaz de reconocer un codón stop

en el mRNA. Así, un aminoácido se inserta en respuesta al codón stop y la

traducción continúa pasando ese triplete. En la Figura 9-19, la mutación

ámbar reemplaza al codón salvaje con el codón sin sentido UAG de

terminación de la cadena. Por si mismo, el codón UAG podría causar que la

proteína terminara prematuramente en su posición. La mutación supresora

en este caso produce un tRNATyr con un anticodón que reconoce al codón

stop mutante UAG. El mutante suprimido contiene tirosina en esa posición

de la proteína.

¿Podría el tRNA producido por una mutación supresora también

unirse a las señales de terminación normales de los extremos de las

proteínas? ¿Podría la presencia de una mutación supresora prevenir así la

terminación normal de las proteínas? Muchas señales de terminación

naturales constan

(Fin de la página 339)

(Principio de la página 340)

de dos señales de terminación consecutivas. Por la competencia con los

factores de liberación, la probabilidad de supresión en dos codones

consecutivos es pequeña. Como consecuencia, muy pocas copias proteicas

llevan muchos aminoácidos que resultan de la traducción que va más allá

del codón stop natural.

35

9.3 El proteomaEl Capítulo 8 comenzó con una discusión del número de genes en el

genoma humano y cómo ese número (cercano a 25 000) es mucho menor al

número de proteínas en una célula humana (más de 100 000). Ahora que

está familiarizado con la forma en que la información que está codificada

en el DNA se transcribe a RNA y cómo el RNA se traduce a proteínas, es

un buen momento para revisar este tema y mirar de una manera más

cercana a la fuente de la diversificación de las proteínas. Primero, se

revisará unos viejos términos y se añadirán unos más que serán útiles en la

discusión. Ya conoce que el genoma el es conjunto completo de material

genético en un complemento cromosómico. También verá en el Capítulo 13

que el transcriptoma es la colección completa de secuencias transcritas del

genoma (incluyendo los mRNA y los ncRNA). Otro término es el

proteoma, que fue brevemente introducido en el Capítulo 8, pero que aquí

se define como el conjunto completo de las proteínas que se pueden

expresar por el material genético de un organismo. En el resto del capítulo,

verá cómo el proteoma está enriquecido por dos procesos celulares: el

empalme alternativo del pre-mRNA y la modificación postraduccional de

las proteínas.

El empalme alternativo genera isoformas proteicas

Recuerde que el empalme alternativo del pre-mRNA permite que un gen

codifique más de una proteína. Las proteínas están formadas por dominios

funcionales que a menudo se codifican en diferentes exones. Así, el

empalme alternativo de un pre-mRNA puede llevar a la síntesis de

múltiples proteínas (llamadas isoformas) con diferentes combinaciones de

dominios funcionales. Este concepto viene ilustrado por FGFR2, un gen

humano que codifica el receptor al que se unen a los factores de

36

crecimiento del fibroblasto y entonces transduce una señal dentro de la

célula (Figura 9-20). La proteína FGFR2 está formada por diversos

dominios que incluyen un dominio extracelular de unión a ligando. El

empalme alternativo produce dos isoformas que difieren en sus dominios

extracelulares. Debido a estas diferencias, cada isoforma se une a diferentes

factores de crecimiento. Para muchos genes que son empalmados

alternativamente, existen distintas isoformas en diferentes tejidos.

Eventos postraduccionales

Cuando se liberan del ribosoma la mayoría de las proteínas recién

sintetizadas son incapaces de funcionar. Este hecho puede ser sorprendente

para los que creen que la secuencia de proteínas codificada en el DNA y

sus transcritos

(Fin de página 340)

(Inicio de página 341)

son lo único necesario para explicar cómo trabajan los organismos. Como

verá en esta sección y en los siguientes capítulos de este libro, la secuencia

del DNA es sólo una parte de la historia. En este caso, todas las proteínas

recién sintetizadas necesitan plegarse correctamente y los aminoácidos de

algunas proteínas necesitan ser modificados químicamente. Debido a que el

plegamiento proteico y la modificación tienen lugar después de la síntesis

de la proteína, se denominan sucesos postraduccionales.

El plegamiento de la proteína dentro de la célula. El suceso

postraduccional más importante es el plegamiento de la proteína recién

sintetizada en su forma tridimensional correcta. Una proteína que se pliega

correctamente adopta su conformación nativa, en contraste con una

proteína que no está plegada o que lo hace de manera incorrecta que se

37

denomina no nativa. Como se ha visto al principio del capítulo, las

proteínas presentan una extraordinaria variedad de estructuras. Las distintas

estructuras de las proteínas son esenciales para su actividad enzimática,

para su capacidad de unirse al DNA, o para cumplir con sus funciones en la

célula. Aunque desde 1950 se conocía que la estructura tridimensional de

las proteínas está determinada por su secuencia de aminoácidos, también se

conocía que el ambiente acuoso dentro de la célula no favorece el

plegamiento correcto de la mayoría de las proteínas. Dado que las proteínas

se encuentran en la célula plegadas de forma correcta, ha habido una

pregunta que permaneció sin respuesta durante largo tiempo, y es ¿cómo se

pliega de manera correcta la proteína?

Parece ser que las proteínas nacientes se pliegan correctamente con

ayuda de las chaperonas, una clase de proteínas descubiertas en todos los

organismos desde bacterias hasta plantas y humanos. Una familia de

chaperonas, llamadas las chaperoninas GroE, forman un gran complejo de

múltiples subunidades llamado la máquinas de plegamiento chaperoninas.

Aunque aún se desconoce el mecanismo preciso, se cree que las proteínas

recién sintetizadas, que se encuentran sin plegar, entran en una cámara en

la máquina de plegamiento que proporciona un microambiente

eléctricamente neutro dentro del cual las proteínas pueden adoptar su

conformación nativa.

(Fin de página 341)

(Principio de página 342)

Modificación postraduccional de las cadenas laterales de los

aminoácidos

Las proteínas son polímeros formados por cualquiera de los 20 tipos

diferentes de aminoácidos. Sin embargo, el análisis bioquímico de muchas

proteínas reveló que existe una variedad de moléculas que pueden

38

enlazarse covalentemente a las cadenas laterales de aminoácidos. Se

conocen más de 300 modificaciones postraduccionales de las cadenas

laterales de aminoácidos. Seguidamente se analizarán dos de las

modificaciones más comunes, la fosforilación y la ubiquitinización.

La fosforilación: Las enzimas llamadas quinasas unen grupos fosfato a los

grupos hidroxilo de los aminoácidos serina, treonina y tirosina, mientras

que las enzimas llamadas fosfatasas eliminan los grupos fosfato. La adición

y extracción de estos grupos cargados negativamente, por lo general,

cambia la conformación de las proteínas y funcionan como un interruptor

reversible para controlar una variedad de sucesos celulares que incluyen la

actividad enzimática, las interacciones entre proteínas y las interacciones

de las proteínas con el DNA (Figura 9-21).

Una medida de la importancia de la fosforilación de las proteínas es

el número de genes que codifican actividad quinasa en el genoma. Aún en

un organismo tan simple como la levadura hay cientos de genes quinasa,

mientras que la planta Arabidopsis thaliana tiene más de 1000. Otra

medida del significado de la fosforilación proteica es que la mayoría de las

interacciones entre proteínas que tienen lugar en una célula típica están

reguladas por la fosforilación. Los análisis recientes de las interacciones

entre proteínas del proteoma indican que la mayoría de las proteínas

funcionan interactuando con otras proteínas. El interactoma es el nombre

que se le da al conjunto completo de interacciones entre proteínas. Una

forma de de visualizar la red de interacciones proteína-proteína se muestra

en la Figura 9-22. Como puede verse, el interactoma del gusano C. elegans

está compuesto de cientos, quizás miles, de interacciones entre proteínas.

Sin embargo, el número de interacciones representadas en la Figura 9-22

constituye sólo una minúscula fracción de las interacciones que tienen

lugar

39

(Fin de página 342)

(Principio de página 343)

en todas las células de todos los organismos. ¿Cuál es el significado

biológico de estas interacciones? En este capítulo y en los anteriores, se ha

visto que las interacciones entre proteínas son esenciales en el

funcionamiento de las grandes máquinas biológicas como son el replisoma,

el empalmosoma y el ribosoma.

Ubiquitinación: Sorprendentemente, una de las modificaciones

postraduccionales más comunes no es tan simple como la adición de un

grupo fosfato. En cambio no es tan sutil el proceso de ubiquitinación, que

consiste en la adición de cadenas de múltiples copias de una proteína

llamada ubiquitina en el ε-amino de los residuos de lisina de una proteína,

para así marcar la proteína para que sea degradada por una proteasa

llamada 26S proteosoma (Figura 9-23). La ubiquitina contiene 76

aminoácidos, se encuentra sólo en los eucariotas, y está sumamente

conservada entre plantas y animales. Existen dos clases de proteínas que la

ubiquitinación marca para su destrucción: las proteínas de vida corta, como

los reguladores del ciclo celular, y las proteínas que están dañadas o

mutadas.

Destino de las proteínas En los eucariotas, todas las proteínas se sintetizan

en los ribosomas del citoplasma. Sin embargo, algunas de estas proteínas

terminarán en el núcleo, otras en la mitocondria y algunas otras serán

ancladas en la membrana o secretadas fuera de la célula. ¿Cómo “saben”

estas proteínas a donde deben ir? La respuesta a este problema

aparentemente complejo es ahora bastante simple: una proteína recién

sintetizada contiene secuencias cortas que dirigen a las proteínas al lugar

40

correcto o al compartimiento celular que le corresponde. Por ejemplo, una

proteína de membrana recién sintetizada o una proteína destinada a un

orgánulo tienen en su extremo amino terminal un péptido corto que le

dirige, denominado secuencia señal. Para las proteínas de membrana, este

grupo de 15 a 25 aminoácidos dirige las proteínas hacia los canales de la

membrana del retículo endoplasmático, donde una peptidasa escinde la

secuencia señal (Figura 9-24). Desde el retículo endoplasmático, la proteína

se dirige a su destino final. Existe un fenómeno similar para ciertas

proteínas bacterianas que se secretan.

Las proteínas destinadas al núcleo incluyen a las polimerasas de

RNA y de DNA, y a los factores de transcripción discutidos en los

Capítulos 7 y 8. Las secuencias de aminoácidos incrustadas en el interior de

las proteínas que rodean al núcleo son necesarias para el transporte de las

proteínas desde el citoplasma hacia el núcleo. Las proteínas receptoras

citoplasmáticas reconocen a las secuencias de localización nuclear (NLS,

del inglés, nuclear localization sequences), y transportan la proteína recién

sintetizada a través de los poros nucleares, que se encuentran en la

membrana. Estos poros permiten que las moléculas grandes atraviesen la

membrana tanto hacia adentro como hacia fuera. Una proteína que

normalmente no se encuentra en el núcleo será transportada a su interior si

se le añade una NLS.

¿Por qué se escinden las secuencias señales mientras llegan a su

destino, mientras que una NLS, localizada en el interior de la proteína,

permanece después que la proteína ya haya entrado en el núcleo? Una

posible explicación sería que, en la desintegración nuclear que acompaña a

la mitosis (véase el Capítulo 2), las proteínas localizadas en el núcleo

podrían encontrarse en el citoplasma, y si contienen un NLS, podrían luego

recolocarse en el núcleo de una célula hija cuando acabe la mitosis.

41

Mensaje: La mayoría de las proteínas eucarióticas son inactivas a menos

que sean modificadas después de la traducción. Algunos eventos

postraduccionales, como la fosforilación o la ubiquitinación, modifican a

los grupos de las cadenas laterales de aminoácidos, promoviendo su

activación o degradación, respectivamente. Otros mecanismos

postraduccionales reconocen señales de aminoácidos en una secuencia

proteica y dirigen a las proteínas a los lugares sonde se requiere su

actividad dentro o fuera de la célula.

ResumenEste capítulo ha tratado de la traducción de la información codificada en la

secuencia de nucleótidos de un mRNA a la secuencia de aminoácidos de

una proteína. Nuestras proteínas, más que otras macromoléculas,

determinan lo que somos o no somos. Son las enzimas responsables del

metabolismo celular, incluyendo la síntesis de DNA y RNA, y son los

factores de regulación requeridos para la expresión del programa genético.

La versatilidad de las proteínas como moléculas biológicas se manifiesta en

la diversidad de formas que pueden adoptar. Más aún, aún después de ser

sintetizadas, pueden modificarse en una variedad de formas por la adición

de moléculas que pueden alterar su función.

Dado el papel central de las proteínas en la vida, no es sorprendente

que el código genético y la maquinaria de traducción se encuentre

sumamente conservada desde las bacterias hasta los humanos. Los

principales componentes de la traducción son tres clases de RNA: tRNA,

mRNA y rRNA. La exactitud de la traducción depende del ligamiento

enzimático de un aminoácido con su tRNA cognado, generando una

molécula de tRNA cargada. Como adaptadores, los tRNA son moléculas

clave en la traducción. Por el contrario, el enorme ribosoma es la fábrica,

42

donde se encuentran el mRNA, los tRNA cargados y los otros factores

proteicos para la síntesis de las proteínas.

La decisión clave en la traducción es dónde se inicia ésta. En los

procariotas, el complejo de iniciación se ensambla sobre el mRNA en la

secuencia de Shine-Dalgarno, ubicada precisamente aguas arriba del codón

de iniciación AUG. El complejo de iniciación en los eucariotas se ensambla

a la caperuza del extremo 5’ del mRNA y se mueve en dirección 3’ hasta

que se reconoce el codón de iniciación. La fase más larga de la traducción

es el ciclo de elongación; en esta fase, el ribosoma se desplaza a lo largo

del mRNA, dejando ver el siguiente codón que interactuará con su tRNA

cognado y cargado de manera que el aminoácido cargado en el tRNA

pueda ser añadido a la cadena polipeptídica creciente. Este ciclo continúa

hasta que se encuentra un codón stop. Los factores de liberación facilitan la

terminación de la traducción.

Hace unos pocos años que nuevas técnicas de imagen han revelado

las interacciones del ribosoma a nivel atómico. Con estos nuevos “ojos”, se

sabe ahora que el ribosoma es una máquina increíblemente dinámica que

cambia la forma en respuesta a los contactos realizados con los tRNAs y

con las proteínas. Más aún, las imágenes de resolución atómica revelaron

que el RNA ribosómico, y no las proteínas ribosómicas, está íntimamente

relacionado con los centros funcionales del ribosoma.

El proteoma es el conjunto completo de proteínas que puede

expresarse a partir del material genético de un organismo. Mientras que un

eucariota multicelular típico tiene cerca de 20 000 genes, el proteoma típico

es probablemente de 10 a 50 veces mayor. Esta diferencia es, en parte, el

resultado de las modificaciones postraduccionales como la fosforilación y

la ubiquitinación, que influyen sobre la actividad y estabilidad de las

proteínas.

43

Términos clavesaminoácido (página 322)

aminoacyl-tRNA sintetasa (página 331)

anticodón (página 331)

centro decodificador (página 335)

centro peptidiltransferasa (página 335)

código degenerado (página 328) codón (página 325)

colinealidad (página 325)

diseño de fármacos basados en la estructura (página 336)

dominio (página 324)

estructura cuaternaria (página 322)

estructura primaria (página 322)

estructura secundaria (página 322)

estructura terciaria (página 322)

extremo amino (página 322)

extremo carboxilo (página 322)

factor de iniciación (página 336)

factor de liberación, (RF) (página 339)

iniciador (página 336)

interactoma (página 342)

isoforma (página 340)

polipéptido (página 322)

proteína fibrosa (página 322)

proteína globular (página 322)

proteoma (página 340) ribosoma (página 321)

RNA de transferencia (tRNA) (página 321)

RNA ribosómico (rRNA) (página 321)

44

secuencia de localización nuclear, NLS (página 343)

secuencia de Shine-Dalgarno (página 336)

secuencia señal (página 343)

sitio A (página 335)

sitio activo (página 324)

sitio E (página 335)

sitio P (página 335)

subunidad (página 322)

tambaleo (página 332)

triplete (página 325)

tRNA cargado (página 331)

tRNA isoaceptor (página 333)

ubiquitina (página 343)

ubiquitinización (página 343)

45

PROBLEMAS RESUELTOS:

1. Utilizando el diccionario de codones de la Figura 9-6, indique cómo se

vería afectada la traducción por la adición de una adenina al principio de la

siguiente secuencia:

A

-CGA-UCG-GAA-CCA-CGU-GAU-AAG-CAU-

-Arg - Ser - Glu – Pro – Arg – Asp – Lys - His-

Solución

Con la adición de una A al principio de la secuencia, el marco de lectura se

desplaza y los aminoácidos especificados por la secuencia cambian, como

se muestra aquí. (Observe que aparecen dos codones sin sentido, que

provocan la terminación de la cadena).

-ACG-AUG-GCA-ACC-ACG-UGA-UAA-GCA

- Thr – Ile – Gly - Thr – Thr – Stop -Stop

2. La inserción de un solo nucleótido seguida de la deleción de un solo

nucleótido a unos 20 nucleótidos de distancia en el DNA provoca cambios

en la secuencia proteica de:

—His—Thr—Glu—Asp—Trp—Leu—His—Gln—Asp—

a

—His—Asp—Arg—Gly—Leu—Ala—Thr—Ser—Asp—

¿Qué nucleótido se ha insertado y cuál se ha delecionado? ¿Cuáles serían

las secuencias del mRNA original y las del nuevo mRNA? (Pista: consulte

la Figura 9-6).

46

Solución

A partir de la secuencia proteica original podemos inferir la secuencia del

mRNA (con las consiguientes ambigüedades del código degenerado):

—His—Thr—Glu—Asp—Trp—Leu—His—Gln—Asp—

—CAU/C—ACC/U/A/G—GA/G—GAU/C—UGG—CUC/U/A/G/UUA/G

—CAU/C—CAA/G—GAU/C—

Debido a que la inserción de un solo nucleótido provoca el cambio de la

secuencia proteica a partir del primer aminoácido (His), se puede inferir

que el codón que cifra Thr debe haber cambiado a un codón que cifra Asp.

Este cambio debe haberse producido por la adición de una G justo delante

del codón que cifra treonina (señalada con un recuadro), provocando un

desplazamiento del marco de lectura, como se indica a continuación:

CAU/C— GAC—C/U/A/G/GA—A/GGA—U/CUG—GC/UU—

C/U/A/G/C—U/CCA—GAU/C—

-G/A

—His—Asp—Arg—Gly—Leu—Ala—Thr—Ser—Asp—

Además, debe haberse producido una deleción de una A o una G en la

última posición del penúltimo codón original (indicado con una flecha),

para explicar que el último codón vuelva a cifrar Asp. A partir de la

secuencia original de la proteína se puede inferir la secuencia del mRNA,

aunque con varias ambigüedades. Sin embargo, la secuencia de la proteína

resultante del desplazamiento del marco de lectura permite resolver la

47

mayoría de estas ambigüedades. Los nucleótidos que deben aparecer en la

secuencia original en estas posiciones están señalados con un círculo. Sólo

en algunos casos se mantiene la ambigüedad.

PROBLEMAS BÁSICOS

1.a. Empleando la tabla de equivalencia de codones de la Figura 9-26 y

complete la siguiente tabla. Suponga que la lectura se realiza de izquierda a

derecha y que las columnas representan los alineamientos de la

transcripción y de la traducción.

C Doble hélice de DNA

T G A

C A U Transcrito de mRNA

G C A Anticodón apropiado del tRNA

Trp Aminoácido incorporado a la

proteína

1.b. Marque los extremos 5’ y 3’ del DNA y el RNA, así como los

extremos amino y carboxilo de la proteína.

2. Considere el siguiente segmento de DNA:

5’ GCTTCCCAA 3’

3’ CGAAGGGTT 5’

Suponga que la cadena superior es el molde empleado por la RNA

polimerasa.

a. Escriba el RNA transcrito.

48

b. Marque los extremos 5’ y 3’.

c. Escriba la cadena de aminoácidos correspondiente.

d. Marque los extremos amino y carboxilo terminal.

3. Un suceso mutacional inserta un par de nucleótidos extra en el DNA.

¿Cuál de los siguientes resultados se esperaría?

1. No se produce ninguna proteína; 2. Se produce una proteína con un

aminoácido cambiado; 3. Se produce una proteína con tres aminoácidos

cambiados; 4. Se produce una proteína con dos aminoácidos cambiados; 5.

Se produce una proteína en la que la mayoría de los aminoácidos después

del sitio de inserción están cambiados.

4. Antes de que se conociera la verdadera naturaleza del proceso de

codificación genética, se propuso que el mensaje podría leerse en tripletes

solapados. Por ejemplo, la secuencia GCAUC podría leerse como GCA

CAU AUC:

G C A U C

Diseñe un experimento que le permita poner a prueba esta idea.

5. En un sistema de síntesis in vitro de proteínas, la adición de un mRNA

humano específico al aparato de traducción de E. coli (ribosomas, tRNA,

etc) estimula la síntesis de una proteína muy parecida a la cifrada en dicho

mRNA. ¿Qué quiere decir este resultado?

6. ¿Qué anticodón predeciría para una molécula de tRNA portadora de

isoleucina? ¿Existe más de una respuesta correcta? Si fuera así, indique las

49

diferentes respuestas posibles.

7. a. ¿En cuántos casos del código genético sería incapaz de precisar el

aminoácido especificado por un codón si sólo supiera los dos primeros

nucleótidos del codón?

b. ¿En cuántos casos sería incapaz de averiguar los dos primeros

nucleótidos de un codón si conociera el aminoácido que determina?

8. Deduzca cuáles pudieron ser los seis codones originales mutados en las

cepas de Brenner que le permitieron inferir la naturaleza del codón ámbar

UAG.

9. Si un polinucleótido está compuesto por cantidades iguales de las bases

adenina y uracilo, dispuestas al azar, ¿qué proporción de sus tripletes

determinarán: (a) fenilalanina? (b) isoleucina? (c) leucina? (d) tirosina?

10. Se han sintetizado tres RNA mensajeros distintos, combinando al azar

las bases en las proporciones siguientes: (a) 1U:5C, (b) 1A:1C:4U, (c)

1A:1C:1G:1U. Indique la identidad y proporciones de los aminoácidos que

se incorporarían a las proteínas sintetizadas in vitro al añadir por separado

cada uno de estos mRNA. (Consulte la Figura 9-6).

11. En el hongo Neurospora, se obtuvieron algunos mutantes que carecían

de actividad para una cierta enzima. Se descubrió por cartografía que las

mutaciones podrían estar en cualquiera de dos genes que no están ligados.

Escriba una explicación posible referida a la estructura cuaternaria de las

proteínas.

12. Se descubre un mutante que carece de todas las funciones detectables

50

para una enzima específica. Si tiene un anticuerpo marcado que detecta esta

proteína en una transferencia por Western (véase Capítulo 1). ¿Esperaría

detectar con el anticuerpo alguna proteína en el mutante? Explique.

13. En la transferencia por Western (véase Capítulo 1), la enzima

triptofano-sintetasa, generalmente muestra dos bandas de diferente

movilidad en el gel. Algunos mutantes que no presentan actividad

enzimática, mostraron exactamente el mismo patrón de bandas que el tipo

salvaje. Otros mutantes sin actividad, sólo mostraron la banda lenta; y

otros, mostraron sólo la banda rápida.

a. Explique los diferentes tipos de mutantes respecto a la estructura de

proteínas.

b. ¿Por qué piensa que no hubo mutantes que no mostraban ninguna banda?

14. En el experimento de Crick y Brenner descrito en este capítulo, tres

“inserciones” o tres “deleciones” restauraban el marco de lectura normal y

la deducción fue que el código se leía en grupos de tres. ¿Está probada esta

deducción a partir de los experimentos? ¿Un codón podría estar compuesto

por seis bases, por ejemplo?

15. Un mutante no tiene actividad para la enzima isocitrato-liasa. ¿Este

resultado prueba que la mutación está en el gen que codifica esta enzima?

16. Un supresor sin sentido corrige un mutante que no crece a un estado

que es casi, pero no exactamente, salvaje (su crecimiento es anormal).

Sugiera una razón posible por la que la reversión no es una corrección

completa.

17. En los genes bacterianos, tan pronto como se produce un transcrito

51

parcial de mRNA por el sistema de la RNA polimerasa, el ribosoma salta e

inicia la traducción. Esquematice un diagrama de este proceso,

identificando los extremos 5’ y 3’ del mRNA, los extremos amino y

carboxilo de la proteína, la RNA polimerasa y al menos un ribosoma. (¿Por

qué no podría funcionar este sistema en los eucariotas?).

18. En un haploide, un supresor sin sentido su1 actúa sobre la mutación 1

pero no lo hace sobre la mutación 2 ó 3 del gen P. su2, un supresor sin

sentido y no ligado funciona en la mutación 2 de P pero no en la 1 ni en la

3. Explique el patrón de supresión teniendo en cuenta la naturaleza de la

mutación y de los supresores.

19. Se han desarrollado sistemas de traducción in vitro en los que se

pueden añadir moléculas específicas de RNA al tubo de ensayo que

contiene material celular bacteriano, que incluye todos los componentes

necesarios para la traducción (ribosomas, tRNAs, aminoácidos). Si se

añade un aminoácido marcado radiactivamente, cualquier proteína

traducida será detectada y observada en un gel. Si se añade un mRNA

eucariota al tubo de ensayo, ¿se produciría una proteína radiactiva?

Explique.

20. En un sistema de traducción eucariota (que contiene un extracto celular

de unas células eucarióticas) comparable con el del problema 19, ¿se podría

producir una proteína a partir de mRNA bacteriano? Si no, ¿por qué no?

21. Un sistema de traducción quimérico que contiene la subunidad mayor

del ribosoma de E. coli y la subunidad menor de las levaduras (un eucariota

unicelular) ¿podría se capaz de funcionar sintetizando una proteína?

Explique por qué si o por qué no.

52

22. Las mutaciones que cambian un único aminoácido en el sitio activo de

una enzima dar lugar a la síntesis de una enzima inactiva en cantidades

iguales que la salvaje. ¿En qué otras regiones de la proteína se podría

cambiar un aminoácido y obtenerse el mismo resultado?

23. ¿Qué evidencias soportan la visión de que el rRNA es el componente

más importante del ribosoma, más que las proteínas ribosómicas?

24. Explique por qué los antibióticos, como la eritromicina y el Zytromax,

que se unen a la subunidad mayor del ribosoma, no nos causa daño.

25. ¿Por qué los organismos multicelulares necesitan tener cientos de genes

que codifican para quinasas?

26. Nuestro sistema inmune produce muchas proteínas diferentes que nos

protegen de las infecciones bacterianas y virales. Las compañías de

Biotecnología deben producir grandes cantidades de esas proteínas

inmunológicas para ensayos humanos y para venderlas finalmente a la

población. Con este fin, sus científicos diseñan cultivos celulares

bacterianos o humanos para expresar estas proteínas inmunes. Explique por

qué las proteínas aisladas de cultivos bacterianos a menudo son inactivas,

mientras que las mismas proteínas aisladas de cultivos celulares humanos

son activas (funcionales)?

PROBLEMAS PARA PENSAR

27. La inserción de un solo nucleótido y la deleción de otro nucleótido a 15

nucleótidos de distancia en el DNA provoca el siguiente cambio en la

53

secuencia proteica

Lys—Ser—Pro—Ser—Leu—Asn—Ala—Ala—Lys—

a

—Lys—Val—His—His—Leu—Met—Ala—Ala—Lys

a. ¿Cúales serían las secuencias del mRNA original y del nuevo mRNA?

(Utilice la Figura 9-6).

b. ¿Qué nucleótido se ha insertado y cuál se ha delecionado?

(El Problema 27 se ha tomado de W.D. Stansfield, Theory and Problems of

Genetics. McGraw-Hill, 1969.)

28. Suponga que está estudiando un gen de E. coli que determina cierta

proteína. Parte de su secuencia es:

—Ala—Pro—Trp—Ser—Glu—Lys—Cys—His—

Obtiene una serie de mutantes de este gen que carecen de la actividad

enzimática correspondiente. Al aislar las proteínas mutantes, encuentra las

siguientes secuencias:

Mutante 1:

—Ala—Pro—Trp—Arg—Glu—Lys—Cys—His—

Mutante 2:

—Ala—Pro—

Mutante 3:

—Ala—Pro—Gly—Val—Lys—Asn—Cys—His—

Mutante 4:

—Ala—Pro—Trp—Phe—Phe—Thr—Cys—His—

¿Cuál es la base molecular de cada mutación? ¿Cuál es la secuencia del

DNA que determina esta parte de la proteína?

54

29. Se conocen supresores de las mutaciones por cambio en el marco de

lectura. Proponga un mecanismo que explique cómo actúan.

30. Considere el gen que especifica la estructura de la hemoglobina.

Ordene los hechos siguientes en el orden cronológico más probable.

a. Aparición de anemia.

b. Alteración de la conformación del sitio de unión del oxígeno.

c. Aparición de un codón incorrecto en el mRNA de la hemoglobina.

d. El óvulo recibe una dosis alta de radiación.

e. Aparece un codón incorrecto en el DNA del gen de la hemoglobina.

f. Una mujer (que trabaja como técnica de rayos X) entra accidentalmente

en una habitación donde está funcionando un generador de rayos X.

g. Muere un niño.

h. La capacidad de transporte de oxígeno del organismo se ve gravemente

afectada.

i. El anticodón del tRNA se alinea con un codón mutado y se incorpora un

aminoácido erróneo.

j. Se produce el cambio de un par de nucleótidos del DNA del gen de la

hemoglobina.

31. A partir de un cultivo de tejido de hámster, se aísla un mutante celular

por su resistencia a α-amanitina (un compuesto venenoso extraído de un

hongo). Mediante electroforesis, observamos que el mutante ha sufrido una

alteración en la polimerasa de RNA; sólo una de las bandas electroforéticas

aparece en una posición distinta a la de la polimerasa salvaje. Se supone

que las células son diploides. ¿Qué podría decir este experimento sobre la

posibilidad de detectar mutaciones recesivas en dichas células?

32. Una molécula de DNA de cadena doble, cuya secuencia se muestra a

55

continuación, produce in vivo un polipéptido de cinco aminoácidos de

longitud.

TAC ATG ATC ATT TCA CGG AAT TTC TAG CAT GTA

ATG TAC TAG TAA AGT GCC TTA AAG ATC GTA CAT

a. ¿Cuál de los dos cadenas del DNA es la que se transcribe y en qué

sentido?

b. Marque los extremos 5’ y 3’ de cada cadena.

c. Si se produce una inversión entre el segundo triplete desde el extremo

izquierdo y el tercer triplete desde el extremo derecho, y la cadena que se

transcribe es la misma, ¿qué longitud tendrá el polipéptido resultante?

d. Suponga que la molécula original está intacta y que la transcripción

utiliza la cadena inferior y se mueve de izquierda a derecha. Indique la

secuencia de bases, y señale los extremos 5’ y 3’ del anticodón que inserta

el cuarto aminoácido del polipéptido en crecimiento. ¿Cuál es este

aminoácido?

33. Una de las técnicas empleadas para descifrar el código genético fue la

síntesis de polipéptidos in vitro, a partir de mRNA con secuencias

repetidas, por ejemplo, (AGA)n, que puede escribirse como

AGAAGAAGAAGAAGA...... En ocasiones, el polipéptido sintetizado

estaba compuesto por un solo aminoácido (un homopolímero), y en otros

casos por más de uno (heteropolímero), dependiendo de la secuencia

repetitiva que se usara. Además, a veces se producían diferentes

polipéptidos a partir de un mismo mRNA, lo que sugería que la síntesis de

proteínas en el sistema in vitro no comenzaba siempre en el nucleótido del

extremo del mensajero. Por ejemplo, a partir de (AGA)n podrían

sintetizarse tres polipéptidos: el homopolímero aa1 (abreviado aa1-aa1), el

homopolímero aa2 (abreviado aa2-aa2) y el homopolímero aa3 (abreviado

aa3-aa3). Probablemente, estos polipéptidos diferentes derivan de la

56

iniciación de la traducción en posiciones distintas de la secuencia:

AGA AGA AGA AGA . . .

GAA GAA GAA GAA . . .

AAG AAG AAG AAG . . .

En la siguiente tabla se muestran los resultados reales obtenidos en un

experimento realizado por Khorana.

mRNA

sintético Polipéptido(s) sintetizados

(UC)n (Ser-Leu)

(UG)n (Val-Cys)

(AC)n (Thr-His)

(AG)n (Arg-Glu)

(UUC)n (Ser-Ser) y (Leu-Leu) y (Phe-Phe)

(UUG)n (Leu-Leu) y (Val-Val) y (Cys-Cys)

(AAG)n (Arg-Arg) y (Lys-Lys) y (Glu-Glu)

(CAA)n (Thr-Thr) y (Asn-Asn) y (Gln-Gln)

(UAC)n (Thr-Thr) y (Leu-Leu) y (Tyr-Tyr)

(AUC)n (Ile-Ile) y (Ser-Ser) y (His-His)

(GUA)n (Ser-Ser) y (Val-Val)

(GAU)n (Asp-Asp) y (Met-Met)

(UAUC)n (Tyr-Leu-Ser-Ile)

(UUAC)n (Leu-Leu-Thr-Tyr)

(GAUA)n Ninguno

(GUAA)n Ninguno

[Nota: el orden en el que aparecen los polipéptidos o los aminoácidos en la

tabla no es significativo excepto en el caso de (UAUC)n y (UUAC)n].

a. ¿Por qué (GUA)n y (GAU)n determinan cada uno sólo dos

homopolipéptidos?

b. ¿Por qué (GAUA)n y (GUAA)n no dan lugar a la síntesis de

57

polipéptidos?

c. Asigne un aminoácido a cada triplete de la siguiente lista. Tenga en

cuenta que suelen haber varios codones para un solo aminoácido y que las

primeras dos letras de un codón son las importantes (mientras que la tercera

letra sólo es ocasionalmente relevante). Recuerde también que algunos

codones muy distintos pueden cifrar el mismo aminoácido. Intente resolver

la pregunta sin consultar la Figura 9-6.

AUG GAU UUG AAC

GUG UUC UUA CAA

GUU CUC AUC AGA

GUA CUU UAU GAG

UGU CUA UAC GAA

CAC UCU ACU UAG

ACA AGU AAG UGA

La resolución de este problema exige cierta lógica combinada con el

método de prueba y error. No se desanime: Khorana recibió el premio

Nobel por resolverlo. ¡Buena suerte!

(El problema 33 está tomado de J. Kuspira y G. W. Walker, Genetics

Questions and Problems, McGraw-Hill, 1973.)

EXPLORANDO LOS GENOMAS Una tutoría

bioinformática en Web.Descubriendo dominios conservados

Las secuencias de proteínas conservadas son manifestaciones de la

conservación de los residuos de aminoácidos necesarios para su estructura,

regulación o función catalítica. A menudo, los grupos de residuos pueden

identificarse como pertenecientes a un patrón o marca de un tipo particular

de enzima o dominio de regulación. En la tutoría de Genómica en

58

www.whfreeman.com/iga9e, descubrirá cómo encontrar dominios

conservados en un complejo proteico.

Determinando la estructura proteica

La función proteica depende de la estructura tridimensional, que a su vez

depende de la secuencia primaria de la proteína. La estructura proteica se

determina experimentalmente por cristalografía de rayos X o por

resonancia magnética nuclear. En ausencia de información experimental

directa, existen programas potentes que se emplean para intentar ajustar los

datos de la secuencia primaria de aminoácidos al modelo tridimensional.

Escoja uno en el seminario de Genómica en www.whfreeman.com/iga9e.

59

FIGURAS CAPÍTULO 9

Página 319:

Pie de Figura:

La imagen muestra en resolución atómica, la superficie de un ribosoma de

la bacteria Haloarcula marismortuori, deducida por cristalografía de rayos

X. La parte del ribosoma que consiste de RNA se muestra en azul; la que

consiste de proteínas se muestra en morado. Las estructuras en blanco, rojo

y amarillo del centro son los tRNA en los sitios de unión E, P y A; su tallo

aceptor desaparece dentro de una hendidura del ribosoma.

(Tomada de P. Nossen, J. Hensen, N Ban, P.B. Moore, y T.A. Steiz, “The

structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis” Science

289, 200, 920-930, Fig 10A en p. 926)

Página 320

FIGURA 9-1

Título: La unión del antibiótico al ribosoma previene la traducción.

Pie de Figura:

El antibiótico eritromicina (en rojo) bloquea el túnel desde el que emergen

las proteínas recién sintetizadas del ribosoma. La imagen es una vista

superior de la subunidad 50S del ribosoma de la bacteria Deinococcus

radiodurans. Los RNA ribosomales se muestran en azul, y las proteínas

ribosomales en amarillo. (Dr. Joerg Harms, MPI for Molecular Genetics,

Berlín, Alemania)

Página 322

FIGURA 9-2

Título: El enlace peptídico

60

Pie de Figura:

a) Un polipéptido se forma por la extracción de agua entre los aminoácidos

para formar un enlace peptídico. Cada aa indica un aminoácido. R1, R2 y R3

representan a los grupos R (cadenas laterales) que distinguen los

aminoácidos.

b) El enlace peptídico es una unidad rígida y plana con los grupos R

proyectados hacia fuera del esqueleto C-N. Se muestran las distancias

estándar de los enlaces en Angstroms. (b) De L. Stryer, Bioquímica, 4ta

edición. Copyright 1995 por Lubert Stryer).

Página 323

FIGURA 9-3

Título: Niveles de estructura de una proteína

Pie de Figura:

Una proteína tiene cuatro niveles de estructura. a) Estructura primaria. b)

Estructura secundaria. Los polipéptidos pueden formar una estructura

helicoidal (una -hélice) o una estructura en zig-zag (una -hoja plegada).

Las hojas plegadas tienen dos segmentos dispuestos con la polaridad

opuesta, como está indicado por la flecha. c) Estructura terciaria. El grupo

hemo es una estructura en anillo no proteica con un ión de hierro en el

centro. d) Estructura cuaternaria ilustrada por la hemoglobina, que está

compuesta por cuatro subunidades proteicas: dos subunidades y dos .

Página 325

FIGURA 9-4

Título: El gen y la estructura proteica son colineales.

Pie de Figura:

61

Las mutaciones en trpA son colineales con los cambios en los aminoácidos.

Aunque el orden de las mutaciones en el mapa del gen y las posiciones de

los aminoácidos son las mismas, las posiciones relativas difieren porque el

mapa génico deriva de las frecuencias de recombinación, que no son

uniformes a lo largo del gen. (De Yanofsky, “Gene Structure and Protein

Structure”. Copyright 1967 por Scientific American. Todos los derechos

reservados)

Página 325

FIGURA 9-5

Título: Código genético solapado versus no solapado.

Pie de Figura:

Un código genético solapado y no solapado traducirían de manera distinta

una secuencia de aminoácidos. El ejemplo utiliza un codón con tres

nucleótidos en el RNA (un código de tripletes). En un código solapado,

cada nucleótido ocupa una posición en múltiples codones. En esta figura, el

tercer nucleótido en el RNA, la U, se encuentra en tres codones. En un

código no solapado, una proteína se traduce leyendo los nucleótidos

secuencialmente en grupos de tres. Un nucleótido se encuentra en un único

codón. En este ejemplo, la tercera U en el RNA está solamente en el primer

codón.

.

Página 329

FIGURA 9-6

Título: El código genético

Pie de Figura:

El código genético designa el aminoácido especificado por cada codón.

62

Página 330

FIGURA 9-7

Título: La estructura del RNA de transferencia

Pie de Figura:

a) La estructura del tRNA de alanina en levaduras. El anticodón del tRNA

se une a su codón complementario en el mRNA.

b) Diagrama de la estructura tridimensional del tRNA de la fenilalanina en

levaduras. Las abreviaturas , mG, m2G y UH2 se refieren a las bases

modificadas pseudouridina, metilguanosina, dimetilguanosina, metilinosina

y dihidrouridina, respectivamente.

(a) De S. Arnott, “The structure of Transfer RNA”, Prog. Biophys. Mol.

Biol. 22, 1971, 186; b) de L. Stryer, Bioquímica, 4 ta edición. Copyright

1995 por Lubert Stryer. La parte b está basada en un dibujo de Sung-Hou

Kim).

Página 331

FIGURA 9-8

Título: Una aminoacil-tRNA sintetasa une un aminoácido a su tRNA.

Pie de Figura:

Cada aminoacil-tRNA sintetasa tiene bolsillos de unión para un aminoácido

específico y su tRNA cognado, esto quiere decir, que un aminoácido se une

covalentemente al tRNA con el correspondiente anticodón.

Página 331

FIGURA 9-9

Título: Dos tRNA superpuestos

Pie de Figura:

El tRNA de levaduras para glutamina (en azul) plegado en su estructura

tridimensional correcta casi solapa completamente con el tRNA de

63

levaduras para fenilalanina (rojo), excepto en la horquilla del anticodón y el

extremo aminoacil. (De M.A. Rould, J.J. Perona, D. Soll, y T.A. Steitz, “

Structure of E. coli Glutaminyl-tRNA sinthetase complexed with tRNA

(Gln) and ATP at 2.8 A resolution”. Science 246, 1989, 1135-1142).

Página 332

FIGURA 9-10

Título: El tambaleo permite al tRNA reconocer a dos codones

Pie de Figura:

En la tercera posición del anticodón (extremo 5’), la G puede colocarse en

cualquiera de las dos posiciones de tambaleo, siendo capaz de emparejarse

con la U o la C. Esta capacidad permite que una única especie de tRNA

lleve un aminoácido (en este caso, serina) pero pueda reconocer dos

codones en el mRNA (UCU y UCC).

Página 334

FIGURA 9-11

Título: Moléculas de proteínas y de RNA forman las dos subunidades del

ribosoma.

Pie de Figura:

Un ribosoma contiene una subunidad grande y una pequeña. Cada

subunidad contiene rRNA de distintas longitudes y un conjunto de

proteínas. Hay dos moléculas de rRNA principales en todos los ribosomas.

Los ribosomas procarióticos también contienen un rRNA de 120 bases de

longitud que sedimenta a 5S, mientras que los ribosomas eucarióticos

tienen dos rRNA pequeños: una molécula similar al 5S de los procariotas y

una molécula 5.8S de 160 bases de longitud.

Página 334

64

FIGURA 9-12

Título: El rRNA se pliega por emparejamiento intramolecular de bases.

Pie de Figura:

La estructura plegada del RNA ribosómico procariótico 16S de la

subunidad pequeña del ribosoma.

Página 335

FIGURA 9-13

Título: Sitios claves de interacción en el ribosoma

Pie de Figura:

Sitios claves de interacción en un ribosoma en la fase de elongación de la

traducción. a) Modelo por ordenador de la estructura tridimensional del

ribosoma incluyendo el mRNA, los tRNAs y la cadena polipeptídica

creciente conforme emerge de la subunidad mayor del ribosoma. B) Un

modelo esquemático del ribosoma durante la elongación. Ver texto para los

detalles. ((a) De J. Frank, Bioassays 23, 2001, 725-732, Fig. 2.)

Página 336

FIGURA 9-14

Título: Secuencia de Shine-Dalgarno

Pie de Figura:

En las bacterias, la complementariedad de bases entre el extremo 3’ del

rRNA de la subunidad menor del ribosoma y la secuencia de

Shine-Dalgarno del mRNA posiciona al ribosoma para la iniciación

correcta de la traducción, aguas abajo en el codón AUG.

Página 337

FIGURA 9-15

65

Título: Iniciación de la traducción en los procariotas

Pie de Figura:

Los factores de iniciación asisten el ensamblaje del ribosoma en el sitio de

inicio de la traducción y entonces se disocian antes de la traducción. (De J.

Berg, J. Tymoczko, y L. Stryer. Biochemistry, 5th ed. Copyright 2002 por

W.H. Freeman and Company)

Página 337

FIGURA 9-16

Título: Iniciación de la traducción en los eucariotas

Pie de Figura:

El complejo de iniciación se forma en el extremo 5’ del mRNA y rastrea en

la dirección 3’ el codón de iniciación. El reconocimiento del codón de

iniciación dispara el ensamblaje del ribosoma completo y la disociación de

los factores de iniciación (no se muestra). La hidrólisis del ATP provee la

energía para conducir el proceso de búsqueda. (De J. Berg, J. Tymoczko, y

L. Stryer. Biochemistry, 5th ed. Copyright 2002 por W.H. Freeman and

Company)

Página 338

FIGURA 9-17

Título: Pasos de la elongación en la traducción

Pie de Figura:

Un complejo ternario que consiste de un aminoacil-tRNA unido a un factor

EF-Tu se une al sitio A. Cuando un aminoácido se ha unido a la cadena

polipeptídica creciente, un factor EF-G se une al sitio A mientras el tRNA

y los codones del mRNA se arrastran al interior del sitio E y el sitio P.

Véase el texto para mayor detalle.

66

WWW.ANIMATED.ART Los tres pasos de la traducción.

Página 339

FIGURA 9-18

Título: Terminación de la traducción

Pie de Figura:

La traducción se termina cuando los factores de liberación reconocen los

codones stop en el sitio A del ribosoma. (De H. Lodish et al., Molecular

Cell Biology, 5th ed. Copyright 2004 por W. H. Freeman and Company)

Página 340

FIGURA 9-19

Título: Un supresor contrarresta los efectos de una mutación sin sentido

Pie de Figura:

Un supresor permite que la traducción continúe cuando una mutación la

habría detenido. a) Terminación de la traducción. Aquí, el aparato de la

traducción no puede rebasar un codón sin sentido (UAG en este caso),

porque ningún tRNA reconoce el triplete UAG. Por lo tanto, la síntesis

proteica acaba, con la siguiente liberación del fragmento polipeptídico. Los

factores de liberación no se muestran aquí. b) Las consecuencias

moleculares de una mutación que altera al anticodón de un tRNA de

tirosina. Este tRNA puede leer ahora el codón UAG. c) La supresión del

codón UAG por el tRNA alterado, que ahora permite la elongación. (De D.

Watson, J. Tooze and D.T. Kurtz, Recombinant DNA: A short course.

Copyright 1983 por H. Freeman and Company)

Página 341

FIGURA 9-20

67

Título: El corte y empalme alternativo produce isoformas proteicas

distintas pero relacionadas.

Pie de Figura:

Mensajeros de RNA producidos por corte y empalme alternativo del pre-

mRNA del gen humano FGFR2 que codifica dos isoformas proteicas que

se unen a ligandos distintos (los factores de crecimiento)

Página 342

FIGURA 9-21

Título: Fosforilación y desfosforilación de las proteínas.

Pie de Figura:

Las proteínas pueden activarse a través de la unión enzimática de grupos

fosfato a los grupos laterales de sus aminoácidos e inactivarse por la

eliminación de los grupos fosfato.

Página 342

FIGURA 9-22

Título: Todas las interacciones de proteínas en un organismo componen el

interactoma.

Pie de Figura:

Las proteínas (representadas por círculos) interactúan con otras proteínas

(conectadas por líneas) para formar grandes o pequeños complejos

proteicos. Este interactoma está tomado de C. elegans. (Adaptado de S. Li

et al. “A map of the ineractome Network of the metazoan C. elegans.

Science 303, 2004, 540-543)

Página 343

FIGURA 9-23

Título: La ubiquitinación dirige una proteína hacia la degradación.

68

Pie de Figura:

Los pasos principales en la degradación de las proteínas mediados por

ubiquitina. La ubiquitina primero se conjuga con otra proteína, y ambas

proteínas conjugadas son degradadas por el proteosoma. La ubiquitina y los

oligopéptidos se reciclan.

Página 343

FIGURA 9-24

Título: La secuencia señal dirige la secreción de la proteína

Pie de Figura:

Las proteínas destinadas a ser secretadas de la célula tienen una secuencia

aminoterminal que es rica en residuos hidrofóbicos. Esta señal se une a las

proteínas de membrana del retículo endoplasmático (RE) que arrastra de la

proteína restante a través de la bicapa lipídica. Durante este proceso, la

secuencia señal se escinde de la proteína por una enzima llamada peptidasa

de señal (no se muestra). Una vez dentro del retículo endoplasmático, la

proteína se dirige a la membrana celular, desde la que se excreta.

69

Tablas

Tabla 9-1

Apareamientos de codón y anticodón permitidos por la regla del

tambaleo

Extremo 5’ del anticodón Extremo 3’ del codón

G C ó U

C G solo

A U solo

U A ó G

I U, C ó A

Tabla 9-2

Diferentes tRNA pueden servir codones a la serina

tRNA Anticodón Codón

tRNASer1 ACG + Tambaleo UCC, UCU

tRNASer2 AGU + Tambaleo UCA, UCG

tRNASer3 UCG + Tambaleo AGC, AGU

70

PARCHEADO

Página 320

FIGURA 9-1

Título: La unión del antibiótico al ribosoma previene la traducción

Página 322

FIGURA 9-2

1. El enlace peptídico

2. Extremo amino

3. Extremo carboxilo

4. 5. 6. Enlace peptídico

WWW. ANIMATED ART Traducción: formación del enlace peptídico

Página 323

FIGURA 9-3

1. Niveles de estructura de una proteína

2. a) Estructura primaria

3. Extremo amino

4. Extremo carboxilo

5. b) Estructura secundaria

6. Puentes de hidrógeno entre los aminoácidos en diferentes sitios de la

cadena

7. -hélice

8. -hoja plegada

9. c) Estructura terciaria

10. d) Estructura Cuaternaria

11. Hemo

12. Polipéptido

71

13. Grupo hemo.

Página 325

FIGURA 9-4

1. El gen y la estructura proteica son colineales.

2. Gen

3. Posición de la mutación.

4. Proteína +H3N COO-

5. Aminoácidos tipo salvaje

6. Aminoácidos alterados

7. Lys Phe Glu

8. Tyr Leu Thr Gly Gly Gly Ser Gln

9. Stop Leu Val Gln Met

10. Cys Arg Ile Arg Glu Val Cys Asp Leu Stop

Página 325

FIGURA 9-5

1. Código genético solapado versus no solapado.

2. Código solapado

3. Punto de inicio

4. Codón

5. Código no solapado.

Página 329

FIGURA 9-6

1. El código genético

2. Primera letra

3. Segunda letra

72

4. Tercera letra

(Stop)

Página 330

FIGURA 9-7

1. La estructura del RNA de transferencia

2. 7 Sitio de unión al aminoácido

3.y 6. Horquilla del anticodón

4. Codón para la alanina

5. Anticodón

8. Horquilla DHU

9. Horquilla TC

Página 331

FIGURA 9-8

1. Una aminoacil-tRNA sintetasa une un aminoácido a su tRNA.

2. Sitio de unión al tRNAAla

3. Aminoacil-tRNA sintetasa específica para alanina.

4. Sitio de unión para la alanina.

Página 331

FIGURA 9-9

1. Dos tRNA superpuestos

2. Anticodón.

Página 332

FIGURA 9-10

1. El tambaleo permite al tRNA reconocer a dos codones

2. horquilla del anticodón del tRNA

73

3. Posición de tambaleo

4. Codón

5. mRNA

6. Anticodón

Página 334

FIGURA 9-11

1. Moléculas de proteínas y de RNA forman las dos subunidades del

ribosoma.

2. a) procariotas

3. Ribosoma 70S

4. b) Eucariotas

5. Ribosoma 80S

6. Subunidad ribosómica 50S

7. Subunidad ribosómica 30S

8. Subunidad ribosómica 60S

9. Subunidad ribosómica 40S

10. 23S rRNA

11. 28S rRNA

12. 5S rRNA

13. 16S rRNA

14. 5.8S rRNA

15. 18S rRNA

16. 5S rRNA

17. 31 proteínas

18. 21 proteínas

19. 49 proteínas

20. 33 proteínas

74

Página 334

FIGURA 9-12

1. El rRNA se pliega por apareamiento intramolecular de bases.

Página 335

FIGURA 9-13

1. Sitios claves de interacción en el ribosoma

2. a) Modelo por ordenador

3. Polipéptido

4. b) Modelo esquemático

5. tRNA desacilado liberado del sitio E

6. Cadena polipeptídica creciente.

7. Centro peptidiltransferasa

8. Centro decodificador

9. Movimiento del ribosoma

10. mRNA

Página 336

FIGURA 9-14

1. Secuencia de Shine-Dalgarno

2. 30S

3. Secuencia de Shine-Dalgarno

4. Codón de iniciación

5. mRNA

6. rRNA 16S

Página 337

FIGURA 9-15

75

1. Iniciación de la traducción en los procariotas

2. Subunidad de 30S del ribosoma

3. Factores de iniciación

4. IF2-fMet-tRNAf + mRNA

5. IF3

6. fMet

7. mRNA

8. Complejo de iniciación 30S

9. Subunidad 50S

10. IF1 + IF2

11. fMet

12. Complejo de iniciación 70S

Página 337

FIGURA 9-16

1. Iniciación de la traducción en los eucariotas

2. Caperuza

3. mRNA

4. Factores de iniciación + GTP Met-tRNAi subunidad 40S

5. Subunidad 40S con los componentes de iniciación

6. ATP

7. ADP + Pi

8. Met

9. Subunidad 60S

10. Factores de iniciación

11. Met

12. Complejo de iniciación 80S

Página 338

76

FIGURA 9-17

1. Pasos de la elongación en la traducción

2. Complejo ternario

3. y 4. EF-Tu

5. y 8. El aminoacil-tRNA se une al sitio A

6. Se forma el enlace peptídico

7. Translocación

9. El tRNA del sitio E lo abandona

WWW.ANIMATED.ART Los tres pasos de la traducción.

Página 339

FIGURA 9-18

1. Terminación de la traducción

2. Escisión del peptidil-tRNA

3. RF1

4. RF1

Página 340

FIGURA 9-19

1. Un supresor contrarresta los efectos de una mutación sin sentido

2. La mutación sin sentido rodns.

3. a) La mutación ámbar introduce el codón stop UAG. La traducción se

detiene.

4. b) El anticodón del tRNA tirosina cambia a AUC.

5. El supresor tRNA sin sentido

6. c) El anticodón del tRNA tirosina lee al codón UAG. La traducción

continúa.

7. Supresión sin sentido del alelo rodns.

77

Página 341

FIGURA 9-20

1. El corte y empalme alternativo produce isoformas proteicas distintas

pero relacionadas.

2. Gen FGFR2

3. Exones

4. Corte y empalme alternativo

5. mRNA

6. Ligandos: FGF10 FGF7

7. Ligandos FGF2 FGF9 FGF4 FGF8 FGF6

8. Exterior

Membrana celular

9. Citoplasma

10. Receptor 2 del factor de crecimiento del fibroblasto (FGFR2) Primera

isoforma

11. Receptor 2 del factor de crecimiento del fibroblasto (PGFR2) Segunda

isoforma

Página 342

FIGURA 9-21

1. Fosforilación y desfosforilación de las proteínas.

2. Señal de entrada

3. Enzima inactiva

4. Fosfatasa

5. Señal de salida

6. Enzima activa

7. Quinasa ATP ADP

Página 342

78

FIGURA 9-22

1. Todas las interacciones de proteínas en un organismo componen el

interactoma.

Página 343

FIGURA 9-23

1. La ubiquitinación dirige una proteína hacia la degradación.

2. la cadena de ubiquitina es degradada.

3. La cadena de ubiquitina se elimina.

4. Oligopéptidos

5. La ubiquitina se une a diferentes proteínas

6. Degradación

7. Proteína ubiquitinizada

8. Proteosoma 26S.

Página 343

FIGURA 9-24

1. La secuencia señal dirige la secreción de la proteína

2. Lumen del RE

3. Secuencia señal

4. Citosol

5. Membrana del RE.

79