El plan básico de la síntesis de proteínas en eucariotas y arqueas es similar al de las bacterias. Los principales temas estructurales y mecanísticos se repiten en todos los dominios de la vida. Sin embargo, la síntesis de proteínas eucariotas implica más componentes proteicos que la síntesis de proteínas procariotas, y algunos pasos son más intrincados. Algunas similitudes y diferencias notables son las siguientes:
Ribosomas. Los ribosomas eucariotas son más grandes. Constan de una subunidad grande 60S y una subunidad pequeña 40S, que se unen para formar una partícula 80S con una masa de 4200 kd, comparada con la de 2700 kd del ribosoma 70S procariota. La subunidad 40S contiene un ARN 18S que es homólogo al ARN 16S procariótico. La subunidad 60S contiene tres ARN: los ARN 5S y 28S son los homólogos de las moléculas 5S y 23S procariotas; su ARN 5,8S es exclusivo de los eucariotas.
ARNt iniciador. En los eucariotas, el aminoácido iniciador es la metionina en lugar de la N-formilmetionina. Sin embargo, como en los procariotas, un ARNt especial participa en la iniciación. Este aminoacil-ARNt se llama Met-ARNti o Met-ARNtf (el subíndice «i» representa la iniciación, y la «f» indica que puede ser formilado in vitro).
Iniciación. El codón de iniciación en eucariotas es siempre AUG. Los eucariotas, a diferencia de los procariotas, no utilizan una secuencia específica rica en purinas en el lado 5′ para distinguir los AUG iniciadores de los internos. En su lugar, el AUG más cercano al extremo 5′ del ARNm suele ser seleccionado como sitio de inicio. Un ribosoma 40S se une a la tapa en el extremo 5′ del ARNm eucariótico (Sección 28.3.1) y busca un codón AUG moviéndose paso a paso en la dirección 3′ (Figura 29.33). Este proceso de exploración en la síntesis de proteínas eucariotas es impulsado por las helicasas que hidrolizan el ATP. El emparejamiento del anticodón del Met-ARNt con el codón AUG del ARNm señala que se ha encontrado la diana. En casi todos los casos, el ARNm de los eucariotas sólo tiene un sitio de inicio y, por tanto, es la plantilla de una sola proteína. Por el contrario, un ARNm procariota puede tener múltiples secuencias Shine-Dalgarno y, por tanto, sitios de inicio, y puede servir como plantilla para la síntesis de varias proteínas. Los eucariotas utilizan muchos más factores de iniciación que los procariotas, y su interacción es mucho más intrincada. El prefijo eIF denota un factor de iniciación eucariota. Por ejemplo, eIF-4E es una proteína que se une directamente a la tapa de 7-metilguanosina (Sección 28.3.1), mientras que eIF-4A es una helicasa. La diferencia en el mecanismo de iniciación entre procariotas y eucariotas es, en parte, consecuencia de la diferencia en el procesamiento del ARN. El extremo 5′ del ARNm está disponible para los ribosomas inmediatamente después de la transcripción en procariotas. En cambio, en los eucariotas el pre-ARNm debe ser procesado y transportado al citoplasma antes de que se inicie la traducción. Por lo tanto, hay una amplia oportunidad para la formación de estructuras secundarias complejas que deben ser eliminadas para exponer las señales en el ARNm maduro. La tapa 5′ proporciona un punto de partida fácilmente reconocible. Además, la complejidad de la iniciación de la traducción eucariótica proporciona otro mecanismo para la expresión génica que exploraremos más a fondo en el capítulo 31.
Elongación y terminación. Los factores de elongación eucariotas EF1α y EF1βγ son los homólogos de los EF-Tu y EF-T procariotas. La forma GTP de EF1α entrega aminoacil-ARNt al sitio A del ribosoma, y EF1βγ cataliza el intercambio de GTP por GDP unido. El EF2 eucariota media la translocación impulsada por GTP de forma muy parecida a como lo hace el EF-G procariota. La terminación en eucariotas se lleva a cabo por un único factor de liberación, eRF1, en comparación con dos en procariotas. Finalmente, eIF3, al igual que su homólogo procariota IF3, impide la reasociación de las subunidades ribosómicas en ausencia de un complejo de iniciación.
Figura 29.33
Iniciación de la traducción en eucariotas. En eucariotas, la iniciación de la traducción comienza con el ensamblaje de un complejo en la tapa 5′ que incluye la subunidad 40S y Met-tRNAi. Impulsado por la hidrólisis de ATP, este complejo recorre el ARNm hasta el primer AUG (más…)
29.5.1. Muchos antibióticos actúan inhibiendo la síntesis de proteínas
Las diferencias entre los ribosomas eucariotas y procariotas pueden aprovecharse para el desarrollo de antibióticos (Tabla 29.4). Por ejemplo, el antibiótico puromicina inhibe la síntesis de proteínas haciendo que las cadenas polipeptídicas procariotas nacientes se liberen antes de que se complete su síntesis. La puromicina es un análogo de la parte terminal de aminoacil-adenosina del aminoacil-ARNt (Figura 29.34).
Tabla 29.4
Inhibidores antibióticos de la síntesis de proteínas.
Figura 29.34
Acción antibiótica de la puromicina. La puromicina se asemeja a la terminación aminoacílica de un aminoacil-ARNt. Su grupo amino se une al grupo carbonilo de la cadena polipeptídica en crecimiento para formar un aducto que se disocia del ribosoma. Este aducto es estable porque (más…)
Se une al sitio A del ribosoma e inhibe la entrada del aminoacil-ARNt. Además, la puromicina contiene un grupo α-amino. Este grupo amino, como el del aminoacil-ARNt, forma un enlace peptídico con el grupo carboxilo de la cadena peptídica en crecimiento. El producto, un péptido que tiene un residuo de puromicina unido covalentemente en su extremo carboxilo, se disocia del ribosoma.
La estreptomicina, un trisacárido altamente básico, interfiere con la unión del formilmetionil-ARNt a los ribosomas y, por tanto, impide el correcto inicio de la síntesis de proteínas. Otros antibióticos aminoglucósidos como la neomicina, la kanamicina y la gentamicina interfieren con el sitio de descodificación situado cerca del nucleótido 1492 en el ARNr 16S de la subunidad 30S (Sección 29.3.9). El cloranfenicol actúa inhibiendo la actividad de la peptidil transferasa. La eritromicina se une a la subunidad 50S y bloquea la translocación. Por último, la ciclohexamida bloquea la actividad de la peptidil transferasa en los ribosomas eucariotas, lo que la convierte en una útil herramienta de laboratorio para bloquear la síntesis de proteínas en las células eucariotas.
29.5.2. La toxina diftérica bloquea la síntesis de proteínas en eucariotas al inhibir la translocación
La difteria era una de las principales causas de muerte en la infancia antes de la llegada de la inmunización eficaz. Los efectos letales de esta enfermedad se deben principalmente a una toxina proteica producida por Corynebacterium diphtheriae, una bacteria que crece en el tracto respiratorio superior de una persona infectada. El gen que codifica la toxina procede de un fago lisogénico que albergan algunas cepas de C. diphtheriae. Unos pocos microgramos de toxina diftérica suelen ser letales en una persona no inmunizada porque inhiben la síntesis de proteínas. La toxina se escinde poco después de entrar en la célula diana en un fragmento A de 21 kd y un fragmento B de 40 kd. El fragmento A de la toxina cataliza la modificación covalente de un importante componente de la maquinaria de síntesis de proteínas, mientras que el fragmento B permite que el fragmento A entre en el citosol de su célula objetivo.
Un solo fragmento A de la toxina en el citosol puede matar una célula. ¿Por qué es tan letal? El objetivo del fragmento A es EF2, el factor de elongación que cataliza la translocación en la síntesis de proteínas eucariotas. El EF2 contiene diftamida, un residuo de aminoácido inusual de función desconocida que se forma por modificación postraduccional de la histidina. El fragmento A cataliza la transferencia de la unidad de adenosina difosfato ribosa del NAD+ a un átomo de nitrógeno del anillo de diftamida (Figura 29.35). Esta ADP-ribosilación de una sola cadena lateral de EF2 bloquea su capacidad para llevar a cabo la translocación de la cadena polipeptídica en crecimiento. La síntesis de proteínas cesa, lo que explica la notable toxicidad de la toxina diftérica.
Figura 29.35
Bloqueo de la translocación por la toxina diftérica. La toxina diftérica bloquea la síntesis de proteínas en eucariotas catalizando la transferencia de una unidad de ADP-ribosa de NAD+ a diftamida, un residuo de aminoácido modificado en el factor de elongación 2 (translocasa). Diftamida (más…)