01 junio, 2011

¿Por qué la precisión de la traducción es mayor en las eucariotas que en las procariotas?

Todos sabemos que el ADN codifica los genes, los cuales son transcritos a un intermediario —el ARN mensajero (ARNm)— que lleva dicha información a los ribosomas, para que sean decodificados y traducidos a proteínas, el producto final de la expresión genética. Pero, en esta visión general del principal proceso que realizan las células, no se menciona la importancia que tiene el ARN de transferencia (ARNt), quien es, a final de cuentas, el que transporta los aminoácidos (aa) y lee el código genético presente en el ARNm.

El ARNt es una molécula muy interesante. Está compuesta también de nucleótidos —unos 76 para ser exactos. Todos los ARNt son prácticamente idénticos, la única diferencia que hay entre ellos es una secuencia de tres nucleótidos ubicados entre las posiciones 34 y 36 conocido como anticodón. En total son 64 ARNt diferentes, los cuales portan cada uno de los 20 aminoácidos esenciales para las células (a excepción de tres que no portan ningún aminoácido, que son los que detienen el proceso de traducción).

Imagen: Universidad de Valencia

Que todos los ARNt sean prácticamente idénticos genera un gran problema. Las enzimas encargadas de cargar al ARNt con su respectivo aminoácido —las aminoacil-ARNt-sintetasa (aaARNts)— deben ser sumamente específicas (quizás sean las enzimas más específicas de los seres vivos) ya que deberán reconocer tan sólo una pequeña región de tres nucleótidos para saber qué ARNt es y qué aminoácido debe portar consigo. Cualquier error a este nivel traería graves consecuencias para la célula, ya que la proteína generada será defectuosa o dañina, debido a que su secuencia de aminoácidos no es la indicada.

Las bacterias, al ser unos organismos relativamente simples, tienen pocos genes. Por otro lado, el tamaño promedio de sus proteínas (~300aa) es menor comparado con el tamaño de las proteínas de los eucariotas (~500aa) quienes, además, tienen muchos más genes. Es por esta razón que la tasa de error en la síntesis de proteínas debe ser menor en las eucariotas que en las procariotas.

La precisión de la síntesis de proteínas está determinado tanto por la acción de las aaARNts al momento de cargar el aminoácido al ARNt (acilación), como por el emparejamiento del codón con su anticodón complementario en los ribosomas, para así poder formar el enlace peptídico.

El proceso es relativamente sencillo (ver figura inferior). Primero el ARNt es cargado con su respectivo aminoácido gracias a la acción de la aaARNts. Luego, el ARNt-acilado se une al complejo proteico EF-Tu-GTP para que sea transportado hasta el sitio A del ribosoma. Una vez aquí, si el ARNt reconoce su codón complementario, el GTP se hidroliza liberando Pi (fósforo inorgánico). Si el ARNt no reconoce su codón complementario, es expulsado para dejar libre el espacio para que ingrese el ARNt correcto. En algunos casos, un ARNt puede reconocer un codón parecido a su codón complementario (codón ‘casi afín’). Cuando ocurre esto, el ribosoma tiene un mecanismo que corrige estos errores conocido como ‘proofreading’, quien se encarga de expulsar al ARNt mal emparejado.

traduccion

Pero, ¿qué hace que en los eucariotas el proceso sea más preciso que en procariotas? Uhm, es una pregunta interesante. Primero, debemos enfocarnos en las diferencias que hay entre los componentes involucrados en la traducción. Si bien los ribosomas de los eucariotas y procariotas funcionan casi de la misma manera, el de los eucariotas es mucho más grande y complejo (tiene más proteínas y ARN ribosomales). Pero, esto no es suficiente para explicar la diferencia en la precisión de la traducción, ya que el reconocimiento de los codones y la formación de los enlaces peptídicos se da de la misma manera.

Fue así que investigadores de la Universidad Thomas Jefferson y la Universidad de Pensilvania encontraron que las diferencias estaban precisamente a nivel de los aaARNts y los ARNt, según reportaron ayer en Nature Communications.

Primero los investigadores observaron que las aaARNts de una bacteria no podían acilar los ARNt de una eucariota; pero, la aaARNts de una eucariota si podían acilar los ARNt de una bacteria. Bastante raro ¿cierto?. Esta observación indicaba que habían factores específicos en las eucariotas que ponían una barrera bioquímica a la enzima de la bacteria y, tal vez, son estos factores los que están involucrados directamente con la gran precisión en la síntesis de proteínas de las eucariotas.

Fue así que los investigadores compararon la CysARNts —la encargada de cargar la cisteína al ARNt— de la archiconocida E. coli (eCysARNts ) con la versión humana (hCysARNts). Liu et al. observaron que la versión humana tenía tres extensiones más que  no estaban presentes en la versión bacteriana. Una de estas extensiones se ubicaba cerca a la región C-terminal*, por eso la llamaron CTE (C-terminal extension), la cual era conservada en todos los eucariotas.

*El punto donde se inicia la proteína es la N-terminal y donde termina la proteína es la C-terminal.

Cuando fusionaron esta región CTE de la versión eucariota a la versión bacteriana, la enzima fue capaz de acilar el ARNt humano. Esto quiere decir que esta región es la que ponía la barrera para que la eCysARNts no pueda cargar la cisteína a un ARNt de una célula eucariota. Pero, ¿esto será suficiente para mejorar la precisión de la traducción de proteínas en procariotas? No, aún no es suficiente.

cys-tRNA

Otra diferencia importante se da a nivel del ARNtcys. Si bien el residuo U73 —el más importante porque permite que la CysARNts pueda cargar la cisteína al ARNt— está presente tanto en el ARNt humano (ARNth) como en el de E. coli (ARNte), hay otros dos residuos que son diferentes. En el ARNth tenemos la G37 y el núcleo G15-C48; mientras que en el ARNte tenemos la A37 y el núcleo G15-G48 (ver figura).

ARNtcys

Los investigadores identificaron a G37 como el principal factor en la precisión de la traducción de proteínas en eucariotas. Cuando mutaron el ARNte, cambiando su A37 por un G37 (tal como el ARNth), la precisión de la traducción aumentó hasta 50 veces, siempre y cuando se usara la hCysARNts (versión humana de la enzima) o la eCysARNts-CTE (versión bacteriana con la región CTE fusionada).

Liu et al. descubrieron que este aumento en la precisión se debía a cambios en la estructura química del nucleótido en la posición 37, la cual favorecía su selectividad por el ribosoma, siempre y cuando el nucleótido de la posición 37 sea una G. Además, el residuo G37 se encuentra en una región del ribosoma que es bastante densa e interacciona con tres nucleótidos conservados del ARN ribosomal 16S. Si el G37 es cambiado por cualquier otro nucleótido, esta interacción se rompe y los cambios estructurales provocan una redistribución de las cargas eléctricas afectando drásticamente la precisión de la decodificación del codón. Pero, la G37 sólo es reconocida si está presente la CTE en la aminoacil-ARNt-transferasa. Al parecer, la enzima sigue interactuando con el ARNt mucho después de haber cumplido con su función.

Para terminar, si bien la precisión en la traducción de proteínas de bacterias no es tan alta como en las eucariotas, es lo suficientemente buena como para que este proceso se de sin errores, gracias a que el tamaño promedio y el número de proteínas de las bacterias es menor que en las eucariotas. Sería un gasto de energía en vano desarrollar una extensión tipo CTE.

Por otro lado, los investigadores observaron que cuando la eCysARNts se fusionaba con la CTE humana, el tiempo que tomaba en acilar los ARNt era más prolongado y, debido al tiempo de división de las bacterias (que es sumamente corto), sería una gran desventaja.

Cabe recordar que las mitocondrias, las cuales tienen su propio material genético, también tienen un mecanismo de traducción similar al de las bacterias, o sea, las aminoacil-ARNt-sintetasa mitocondriales, las cuales se sintetizan en el núcleo de la célula, carecen de la extensión CTE y los ARNt no tienen el residuo G37 sino el A37. Esta es una buena estrategia para evitar que los aaARNts empiecen a acilar los ARNt que se encuentran en su camino desde el núcleo hacia las mitocondrias.


Referencia:

ResearchBlogging.orgCuiping Liu, Howard Gamper, Hanqing Liu, Barry S. Cooperman, & Ya-Ming Hou (2011). Potential for interdependent development of tRNA determinants for aminoacylation and ribosome decoding Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms1331

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