La traducción es un proceso que implica la síntesis de una cadena de aminoácidos a partir de un plano de ARNm. Estas cadenas polipeptídicas se pliegan en proteínas funcionales. La traducción se produce fuera del núcleo una vez que se ha completado el procesamiento nuclear del pre-ARNm y las moléculas de ARNm han sido transportadas al citoplasma a través de los poros nucleares. La traducción es facilitada principalmente por los ribosomas situados en el retículo endoplásmico rugoso, en la superficie exterior de la envoltura nuclear o en el citoplasma.
- Iniciación
- Alargamiento
- Terminación
- Reciclaje
En la traducción intervienen varios componentes moleculares, siendo el más destacado el ribosoma. Este complejo macromolecular está formado por múltiples proteínas y moléculas de ARNr. Todos los ribosomas cuentan con una subunidad pequeña y otra grande, pero la composición de estas subunidades difiere sustancialmente entre especies. En los seres humanos, por ejemplo, la subunidad pequeña 40S está compuesta por 33 proteínas y una única molécula de ARNr 18S, mientras que la subunidad grande 60S está compuesta por 47 proteínas y tres ARNr (5S, 5,8S y 28S).
A pesar de la identificación de 80 proteínas asociadas al ribosoma humano, sólo 34 se encuentran en otros eucariotas o procariotas . Aunque se han propuesto funciones generales a las proteínas asociadas al ribosoma, como la estabilización del complejo y la regulación de la traducción, algunas también se han atribuido a la modificación cotraduccional de las proteínas recién sintetizadas (revisado en ).
Elongación
En contraste con las etapas de iniciación, terminación y reciclaje del ribosoma de la traducción, los mecanismos que impulsan la elongación están muy conservados entre eucariotas y bacterias (revisado en ).
Reconocimiento de codones
La elongación se produce a lo largo de varios pasos bien definidos, empezando por el reconocimiento de los codones del ARNm por su correspondiente aminoacil-ARNt. La asociación con el ARNm se produce a través del sitio A ribosomal y está influenciada por varios factores de elongación. Por ejemplo, la GTPasa eEF1A entrega aminoacil-ARNt al sitio A tras ser activada por eEF1B, un factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) que acelera la disociación del GDP de eEF1A .
Formación del enlace peptídico
Después del reconocimiento del codón del ARNm, se crea un enlace peptídico entre el aminoacil-ARNt y el peptidil-ARNt (que se encuentra en el sitio P ribosomal). Esta reacción es facilitada por la peptidil transferasa, que no es una proteína, sino un ARN ribosómico muy conservado. El mecanismo de formación del enlace peptídico implica cambios conformacionales en el sitio activo en lugar de una catálisis química por parte de los grupos ribosómicos y es impulsado por un cambio de entropía favorable .
Translocación del ARNm y de los ARNt a través del ribosoma
Una vez que se ha formado el enlace peptídico, el sitio A queda vacante cuando el peptidil-ARNt que lo ocupa se desplaza al sitio P de la gran subunidad ribosomal, sustituyendo concomitantemente a un ARNt desacilado existente que se desplaza al sitio E antes de salir del ribosoma . A medida que la cadena de aminoácidos crece, y los sitios A y P son ocupados transitoriamente por nuevos aminoacil- y peptidil-ARNt respectivamente, se produce una translocación del ARNm a través del ribosoma.
Dos mecanismos, que se caracterizan por cambios conformacionales en las subunidades ribosómicas, facilitan la translocación de ARNm y ARNt. Estos se conocen como «ratcheting» y «swiveling».
El ratcheting se observa en todas las etapas de la traducción, y en él la subunidad ribosómica pequeña experimenta una ligera rotación, de aproximadamente ~8° con respecto a la subunidad grande (revisado en ). Esto es distinto del giro, que implica un movimiento del dominio de la cabeza (30S) de la subunidad pequeña. Es importante destacar que el giro juega un papel en la actividad intrínseca de la helicasa del ribosoma, que es importante para desenrollar las estructuras secundarias del ARNm.
Estos mecanismos garantizan, en última instancia, que el ARNt se mueva de forma secuencial (del sitio A al sitio P al sitio E), y permiten la formación de los estados intermedios que se sabe que existen durante la translocación del ARNt. Estos estados, que también se conocen como estados híbridos, pueden describirse utilizando el modelo eucariótico como ejemplo. Aquí, los extremos 3′ del ARNt que ocupan los sitios A y P se mueven para ocupar los sitios P y E en la subunidad 60S, mientras que los extremos 5′, que están asociados al ARNm, permanecen anclados a los sitios A y P de la subunidad 40S respectivamente.
Estos estados híbridos se estabilizan momentáneamente por la unión de eEF2-GTP (EF-G – GTP en procariotas) al sitio A ribosomal. Sin embargo, la hidrólisis del GTP, que está mediada por la actividad GTPasa del EF-G o del homólogo eucariótico eEF2, permite que el mecanismo de trinquete continúe, y hace que el ARNm y los extremos 5′ del ARNt se muevan de los sitios A y P a los sitios P y E respectivamente. Una vez restaurada la conformación canónica A/A, P/P, E/E (60S/40S), el EF-G – GDP se disocia del ribosoma, dejando el sitio A abierto para recibir una nueva molécula de aminoacil-ARNt.
La hidrólisis del GTP por parte de EF-G / eEF2, y el posterior giro del dominio de la cabeza ayudan aún más a la translocación del ARNt al impedir cualquier movimiento espontáneo hacia atrás del ARNt .
Iniciación de la traducción
El primer paso en la traducción se conoce como iniciación. Aquí, las unidades ribosómicas grandes (60S) y pequeñas (40S) se ensamblan en un ribosoma 80S completamente funcional. Éste se sitúa en el codón de inicio (AUG) de la cadena de ARNm que se va a traducir (revisado en ).
Se considera que la iniciación es el paso limitante de la tasa en el proceso global y está principalmente regulada, y coordinada, por un grupo de proteínas conocidas como factores de iniciación eucariotas (eIFs) . Estos factores varían en tamaño y complejidad, desde la única subunidad eIF1 de 113kDa hasta el complejo eIF3 de 700kDa. En los seres humanos, al menos 12 eIFs funcionan de forma concertada para regular la iniciación, desempeñando cada uno de ellos un papel distinto, que ha sido revisado ampliamente en .
La iniciación comienza con la formación de un complejo ternario que comprende eIF2, GTP y el tRNA iniciador (Met-tRNAi). El papel principal del complejo ternario es entregar el iniciador a la subunidad 40S que posteriormente establece un complejo 43S, también llamado PIC (complejo de preiniciación). Con la ayuda de eIF4G y eIF3, el PIC se une en o cerca del extremo 5′ del ARNm. Esto está marcado por una tapa de 7-metilguanosina (m7-G-cap). Una vez unido, el PIC explora la región no traducida de 5′ para localizar el codón de iniciación.
La secuencia líder del 5′-termino se mantiene en un estado desenrollado por la actividad helicasa de varios eIFs (incluyendo eIF4F, eIF4G, eIF4A, eIF4B, eIF3). Una vez que la subunidad 40S se posiciona en el codón de iniciación, la subunidad 60S es reclutada para formar un ribosoma 80S competente para la elongación. En este punto, el codón de inicio del ARNm se localiza en el sitio P ribosomal, y todo el complejo de iniciación está listo para entrar en la fase de elongación .
Es importante señalar que la subunidad 40S puede unirse al ARNm independientemente de la tapa m7-G. El ejemplo más destacado de esto, que se cree que ocurre en el 5-10% de los ARNm celulares, implica la unión de la subunidad 40S a un sitio de entrada del ribosoma interno (IRES) . Otras vías de iniciación independientes de m7-G-cap incluyen la derivación, la sujeción, los potenciadores de la traducción, un elemento TISU y un líder de poliadenilato en el extremo 5.
Reciclaje del ribosoma
El paso final de la traducción es el reciclaje del ribosoma, en el que el ribosoma se divide en sus subunidades más pequeñas y se prepara para otra ronda de traducción. En los eucariotas, esto significa que el ribosoma 80S se divide en sus subunidades 40S y 60S. Aunque este paso marca la finalización del proceso de traducción, también puede producirse por otras razones, como cuando falla la síntesis de la cadena polipeptídica, cuando se encuentra un ARNm dañado o tras el ensamblaje de ribosomas vacíos. Además, este paso se describe a menudo como el comienzo de la iniciación, con la proteína clave que facilita la división del ribosoma, asociándose también con varios factores de iniciación (se ha demostrado que ABCE1 se asocia con eIF2, eIF3 y eIF5 en modelos de levadura ).
En eucariotas, el reciclaje de ribosomas es facilitado principalmente por ABCE1 (Rli1 en levadura), que es un miembro de la superfamilia ABC de ATPasas. Esta proteína, que posee dos dominios de unión a nucleótidos y un dominio único de cluster FeS1, se une al complejo de post-terminación una vez que el RF3-GDP se ha disociado del ribosoma. Esta asociación se forma a través de la interacción entre el clúster FeS y el eRF1. Es importante destacar que ACBE1 también contiene numerosos sitios de unión que permiten interacciones entre las subunidades ribosómicas y varias proteínas ribosómicas. Por ejemplo, se ha demostrado que un motivo HLH en el primer dominio de unión a nucleótidos se une al ARNr 18S y al rpS24-A. Aunque el mecanismo exacto que impulsa el desdoblamiento ribosómico sigue sin estar claro, se propone que en eucariotas es el resultado de un cambio conformacional en ABCE1 que es inducido por la hidrólisis de ATP.
Como se ha mencionado anteriormente, la liberación del péptido no es un requisito previo para la disociación de las subunidades ribosómicas o para la unión de ABCE1 . Esto es importante cuando se induce el reciclaje de ribosomas en respuesta a daños en el ARNm o al ensamblaje de ribosomas vacíos, ya que no se detectará ningún codón de parada para iniciar la terminación y la liberación de péptidos. Para superar esto, ABCE1 es capaz de facilitar la liberación del péptido de forma similar al complejo ternario eRF1-eRF3-GTP, y se ha demostrado que esto ocurre independientemente de la hidrólisis de ATP. Aquí, la hidrólisis de ATP induce un cambio conformacional en eRF1 que promueve la hidrólisis de peptidil-ARNt .
Importantemente, eRF1 y eRF3 pueden ser suficientes para iniciar la disociación de la subunidad; sin embargo, esto ocurrirá a un ritmo más lento .
Los mecanismos de reciclaje en procariotas son distintos de los de eucariotas, siendo la principal diferencia la presencia de un factor de reciclaje de ribosomas especializado (RRF) que actúa junto con EF-G para separar las subunidades ribosómicas en bacterias .
Terminación de la traducción
El siguiente paso en el proceso de traducción es la terminación. En este paso un codón de parada del ARNm indica que no se van a añadir aminoácidos adicionales a la proteína en crecimiento. La terminación en eucariotas es facilitada por sólo dos factores (eRF1 y eRF3) y difiere significativamente del proceso en procariotas, que implica tres factores (RF1, RF2 y RF3) . En los eucariotas, deben ocurrir dos procesos distintos para que la elongación peptídica termine con éxito: la liberación del péptido y el establecimiento del complejo de post-terminación. En algunos casos, cuando la traducción debe terminar antes de la detección de un codón de parada, el paso de terminación puede saltarse y el reciclaje del ribosoma puede iniciarse antes. En este caso, la liberación del péptido será facilitada por ABCE1.
La terminación se desencadena por la entrada de un codón de parada (UAA, UGA o UAG) en el sitio A ribosomal. Este codón es reconocido por un factor de liberación de clase 1 (RF1). En los eucariotas, este factor (eRF1) se une al ribosoma como parte de un complejo ternario preensamblado que comprende eRF1, eRF3 y GTP . El código de parada es reconocido por un motivo conservado situado en el extremo aminoterminal de la proteína, como el motivo NIKS.
El eRF1 también ayuda en la hidrólisis del peptidil-ARNt y en la liberación del péptido desde el centro de la peptidil transferasa (PTC). Esto ocurre como resultado de la hidrólisis de GTP por parte de eRF3, que induce un cambio conformacional en eRF1 que permite que su motivo Gly-Gly-Gln (GGQ), que se encuentra en el dominio «medio» (M), entre en el PTC ribosomal y facilite la hidrólisis del peptidil-ARNt. Este mecanismo difiere en procariotas, donde se requiere la liberación de péptidos para, y por lo tanto precede, la hidrólisis de GTP por RF3 .
Después de la hidrólisis de GTP y la liberación del péptido, el RF3-GDP se disociará de la proteína, dejando atrás el RF1, que permanece unido al ribosoma en lo que se conoce como el complejo post-terminación . Esto esencialmente prepara al ribosoma para el reciclaje ribosomal.