La traducción bacteriana es el proceso mediante el cual el ARN mensajero se traduce en proteínas en las bacterias .
El inicio de la traducción en bacterias implica el ensamblaje de los componentes del sistema de traducción, que son: las dos subunidades ribosómicas ( subunidades 50S y 30S ); el ARNm maduro a traducir; el ARNt cargado con N -formilmetionina (el primer aminoácido del péptido naciente); trifosfato de guanosina (GTP) como fuente de energía, y los tres factores de iniciación procarióticos IF1 , IF2 e IF3 , que ayudan al ensamblaje del complejo de iniciación. Se pueden anticipar variaciones en el mecanismo. [1]
El ribosoma tiene tres sitios activos: el sitio A, el sitio P y el sitio E. El sitio A es el punto de entrada del aminoacil tRNA (excepto el primer aminoacil tRNA, que ingresa por el sitio P). El sitio P es donde se forma el peptidil tRNA en el ribosoma. Y el sitio E , que es el sitio de salida del ARNt ahora descargado después de que da su aminoácido a la cadena peptídica en crecimiento. [1]
La mayoría de los ARNm en E. coli están precedidos por una secuencia de Shine-Dalgarno (SD) . La secuencia SD es reconocida por una región "anti-SD" complementaria en el componente de ARNr 16S de la subunidad 30S. En el modelo canónico, el ribosoma 30S se une primero con los tres factores de iniciación, formando un "complejo de preiniciación" inestable. Luego, el ARNm se empareja con esta región anti-SD, lo que hace que forme una estructura de ARN bicatenario, posicionando aproximadamente el codón de inicio en el sitio P. Llega un tRNA fMet iniciador y se posiciona con ayuda de IF2, iniciando la traducción. [1]
Hay muchas incertidumbres incluso en el modelo canónico. Se ha demostrado que el sitio de iniciación no se limita estrictamente a AUG. Las regiones codificantes bien conocidas que no tienen codones de iniciación AUG son las de lacI (GUG) [2] y lacA (UUG) en el operón lac de E. coli . [3] Dos estudios han demostrado de forma independiente que 17 o más codones de inicio distintos de AUG pueden iniciar la traducción en E. coli . [4] [5] Sin embargo, AUG parece ser al menos el codón de iniciación más fuerte entre todas las posibilidades. [1]
La secuencia SD tampoco parece estrictamente necesaria, ya que una amplia gama de ARNm carecen de ella y todavía están traducidas, y todo un filo de bacterias ( Bacteroidetes ) no utiliza dicha secuencia. Simplemente SD seguido de AUG tampoco es suficiente para iniciar la traducción. Al menos funciona como una señal iniciadora muy importante en E. coli . [1]
Cuando se traduce un ARNm policistrónico , un ribosoma 70S finaliza la traducción en un codón de parada . Ahora se ha demostrado que, en lugar de dividirse inmediatamente en sus dos mitades, el ribosoma puede "explorar" hacia adelante hasta encontrar otra secuencia de Shine-Dalgarno y el codón de iniciación aguas abajo, iniciando otra traducción con la ayuda de IF2 e IF3. [6] Se cree que este modo es importante para la traducción de genes que están agrupados en operones policistrónicos, donde el modo de unión canónico puede ser perjudicial debido a las pequeñas distancias entre genes vecinos en la misma molécula de ARNm. [7]
Varios ARNm bacterianos no tienen 5'UTR alguno o tienen uno muy corto. El ribosoma 70S completo, con la ayuda de IF2 (que recluta fMet-tRNA), [8] puede simplemente comenzar a traducir dicho mRNA "sin líder". [1]
Varios factores modifican la eficiencia de la iniciación sin líder. Un grupo 5' fosfato unido al codón de inicio parece casi esencial. [1] AUG se prefiere fuertemente en E. coli , pero no necesariamente en otras especies. IF3 inhibe la iniciación sin líder. [1] Una 5'UTR más larga o una con una estructura secundaria significativa también inhibe la iniciación sin líder. [9]
El alargamiento de la cadena polipeptídica implica la adición de aminoácidos al extremo carboxilo de la cadena en crecimiento. La proteína en crecimiento sale del ribosoma a través del túnel de salida del polipéptido en la subunidad grande. [10]
El alargamiento comienza cuando el fMet-tRNA ingresa al sitio P, lo que provoca un cambio conformacional que abre el sitio A para que se una el nuevo aminoacil-tRNA. Esta unión se ve facilitada por el factor de elongación Tu (EF-Tu), una pequeña GTPasa . Para un reconocimiento rápido y preciso del ARNt apropiado, el ribosoma utiliza grandes cambios conformacionales ( corrección conformacional ). [11] Ahora el sitio P contiene el comienzo de la cadena peptídica de la proteína que se va a codificar y el sitio A tiene el siguiente aminoácido que se agregará a la cadena peptídica. El polipéptido en crecimiento conectado al ARNt en el sitio P se separa del ARNt en el sitio P y se forma un enlace peptídico entre los últimos aminoácidos del polipéptido y el aminoácido todavía unido al ARNt en el sitio A. Este proceso, conocido como formación de enlaces peptídicos , está catalizado por una ribozima (el ARN ribosómico 23S en la subunidad ribosómica 50S). [12] Ahora, el sitio A tiene el péptido recién formado, mientras que el sitio P tiene un ARNt sin carga (ARNt sin aminoácidos). El péptido recién formado en el ARNt del sitio A se conoce como dipéptido y el conjunto completo se llama dipeptidil-ARNt . Se sabe que el ARNt en el sitio P menos el aminoácido está desacilado . En la etapa final de elongación, llamada translocación , el ARNt desacilado (en el sitio P) y el dipeptidil-ARNt (en el sitio A) junto con sus codones correspondientes se mueven a los sitios E y P, respectivamente, y se mueve un nuevo codón. en el sitio A. Este proceso está catalizado por el factor de elongación G (EF-G). El ARNt desacilado en el sitio E se libera del ribosoma durante la siguiente ocupación del sitio A mediante un aminoacil-ARNt nuevamente facilitado por EF-Tu. [13]
El ribosoma continúa traduciendo los codones restantes en el ARNm a medida que se une más aminoacil-ARNt al sitio A, hasta que el ribosoma alcanza un codón de parada en el ARNm (UAA, UGA o UAG).
La maquinaria de traducción funciona relativamente lentamente en comparación con los sistemas enzimáticos que catalizan la replicación del ADN. Las proteínas en las bacterias se sintetizan a una velocidad de sólo 18 residuos de aminoácidos por segundo, mientras que los replisomas bacterianos sintetizan ADN a una velocidad de 1000 nucleótidos por segundo. Esta diferencia en la velocidad refleja, en parte, la diferencia entre polimerizar cuatro tipos de nucleótidos para producir ácidos nucleicos y polimerizar 20 tipos de aminoácidos para producir proteínas. Probar y rechazar moléculas de aminoacil-ARNt incorrectas lleva tiempo y ralentiza la síntesis de proteínas. En las bacterias, el inicio de la traducción ocurre tan pronto como se sintetiza el extremo 5' de un ARNm y se acoplan la traducción y la transcripción. Esto no es posible en los eucariotas porque la transcripción y la traducción se llevan a cabo en compartimentos separados de la célula (el núcleo y el citoplasma).
La terminación ocurre cuando uno de los tres codones de terminación se mueve hacia el sitio A. Estos codones no son reconocidos por ningún ARNt. En cambio, son reconocidos por proteínas llamadas factores de liberación , a saber, RF1 (que reconoce los codones de parada UAA y UAG) o RF2 (que reconoce los codones de parada UAA y UGA). Estos factores desencadenan la hidrólisis del enlace éster en peptidil-ARNt y la liberación de la proteína recién sintetizada del ribosoma. Un tercer factor de liberación RF-3 cataliza la liberación de RF-1 y RF-2 al final del proceso de terminación.
El complejo post-terminación formado al final del paso de terminación consta de ARNm con el codón de terminación en el sitio A, un ARNt sin carga en el sitio P y el ribosoma 70S intacto. El paso de reciclaje de ribosomas es responsable del desmontaje del complejo ribosómico posterior a la terminación. [14] Una vez que la proteína naciente se libera en la terminación, el factor de reciclaje de ribosomas y el factor de elongación G (EF-G) funcionan para liberar ARNm y ARNt de los ribosomas y disociar el ribosoma 70S en las subunidades 30S y 50S. Luego, IF3 reemplaza el ARNt desacilado liberando el ARNm. Todos los componentes de traducción ahora son gratuitos para rondas de traducción adicionales.
Dependiendo del ARNt, IF1 – IF3 también pueden realizar el reciclaje. [15]
La traducción la llevan a cabo más de un ribosoma simultáneamente. Debido al tamaño relativamente grande de los ribosomas, sólo pueden unirse a sitios del ARNm separados por 35 nucleótidos. El complejo de un ARNm y varios ribosomas se llama polisoma o polirribosoma. [dieciséis]
Cuando las células bacterianas se quedan sin nutrientes, entran en fase estacionaria y regulan negativamente la síntesis de proteínas. Varios procesos median en esta transición. [17] Por ejemplo, en E. coli , los ribosomas 70S forman dímeros 90S al unirse con una pequeña proteína de 6,5 kDa, el factor de modulación de ribosomas RMF. [18] [19] Estos dímeros ribosómicos intermedios pueden unirse posteriormente a una molécula de factor de promoción de la hibernación (la proteína de 10,8 kDa, HPF) para formar una partícula ribosomal 100S madura, en la que la interfaz de dimerización está formada por las dos subunidades 30S de los dos participantes. ribosomas. [20] Los dímeros de ribosomas representan un estado de hibernación y son traduccionalmente inactivos. [21] Una tercera proteína que puede unirse a los ribosomas cuando las células de E. coli entran en la fase estacionaria es YfiA (anteriormente conocida como RaiA). [22] HPF e YfiA son estructuralmente similares y ambas proteínas pueden unirse a los sitios catalíticos A y P del ribosoma. [23] [24] RMF bloquea la unión del ribosoma al ARNm impidiendo la interacción del mensajero con el ARNr 16S. [25] Cuando se une a los ribosomas, la cola C-terminal de E. coli YfiA interfiere con la unión de RMF, evitando así la dimerización y dando como resultado la formación de ribosomas 70S monoméricos traduccionalmente inactivos. [25] [26]
Además de la dimerización de los ribosomas, RsfS (anteriormente llamado RsfA o YbeB) puede bloquear la unión de las dos subunidades ribosómicas. [27] RsfS se une a L14, una proteína de la subunidad ribosómica grande y, por lo tanto, bloquea la unión de la subunidad pequeña para formar un ribosoma 70S funcional, lo que ralentiza o bloquea por completo la traducción. Las proteínas RsfS se encuentran en casi todas las eubacterias (pero no en las arqueas ) y sus homólogos están presentes en las mitocondrias y los cloroplastos (donde se denominan C7orf30 e iojap , respectivamente). Sin embargo, aún no se sabe cómo se regula la expresión o actividad de RsfS.
Otro factor de disociación de ribosomas en Escherichia coli es HflX , anteriormente una GTPasa de función desconocida. Zhang et al. (2015) demostraron que HflX es un factor de división de ribosomas inducido por choque térmico capaz de disociar ribosomas vacantes y asociados a ARNm. El dominio efector N-terminal de HflX se une al centro de peptidil transferasa de una manera sorprendentemente similar a la de los factores de liberación de clase I e induce cambios conformacionales dramáticos en los puentes entre subunidades centrales, promoviendo así la disociación de subunidades. En consecuencia, la pérdida de HflX da como resultado un aumento de los ribosomas estancados tras un choque térmico y posiblemente otras condiciones de estrés. [28]
Varios antibióticos ejercen su acción dirigiéndose al proceso de traducción en las bacterias. Aprovechan las diferencias entre los mecanismos de traducción procarióticos y eucariotas para inhibir selectivamente la síntesis de proteínas en bacterias sin afectar al huésped.