La traducción bacteriana es el proceso mediante el cual el ARN mensajero se traduce en proteínas en las bacterias .
La iniciación 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 que se va a traducir; el ARNt cargado con N -formilmetionina (el primer aminoácido en el péptido naciente); guanosina trifosfato (GTP) como fuente de energía, y los tres factores de iniciación procariotas 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 ARNt aminoacilado (excepto el primer ARNt aminoacilado, que entra en el sitio P). El sitio P es donde se forma el ARNt peptidilado en el ribosoma. Y el sitio E es el sitio de salida del ARNt ahora sin carga después de que cede su aminoácido a la cadena peptídica en crecimiento. [1]
La mayoría de los ARNm de E. coli están precedidos por una secuencia Shine-Dalgarno (SD) . La secuencia SD es reconocida por una región "anti-SD" complementaria en el componente 16S del ARNr 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 ARNt fMet iniciador y se posiciona con la ayuda de IF2, iniciando la traducción. [1]
Incluso en el modelo canónico existen muchas incertidumbres. Se ha demostrado que el sitio de iniciación no se limita estrictamente a AUG. Las regiones codificantes 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 que no sean 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 aún así se traducen, y un filo entero 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 de iniciación muy importante en E. coli . [1]
Al traducir un ARNm policistrónico , un ribosoma 70S finaliza la traducción en un codón de terminación . Ahora se ha demostrado que, en lugar de dividirse inmediatamente en sus dos mitades, el ribosoma puede "explorar" hacia adelante hasta que llega a otra secuencia Shine-Dalgarno y al codón de iniciación corriente 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 se agrupan en operones policistrónicos, donde el modo de unión canónico puede ser disruptivo debido a las pequeñas distancias entre genes vecinos en la misma molécula de ARNm. [7]
Muchos ARNm bacterianos no tienen ningún 5'UTR, o tienen uno muy corto. El ribosoma 70S completo, con la ayuda de IF2 (reclutamiento de fMet-ARNt), [8] puede simplemente comenzar a traducir un ARNm "sin líder". [1]
Varios factores modifican la eficiencia de la iniciación sin líder. Un grupo fosfato 5' unido al codón de inicio parece casi esencial. [1] AUG es fuertemente preferido en E. coli , pero no necesariamente en otras especies. IF3 inhibe la iniciación sin líder. [1] Un 5'UTR más largo o uno con una estructura secundaria significativa también inhibe la iniciación sin líder. [9]
La elongación 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]
La elongación comienza cuando el fMet-ARNt entra en el sitio P, provocando un cambio conformacional que abre el sitio A para que se una el nuevo aminoacil-ARNt. Esta unión es 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 va a añadir 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 enlace peptídico , es 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 un nuevo codón se mueve al sitio A. Este proceso es 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 por un aminoacil-ARNt facilitado nuevamente por EF-Tu. [13]
El ribosoma continúa traduciendo los codones restantes en el ARNm a medida que más aminoacil-ARNt se une al sitio A, hasta que el ribosoma alcanza un codón de parada en el ARNm (UAA, UGA o UAG).
La maquinaria de traducción funciona de forma relativamente lenta 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 de velocidad refleja, en parte, la diferencia entre polimerizar cuatro tipos de nucleótidos para formar ácidos nucleicos y polimerizar 20 tipos de aminoácidos para formar proteínas. Analizar y rechazar moléculas de aminoacil-ARNt incorrectas lleva tiempo y ralentiza la síntesis de proteínas. En las bacterias, la iniciación de la traducción se produce tan pronto como se sintetiza el extremo 5' de un ARNm, y la traducción y la transcripción se acoplan. 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 se produce cuando uno de los tres codones de terminación se desplaza al 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 terminación UAA y UAG) o RF2 (que reconoce los codones de terminación UAA y UGA). Estos factores desencadenan la hidrólisis del enlace éster en el 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 consiste en 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 ribosomal post-terminación. [14] Una vez que se libera la proteína naciente 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 traduccionales ahora están libres para rondas adicionales de traducción.
Dependiendo del ARNt, IF1 – IF3 también pueden realizar reciclaje. [15]
La traducción se lleva a cabo por más de un ribosoma simultáneamente. Debido al tamaño relativamente grande de los ribosomas, estos solo pueden unirse a sitios del ARNm separados por 35 nucleótidos. El complejo de un ARNm y varios ribosomas se denomina polisoma o polirribosoma. [16]
Cuando las células bacterianas se quedan sin nutrientes, entran en fase estacionaria y regulan negativamente la síntesis de proteínas. Varios procesos median 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 del ribosoma 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 ribosómica 100S madura, en la que la interfaz de dimerización está formada por las dos subunidades 30S de los dos ribosomas participantes. [20] Los dímeros ribosómicos 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 y 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 al prevenir la interacción del mensajero con el ARNr 16S. [25] Cuando se une a los ribosomas, la cola C-terminal de YfiA de E. coli 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, la unión de las dos subunidades ribosómicas puede ser bloqueada por RsfS (antes llamada RsfA o YbeB). [27] RsfS se une a L14, una proteína de la subunidad ribosómica grande, y de ese modo bloquea la unión de la subunidad pequeña para formar un ribosoma 70S funcional, ralentizando o bloqueando por completo la traducción. Las proteínas RsfS se encuentran en casi todas las eubacterias (pero no en las arqueas ) y hay homólogos 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 la 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 al ARNm. El dominio efector N-terminal de HflX se une al centro de la 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 intersubunitarios centrales, promoviendo así la disociación de subunidades. En consecuencia, la pérdida de HflX da como resultado un aumento de ribosomas estancados tras el choque térmico y posiblemente otras condiciones de estrés. [28]
Varios antibióticos ejercen su acción sobre el proceso de traducción en las bacterias y aprovechan las diferencias entre los mecanismos de traducción procariotas y eucariotas para inhibir selectivamente la síntesis de proteínas en las bacterias sin afectar al huésped.