Durante la síntesis de proteínas (traducción), se ha estimado que la tasa general de incorporación errónea está en el rango de [matemáticas] 6 \ veces 10 ^ {- 4} [/ matemáticas] a [matemáticas] 5 \ veces 10 ^ {- 3} [/ math] por aminoácido incorporado. Esta tasa de error representa un compromiso entre los requisitos opuestos para mantener la producción de proteínas funcionalmente inactivas a un nivel tolerablemente bajo, frente a los altos costos energéticos que serían necesarios para alcanzar niveles más altos de fidelidad, y la necesidad de velocidad y eficiencia en la traducción. Dada la distribución típica de longitudes de proteínas en organismos, las estadísticas de Poisson nos informan que permitir más que en algún lugar en el rango de [math] 10 ^ {- 3} [/ math] errores por aminoácido incorporado daría como resultado una tasa inaceptable de producción de proteínas funcionalmente inactivas para los productos de traducción más grandes: [math] ^ {\ text {[note 1]}} [/ math]
Fuente: ¿Qué tan grande es la proteína “promedio”?
Se emplean tres estrategias para mejorar la fidelidad de la traducción: edición, corrección de lectura cinética y ajuste inducido.
Los errores generalmente son errores de sustitución o error de sentido que ocurren durante dos pasos clave del proceso de traducción
- Enlace incorrecto de un aminoácido a su tRNA cognado durante el paso aminoacil-tRNA sintetasa
- Selección de un ARNt incorrecto durante la elongación.
Otros tipos de error, incluida la selección incorrecta del sitio de inicio, el cambio de marcos y la terminación inapropiada, también ocurren durante la traducción, pero han sido menos estudiados.
¿Es seguro tomar el aminoácido tirosina?
¿Qué elementos debe contener un vector de expresión de mamíferos?
¿Cómo describirías la función del retículo endoplásmico?
¿Cómo funciona e. coli desenrollar el ADN de doble hélice e iniciar la síntesis de ADN?
¿Por qué las enzimas a temperaturas más altas no se desnaturalizan en extremófilos?
Edición en el paso aminoacil-tRNA sintetasa
La aminoacilación implica la selección de dos sustratos apropiados, el ARNt y el aminoácido, por la correspondiente aminoacil-ARNt sintetasa (aaRS).
Fuente: Aminoacil tRNA sintetasa – Wikipedia
- Los tRNA son relativamente grandes y contienen un gran número de determinantes que permiten interacciones específicas con el aaRS.
- La asociación de ARNt con sus aaRS específicos es por lo tanto altamente precisa
- Arriba hay una ilustración “seccionada” de un ARNt complejado con el dominio de unión de su correspondiente aaRS, que muestra sus extensas asociaciones estrecha y específica. Las hélices alfa del sitio de unión son marrones, las láminas beta son azules, y los hilos de lavanda delgados representan tramos de espiral aleatorios del sitio de unión.
- Los aminoácidos son más pequeños y sus cadenas laterales tienen menos determinantes distintivos.
- La mayoría de los aminoácidos son fáciles de distinguir
- Algunos pares de aminoácidos son difíciles de distinguir. Por ejemplo, la treonil-ARNt sintetasa debe discriminar la treonina de la valina, que es “isotérica”, y de la serina, que es más pequeña que la treonina, pero que tiene un grupo γ-hidroxilo.
Fuente: Estructura de treonina
La reacción de aminoacilación se produce en dos pasos.
- El aminoácido se activa por adenilación (que consume ATP)
- Luego se transfiere al tRNA (liberando AMP).
En la mayoría de los casos, la exclusión estérica de aminoácidos con cadenas laterales incorrectas y el reconocimiento de las propiedades específicas de cada aminoácido hacen que estos pasos sean lo suficientemente específicos para que solo se pueda activar y transferir el aminoácido correcto. Pero cuando las especificidades químicas de las selecciones alternativas de aminoácidos no son lo suficientemente distintas como para garantizar una selección precisa, las enzimas aaRS incluyen un segundo sitio activo llamado sitio de edición, que es distinto del sitio de síntesis.
Modelo de fidelidad “doble-tamiz”. Fuente: fidelidad en la síntesis de proteínas
En el modelo de fidelidad de “doble criba”, el sitio sintético de la enzima actúa como el primer tamiz, excluyendo los aminoácidos que son demasiado grandes o que no pueden establecer interacciones específicas. La treonil-ARNt sintetasa, por ejemplo, excluye los aminoácidos que tienen una cadena lateral demasiado grande, así como aminoácidos tales como la valina, que son de un tamaño similar pero carecen de un grupo γ-hidroxilo. Sin embargo, este primer tamiz no es perfecto.
El sitio de edición proporciona el papel del segundo tamiz. En el caso de la treonil-ARNt sintetasa, la treonina tiene una cadena lateral demasiado voluminosa para llegar a este segundo sitio, pero los aminoácidos pequeños como la serina que se deslizó a través de la primera selección pueden alcanzar este segundo sitio. La edición disminuye la tasa de error de treonil-ARNt sintetasa del rango [math] 10 ^ {- 3} [/ math] al [math] 10 ^ {- 4} – 10 ^ {- 5} [/ math].
En general, la edición contribuye con un aumento de 5 a 100 veces en la selectividad global. La edición puede ocurrir al nivel del aminoácido activado (es decir, antes de que se forme el enlace aminoacilo) o al nivel del aminoacil-ARNt (es decir, después de la transferencia). En general, la edición posterior a la transferencia parece predominar in vivo .
Revisión cinética y ajuste inducido en la selección de ARNt
Dada la baja frecuencia de error ([math] 10 ^ {- 4} – 10 ^ {- 5}) [/ math] de tRNA aminoacylation, el [math] 6 \ times 10 ^ {- 4} [/ math] to [ math] 5 \ times 10 ^ {- 3} [/ math] frecuencia de error observada en el proceso de traducción global debe derivar principalmente de errores en la selección del aminoacil-ARNt afín al codón presentado por el ARNm en el ribosoma.
La discriminación entre los diferentes AA-ARNt resulta de las diferencias en la energía libre de la unión codón-anticodón entre los ARNt de aminoacilo afines y no afines. Es fácil discriminar cuando la falta de coincidencia equivale a dos o tres pares de bases. Pero discriminar entre emparejamientos de codón-anticodón con un solo desajuste no es fácil. Además, la selección entre las veinte opciones de AA-tRNA debe ser rápida para mantenerse al día con las tasas de traducción. Simplemente no hay tiempo para establecer un equilibrio entre los diversos AA-ARNt y el complejo ribosoma-ARNm.
Tasas de traducción. Fuente: ¿Qué es más rápido, transcripción o traducción?
La selectividad relativamente pobre posible entre las veintitantas opciones de AA-tRNA se mejora mediante la “corrección de la cinética”.
En el siguiente diagrama, observe que la selección del sustrato se separa en dos fases distintas mediante un paso irreversible (en este caso, hidrólisis de GTP). Esto permite dos oportunidades para examinar y descartar un AA-tRNA incorrecto. La primera selección ocurre cuando AA-tRNAs se entregan al ribosoma en complejos ternarios con el factor de elongación GTPasa EF-Tu (en bacterias, EF1A en eucariotas) y GTP. Los complejos correctamente apareados son más propensos a desencadenar la hidrólisis que los complejos emparejados incorrectamente. Después de la hidrólisis de GTP, el paso de corrección permite una segunda oportunidad para probar la precisión del emparejamiento codón-anticodón. El AA-tRNA afín es más probable que participe realmente en la transferencia de peptidilo que un AA-tRNA no afín, que es probable que se libere desde el ribosoma.
Revisión cinética. Fuente: fidelidad en la síntesis de proteínas
Los AA-tRNAs casi afines, que difieren en sus anticodones por una sola base del anticodón correcto, pasan por la selección inicial, lo que desencadena la hidrólisis de GTP, con una frecuencia de error de aproximadamente [math] 3 \ times 10 ^ {- 2}. [/ math] Estos AA-tRNAs indebidamente enlazados generalmente se rechazan durante la etapa de corrección, lo que aumenta la selectividad en ~ 15-45 veces.
Durante el paso de selección inicial, [math] k_3 [/ math] es más grande para afines AA-tRNAs que para casi-cognate AA-tRNAs. Del mismo modo, durante la corrección, [math] k_5 [/ math] es más grande para afines AA-tRNAs que para casi-cognate AA-tRNAs. Estas diferencias en las velocidades futuras se han atribuido al ajuste inducido: el sustrato correcto, pero no el incorrecto, puede inducir los cambios conformacionales en el complejo enzima / sustrato que da como resultado la catálisis.
Los requisitos conflictivos de fidelidad, velocidad y eficiencia han dictado la precisión del proceso de traducción. Parece ser tan preciso como sea necesario sin incurrir en costos excesivos en otras áreas.
Otras lecturas:
Fidelidad en la síntesis de proteínas (2005)
Fidelidad a nivel molecular: lecciones de la síntesis de proteínas (2013)
[math] ^ {\ text {[note 1]}} [/ math] Los estudios de diversas proteínas sugieren que un reemplazo aleatorio de aminoácidos tiene aproximadamente un 34% de probabilidad de conducir a la inactivación funcional de una proteína. Por lo tanto, las proteínas son tolerantes a una cierta cantidad de error de mala traducción. Ver Tolerancia proteica al cambio aleatorio de aminoácidos (2004)
