domingo, 5 de marzo de 2017

Los ribosomas y sus características



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Los ribosomas son partículas de 15-30 nm de diámetro que aparecen en el citoplasma de células eucarióticas y procarióticas. Los ribosomas de eucariotas son más grandes que los de procariotas. Con este tamaño no son apreciables con el microscopio óptico, aunque se han observado regiones citoplásmicas que se tiñen fuertemente con colorantes básicos, como el violeta de cresilo, denominadas ergastoplasma y donde se acumulan numerosos ribosomas.

Ribosomas y biologia

Normalmente hay más de un millón de ribosomas en cada célula eucariota (con cierta frecuencia, varios millones). En ocasiones los ribosomas se encuentran libres en el citoplasma, mientras que otras están unidos a la cara citoplásmica de la membrana del retículo endoplásmico, dando lugar al retículo endoplásmico rugoso (REr).

La proporción de ribosomas que aparecen libres en el citoplasma o en el retículo endoplásmico rugoso varía según los diferentes tipos celulares. En las células que secretan gran cantidad de proteínas, como las células pancreáticas o las células plasmáticas, hasta el 90% de los ribosomas celulares aparecen en el REr; en las células embrionarias, dónde se precisa una intensa síntesis de proteínas que van a quedar en el interior de la célula, la mayoría de los ribosomas se encuentran libres en el citoplasma.

Frecuentemente aparecen formaciones de 5-20 ribosomas en línea, separados por unos 35 nm, entre los que a veces se distingue un filamento de unos 2 nm de grosor; son los polisomas o polirribosomas que aparecen tanto en los ribosomas libres en el citoplasma como en los unidos al retículo.

Los ribosomas se disocian en dos partes, denominadas subunidades pequeña y grande, de 60 y 40 S en eucariotas, y de 50 y 30 S en procariotas. Ambas subunidades solo se encuentran unidas cuando se está realizando síntesis de proteínas; en otro caso, se encuentran separadas.


- Composición química de los ribosomas


Tras aislarlos mediante centrifugación se ha podido determinar que el 70% de la masa de los ribosomas corresponde a agua, aunque también contienen gran cantidad de ARN y proteínas.

+ ARN ribosómico


Los ribosomas son tan abundantes que el ARN ribosómico (ARNr) puede llegar a ser el 80% del ARN total de la célula. En los ribosomas se encuentra en forma de diferentes cadenas distribuidas en las subunidades pequeña y grande.

En la subunidad 50 S de los ribosomas 70 S hay una cadena de ARN 23 S y otra 5 S, mientras que en la subunidad 30 S solo existe una cadena 16 S. En el caso de los ribosomas 80 S hay tres cadenas de ARN en la subunidad 60 S, que respectivamente son 28, 5.8 y 5 S, y en la subunidad 40 S hay una cadena de ARN 18 S.

En todos los casos se trata de cadenas de ARN con gran cantidad de bases metiladas y numerosas secuencias que pueden formar pares de bases complementarias, dando lugar a pliegues y regiones de doble cadena. Esto produce una estructura secundaria compleja importante para la función que realizan.


+ Proteínas


Las proteínas constituyen del 40 al 50% del peso seco de los ribosomas. Las proteínas de los ribosomas de E. coli han sido caracterizadas. Hay en total 55 proteínas diferentes, 34 en la subunidad mayor (L1-L34) y 21 en la subunidad pequeña (S1-S21).

Los ribosomas de eucariotas tienen 80-85 proteínas (unas 50 en la subunidad L y más de 30 en la S). El que los ribosomas de eucariotas tengan más proteínas que los de procariotas tal vez se debe a que en los eucariotas la síntesis proteica está más regulada que en procariotas, o a que algunas de las proteínas intervienen en el anclaje a la membrana del retículo endoplasmático.

- Estructura de los ribosomas


Mediante técnicas de tinción negativa se ha visto que las subunidades presentan forma asimétrica e irregular. Se ha mapeado la localización de los diferentes componentes en los ribosomas de E. coli, y se ha visto que en la partícula 30 S las proteínas se disponen en el exterior, ocultando al ARNr en el interior de la partícula; en la subunidad 50 S algunas proteínas quedan en el interior de la partícula.

Los ribosomas se reconstituyen espontáneamente in vitro a partir de sus componentes. Este proceso comienza con la unión de determinadas proteínas con el ARN; a este complejo se van uniendo posteriormente otras proteínas. En la unión de las proteínas intervienen sobre todo uniones hidrofóbicas y formación de puentes de H. Mediante la adición secuencial de proteínas se han investigado las interacciones de cada componente y la importancia funcional de cada proteína ribosómica individual.

- Degradación y síntesis de proteínas


+ Degradación de proteínas


La célula necesita continuamente nuevas proteínas ya que estas son degradadas continuamente. Las proteínas celulares tienen una vida media que varía entre algunos minutos hasta algunas semanas (en general es de pocos días), tras lo cual son destruidas; lo mismo sucede con muchas de las proteínas nuevas, que por presentar distintos tipos de errores son destruidas (se calcula que hasta 1/3 de las proteínas recién sintetizadas presentan errores).

Existen tres mecanismos principales de degradación de proteínas en la célula: la degradación lisosomal por proteasas localizadas en los lisosomas; la realizada por las proteasas citoplasmáticas cuando sube la concentración de calcio; y la degradación de estructuras llamadas proteasomas.

Estos proteasomas son estructuras de unos 2000 kDa (es decir son de alrededor de 26 S). Son complejos proteicos situados en el citoplasma y el nucleoplasma que tienen forma general de “barril”, en ocasiones con una “tapa” en cada extremo. Contienen enzimas proteolíticas cuyos sitios activos se sitúan hacia el interior de la estructura, con lo que se consigue que la digestión proteica tenga lugar en un compartimento separado del citosol.

Las proteínas que han de ser degradadas han de ser dirigidas a esta cámara. El mecanismo para dirigir proteínas obsoletas o con errores mejor caracterizado es la poliubiquitinización (unión a la proteína de varias unidades de ubiquitina, una proteína citosólica de solo unos 76 aminoácidos). La ubiquitina se une a través de secuencias que corresponden a la “vida media” de la proteína o secuencias “anormales” que indican que esa proteína no se ha plegado correctamente o está incompleta.

En la segunda fase las unidades de ubiquitina unidas a proteínas interaccionan con componentes de la pared del proteasoma; como resultado la proteína es introducida dentro de esta estructura mientras que la cadena de ubiquitina queda fuera. Por lo tanto, la unión proteína-ubiquitina sirve para el reconocimiento de las proteínas que han de eliminarse. En el interior del proteasoma la proteína es digerida, liberando aminoácidos libres o péptidos de tamaño reducido que podrán ser utilizados de nuevo en la síntesis proteica.

+ Síntesis proteica


Al haber destrucción continua de proteínas ha de darse siempre síntesis de otras nuevas; esto posibilita un control continuo de la composición de proteínas de la célula. La producción de proteínas específicas se realiza mediante la adición de aminoácidos en la secuencia codificada por el correspondiente gen.

En un primer paso el gen (ADN) se transcribe en ARN (ARNm). El ARNm es transportado al citoplasma donde es traducido dando lugar a un polipéptido con la secuencia correspondiente de aminoácidos. Cada aminoácido viene determinado por una tripleta de tres bases en el ARNm, o codón.

Como hay 20 aminoácido y 64 posibles tripletas con las variaciones de las 4 bases tomadas de tres en tres, hay aminoácido que son codificados por más de una tripleta, y se dice que el código genético está degenerado o es redundante. Además, hay algunas tripletas que determinan la terminación o iniciación del proceso de síntesis.

No existe especificidad directa entre un aminoácido y su codón correspondiente que asegure que un aminoácido determinado se dispone en el orden indicado por su codón. Esta especificidad se consigue por la unión del aminoácido a un ARN de transferencia (ARNt) específico, que actúa como adaptador entre los diferentes codones y su aminoácido correspondiente.

El ARNt, de 70-90 nucleótidos, adopta una estructura en hoja de trébol, con regiones complementarias de bases. Por su extremo 3’ forma un enlace con su aminoácido correspondiente a través del grupo -COOH de éste.

Un aminoácido determinado solo se une a su(s) ARNt específico(s) por la acción de una enzima aminoacil ARNt sintetasa propia; existe una aminoacil sintetasa para cada aminoácido, para asegurar que cada uno solo se une al ARNt adecuado.

En una de sus asas el ARNt posee una tripleta de bases complementaria a la que codifica su aminoácido específico en el ARNm, o anticodón. La interacción de cada codón con su anticodón correspondiente determina, por tanto, la secuencia de aminoácidos, y de esta forma la secuencia de aminoácidos corresponde con lo codificado en el gen de esa proteína.

La síntesis de una nueva cadena peptídica comienza cuando un aminoacil-ARNt se sitúa sobre su codón complementario en el ARNm; a su lado, en la dirección 3’, se dispone otro aminoacil-ARNt. Los dos aminoácidos quedan próximos y forman un enlace peptídico (R’-CO-NH-R”) entre ellos.

La formación del enlace peptídico requiere aporte de energía, que es proporcionada por la rotura del enlace éster del primer aminoácido con su ARNt. Al liberarse el primer aminoácido de su ARNt, la cadena de dos aminoácidos queda unida solo al ARNt del segundo (es un peptidil-ARNt), situado sobre el ARNm. Este proceso se repetiría hasta la traducción de todo el ARNm.


+ Fases de la síntesis proteica


Para describir el proceso de síntesis pueden considerarse tres fases, iniciación, elongación y terminación. En todas estas fases, además de las proteínas ribosómicas intervienen proteínas que se encuentran libres en el citoplasma conocidas como factores de iniciación, de elongación y de terminación.

En la iniciación se produce la interacción de la partícula ribosómica con el ARNm y con el primer aa-ARNt (aa1, que en procariotas corresponde al aa fMet). Este último queda en el sitio P del ribosoma.

La elongación supone en primer lugar la incorporación al sitio A libre del segundo aa-ARNt, con la formación de un enlace peptídico entre aa1 (que se libera de su ARNt) y aa2, con lo que comienza la síntesis de la cadena peptídica. Después de esto se produce el desplazamiento (translocación) del ribosoma sobre la cadena de ARNm, moviéndose la longitud de un codón en dirección 3’; con esto, el sitio P queda ocupado con el segundo ARNt unido al dipéptido, en el sitio E queda el primer ARNt (que se expulsa), y el sitio A queda vacío.

De esta forma se ha producido un ciclo de elongación, que se repetirá hasta sintetizar todos los aminoácidos de la cadena peptídica. Cada ciclo en procariotas dura alrededor de 1/20 segundos, mientras que es más lento en eucariotas (1/2 segundos).

La terminación se produce cuando se alcanza el final de la secuencia de aminoácidos, marcado por un codón de terminación (normalmente UAA, UAG, UGA). Al aparecer un codón de terminación en el sitio A se rompen enlaces que conducen finalmente a la disgregación del complejo, quedando libres el ARNm, el ARNt y las dos subunidades ribosómicas, lo mismo que la cadena peptídica formada.

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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, estudiante de Biología en la Universidad de Málaga.