La sintesis de proteinas integra todo el dogma central: transcripcion (DNA→RNA), procesamiento del mRNA en eucariotas, exportacion nuclear, y traduccion (RNA→proteina). Es el proceso mas costoso energeticamente en la celula.
Dogma central (Crick, 1958): DNA → RNA → Proteina. Con excepciones notables: retrovirus (RNA→DNA via transcriptasa reversa) y priones (proteina→proteina).
Procesamiento del mRNA (eucariotas)
- 5' cap: 7-metilguanosina protege y facilita exportacion
- Splicing: Espliceosoma remueve intrones, une exones
- Poly-A: Cola de ~200 adeninas estabiliza mRNA
- Splicing alternativo: Un gen → multiples proteinas
Dato: ~95% del transcrito primario humano se descarta como intrones.
Destino de proteinas
- Citoplasma: Ribosomas libres (enzimas solubles)
- Secrecion/membrana: RER + Golgi (senal peptido)
- Mitocondria: Senal de importacion N-terminal
- Nucleo: NLS (senal de localizacion nuclear)
- Peroxisoma: SKL C-terminal
Experimentos guiados
El costo energetico de sintetizar una proteina de N aminoacidos es aproximadamente 4N ATP (2 para aminoacil-tRNA + 2 para elongacion), mas el costo de transcripcion (~2 ATP por nucleotido).
Procedimiento
- Selecciona un gen de 300 codones (900 nt de CDS)
- Calcula ATP para transcripcion: ~2 ATP x 900 nt = 1800 ATP
- Calcula ATP para traduccion: ~4 ATP x 300 aa = 1200 ATP
- Anade costos de plegamiento (chaperonas usan ATP) — estima ~200 ATP adicionales
Analisis
Una proteina de 300 aa cuesta ~3200 ATP. Compara con la sintesis de ~1000 ATP por molecula de glucosa oxidada. Reflexiona por que las celulas reciclan proteinas en lugar de degradarlas todas.
El paso limitante en la sintesis de proteinas es la traduccion (no la transcripcion), porque multiples ribosomas pueden traducir simultaneamente un mismo mRNA (polisomas).
Procedimiento
- Mide la tasa de transcripcion: ~20-50 nt/segundo en eucariotas
- Mide la tasa de traduccion: ~5-20 aa/segundo por ribosoma
- Calcula cuantos ribosomas caben en un mRNA (1 cada ~30-40 nt)
- Calcula produccion total de proteina por mRNA por minuto
Analisis
Aunque traduccion es "lenta", los polisomas amplifican la produccion. Calcula que un mRNA puede producir ~40-50 copias de proteina antes de degradarse. Esto explica por que bloquear traduccion (antibioticos) es tan efectivo.
Los genes altamente expresados usan preferentemente codones "optimos" que corresponden a tRNAs abundantes, lo que acelera la traduccion y reduce errores.
Procedimiento
- Compara la secuencia de un gen altamente expresado (ej: histonas, actina)
- Analiza el uso de codones vs. un gen poco expresado
- Simula traduccion con codones optimos vs. codones raros
- Mide la tasa de produccion y la frecuencia de errores (stalling)
Analisis
Codones raros causan pausas ribosomales que pueden ser regulatorias (plegamiento co-traduccional) o problematicas. La optimizacion de codones es crucial en biotecnologia para expresion heterologa.
Este concepto integra multiples simulaciones
Limitaciones del modelo
- Simplificacion espacial: No modela el transporte fisico entre compartimentos (nucleo→citoplasma→ER)
- Tiempo real: En la realidad, transcripcion toma minutos, traduccion segundos-minutos, plegamiento milisegundos-minutos
- Regulacion omitida: miRNAs, RNA-binding proteins, y degradacion de mRNA no se muestran
- Modificaciones: No incluye modificaciones post-traduccionales (fosforilacion, glicosilacion, etc.)
Preguntas de reflexion
- Por que crees que las celulas evolucionaron para separar transcripcion y traduccion en eucariotas, cuando en procariotas estan acopladas?
- Si el splicing alternativo permite que un gen produzca multiples proteinas, como afecta esto nuestra estimacion del numero de "genes" necesarios para un organismo complejo?
- Muchos antibioticos funcionan bloqueando la traduccion bacteriana. Por que no afectan a las celulas humanas, si el proceso es fundamentalmente similar?
- Como podria una mutacion en la senal de localizacion (NLS, senal ER) afectar la funcion de una proteina aunque su secuencia catalitica este intacta?