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20 de julio de 2000
Una técnica muestra el movimiento progresivo de los ribosomas
Utilizando una técnica llamada criomicroscopia
electrónica tridimensional, investigadores han detectado una
rotación progresiva en el interior de la pequeña
"fábrica" celular que produce las proteínas, en un
momento clave del proceso de construcción proteica.
El movimiento progresivo del ribosoma, una gran organela productora
de proteínas, consiste en una rotación rápida de
una de las subunidades ribosomales respecto de la otra, a medida que el
ARN mensajero (ARNm) y las moléculas unidas de ARN de
transferencia (ARNt) avanzan codón a codón. El
investigador del Instituto Médico Howard Hughes, Joachim Frank y su colega
Rajendra Kumar Agrawal, en Health Research Inc., en el Centro Wadsworth
en Albany, Nueva York, informaron su descubrimiento en el número
del 20 de julio de 2000, de la revista Nature.
El descubrimiento resalta la creciente capacidad de los
investigadores para desmenuzar los detalles de la síntesis de
proteínas, un proceso biológico clave que tiene lugar en
toda célula viva.
"Esto es sólo el comienzo de lo que está por venir",
dijo Frank sobre la labor de su laboratorio para entender las
contorciones intrincadas del ribosoma. "También hemos visto
otros movimientos que desempeñan una función clave en la
función ribosomal y que continuaremos explorando".
El ribosoma es un gran complejo molecular de ARN y proteínas.
Cuando los ribosomas se aíslan de los extractos celulares, se
obtienen dos fracciones distintas. Una fracción consiste en una
subunidad pequeña, llamada subunidad 30S, y la otra
fracción consiste en una subunidad mayor, que se llama subunidad
50 S. La subunidad 30S une tanto al ARNm como al ARNt, que lleva cada
aminoácido específico que será adicionado a la
molécula de proteína en crecimiento, que tiene forma de
cadena. De esta manera, mientras la unidad 30S ayuda a la "lectura" del
ARNm, la subunidad más grande, 50S, cataliza la formación
del enlace entre cada aminoácido y la proteína
creciente.
Después de que se lleva a cabo cada enlace, una
molécula llamada factor de elongación G, se une al
ribosoma. Esta unión, junto con la reacción
química de la molécula GTP, que contiene energía,
activa la translocación, o movimiento, del ARNm y de los ARNt
unidos a él por una unidad, o codón. Una vez que se
mueve, el ARNm puede ser leído para determinar el
aminoácido siguiente que se agregará.
Un interrogante central, dijo Frank, era si las dos subunidades
ribosomales experimentaban alguna forma de movimiento relativo una con
respecto a la otra, para facilitar la translocación.
"Por años han existido hipótesis sobre el movimiento
de la subunidad", dijo Frank. "Pero nunca ha habido una
confirmación directa de esto. El problema era que toda la
evidencia era indirecta. Estudios de dispersión de rayos X, por
ejemplo, indicaban cambios en regiones específicas de las
subunidades entre un estado y el otro, pero nunca fueron observados
directamente. Y recién ahora, con la criomicroscopia
electrónica, podemos visualizar el ribosoma con tal
claridad".
La criomicroscopia electrónica (crio-ME) es una de las pocas
técnicas capaces de visualizar moléculas grandes y
dinámicas. En la preparación para crio-ME, los
investigadores primero sumergen a los ribosomas en una solución
acuosa y luego los congelan abruptamente en etano líquido,
sumamente frío. El congelamiento rápido encierra a los
ribosomas en el hielo, preservando así su estructura nativa.
Utilizando un microscopio electrónico con una intensidad de
emisión extremadamente baja, para evitar dañar las
moléculas, los científicos obtuvieron imágenes de
los miles de los ribosomas capturados en el hielo. Los
científicos emplearon un sofisticado análisis de
imágenes computarizado para producir un mapa detallado y
tridimensional del movimiento del ribosoma, a partir de las
imágenes producidas por el microscopio electrónico que,
de otra manera, serían poco claras y de bajo contraste.
Para capturar al ribosoma en el momento de la translocación
de ARNm y ARNt, los científicos agregaron a los ribosomas un
análogo inoperante del GTP junto con el factor de
elongación G, deteniendo eficazmente la síntesis proteica
en donde se encontraba.
"La utilización de este análogo permitió
capturar un estado en el cual el factor de elongación
está unido al ribosoma, pero no avanza", dijo Frank. "De esta
manera, todo el sistema se congela por medios químicos".
Sus análisis de los ribosomas congelados químicamente
revelaron que cuando el factor de elongación y el GTP se unen a
la subunidad 30S, esta rota cerca seis grados con respecto a la
subunidad 50S. Y luego de la reacción química del GTP, la
subunidad 30S rota hacia atrás.
"Esta rotación prosigue con otros movimientos", dijo Frank.
"Si uno mira el canal de entrada al ribosoma para el ARNm, normalmente
parece angostarse y ensancharse a medida que la subunidad se mueve
hacia adelante y hacia atrás. Es exactamente la abertura
esperada si uno piensa que el ARNm en un estado tiene que estar libre
para moverse y en el otro estado necesita estar afirmado e impedido de
movimiento".
Según Frank, avances adicionales de crio-ME, junto con
análisis detallados de resolución atómica de
estudios de cristalografía de rayos X, deberían
proporcionar una comprensión aún mayor del movimiento
ribosomal durante síntesis proteica.
Frank y sus colegas están desarrollando, en este momento, una
técnica para sincronizar los procesos ribosomales un instante
antes de su congelamiento, para que los miles de ribosomas que se
congelan en una preparación determinada, sean detenidos en el
mismo momento durante la síntesis proteica. Tal
sincronización le permitiría a los investigadores
estudiar la masa de ribosomas en cualquier punto en particular, para
entender mejor cómo los ribosomas dirigen la construcción
de proteínas.
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