¿Qué evita que el ARNt no aminoacilado se una al ARNm en el ribosoma y interrumpa la síntesis de proteínas?

Respuesta corta

La unión no enzimática dirigida por codones de tRNA (aminoacilado o no) al sitio A del ribosoma es mucho más débil que la unión (normal) de aminoacil-tRNA complejado con EF-Tu/EF-1, la unión de tRNA. factor de elongación (que discrimina contra el ARNt no aminoacilado). Por lo tanto, no puede competir eficazmente con este último para interrumpir la síntesis de proteínas.

Explicación

Las etapas en la biosíntesis de proteínas relevantes para esta pregunta se muestran a continuación.

En la etapa 1, los ARNt se aminoacilan con su aminoácido afín en una reacción catalizada por una aminoacil-ARNt sintetasa específica.

En la etapa 2, los tRNA aminoacilados (excepto el tRNA iniciador) son reconocidos por un solo factor de elongación (EF-Tu en procariotas, EF-1 en eucariotas) y forman un complejo con él y GTP. El factor de elongación no formará un complejo con el ARNt no aminoacilado (también denominado "desacilado"), y se ha demostrado que esto se debe a diferencias estructurales con respecto al ARNt aminoacilado. Este último es particularmente pertinente a la pregunta, y se discutirá con más detalle a continuación.

En la etapa 3, este complejo se une al sitio A del ribosoma de manera específica de codón. Sin embargo, es importante comprender la fuerza de la interacción entre el factor de elongación y el sitio A del ribosoma en comparación con la interacción ARNt-anticodón sola. Este último es, por supuesto, necesario para la síntesis precisa de proteínas, pero puede considerarse que previene (o más estrictamente retrasa) la disociación del complejo.

Base de la discriminación contra el ARNt no aminoacilado

La discriminación ocurre en la etapa de unión por EF-Tu/EF-1. ¿Qué se sabe sobre su base estructural? Esto parece no ser simplemente el reconocimiento del aminoácido, sino que implica efectos indirectos sobre la estructura del ARNt y su reconocimiento por parte de EF-Tu, como se analiza en el artículo de 1996 del grupo Aarhus que aclara la estructura del aminoacil-tRNA. .EF-Tu complejo . Yo cito:

El tRNA desacilado se une a EF-Tu-GTP con una afinidad que es aproximadamente de cuatro a cinco órdenes de magnitud menor que la del aa-tRNA. Así, el grupo aminoacilo es un discriminador primario en la formación del complejo ternario. Es imposible explicar esto por las interacciones directas con el grupo aminoacilo solo. Otras características estructurales del aa-tRNA deben contribuir a la afinidad.
Ha habido una investigación de larga data sobre los cambios conformacionales del ARNt tras la aminoacilación. Los estudios de fluorescencia... han indicado que se producen cambios conformacionales tras la aminoacilación, aunque de forma diversa entre los aceptores individuales.

Se discute una diferencia estructural precisa:

Es evidente que la aminoacilación del tRNA restringe considerablemente el espacio conformacional del terminal A76. En comparación con la estructura cristalina del complejo ternario, los residuos A73 a C75 de tRNA-Phe desacilado (código de entrada PDB 4TNA) tienen una conformación equivalente, aunque ligeramente desplazados en su posición con respecto a la hélice aceptora. Sin embargo, el residuo A76 terminal en tRNAPhe desacilado adopta una conformación que es imposible en la forma fenilalanilada (fig. 7).

^{[ARNt Phe} libre no acilado (izquierda) y Phe-ARNt ^Phe acilado del complejo ternario (derecha)]

Puede verse que los residuos 73–76 están cerca del extremo 3′ del tRNA donde se une la fenilalanina (Phe).

Perspectiva evolutiva

Se supone que la síntesis de proteínas primitivas no involucró factores de elongación. Habría sido importante evitar la unión improductiva del ARNt no aminoacilado al ribosoma y la competencia con el ARNt aminoacilado postulada en la pregunta. Un primer paso hacia esto puede haber sido la evolución de un sitio A ribosómico que pudiera discriminar entre las estructuras del ARNt aminoacilado y no aminoacilado. El desarrollo del factor de elongación de unión al ARNt, además de hacer que el proceso sea más eficiente, habría amplificado esta discriminación que está en el rango de 10-200x , dependiendo de la concentración de iones de magnesio (que aumentan artificialmente la unión del ARNt no aminoacilado) .

En algunas bacterias, se ha demostrado que los ARNt sin carga se unen al ribosoma. De hecho, esa unión es responsable de la "respuesta estricta", un mecanismo que indica que la célula se está quedando sin aminoácidos ^1,2 .

De Raina e Ibba (2014):

RelA es una (p)ppGpp sintasa asociada al ribosoma que detecta la presencia de ARNt sin carga que se acumulan en el sitio del ribosoma A como resultado de la limitación de aminoácidos. La presencia del ARNt sin carga actúa como una molécula efectora, deteniendo la síntesis de proteínas y activando RelA, que luego sintetiza pppGpp y ppGpp mediante la fosforilación de GTP o GDP utilizando ATP como donante de fosfato (Haseltine y Block, 1973; Sy y Lipmann, 1973).

Se ha propuesto un mecanismo similar para operar en eucariotas ^1,3,4 .

Nuevamente, de la misma sección de Raina & Ibba (2014):

Se ha propuesto que la discriminación entre el tRNA cargado y no cargado por Gcn2p ocurre a través de un mecanismo análogo de activación de la proteína RelA como se observa en E. coli por la presencia de tRNA no cargado en el sitio de decodificación (A) en los ribosomas de traducción. La activación de Gcn2p por tRNA sin carga requiere su asociación con el ribosoma a través de su región C-terminal y también interacciones entre el extremo N de Gcn2p y el complejo proteico Gcn1p-Gcn20p que también está asociado con el ribosoma.

Y, del último párrafo de la discusión en Dong et. Alabama. (2000):

Anteriormente hemos argumentado que los ARNt sin carga unidos al sitio de decodificación (A) del ribosoma y emparejados con sus codones afines en el ARNm activan GCN2 (15).

Referencias:

1. Raina, M. e Ibba, M. (2014). Los ARNt como reguladores de procesos biológicos. Fronteras en genética, 5, 171.

2. Haseltine, WA y Block, R. (1973). La síntesis de tetra- y pentafosfato de guanosina requiere la presencia de un ácido ribonucleico de transferencia no cargado específico de codón en el sitio aceptor de los ribosomas. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 70(5), 1564-1568.

3. Dong, J., Qiu, H., García-Barrio, M., Anderson, J. y Hinnebusch, AG (2000). El ARNt sin carga activa GCN2 al desplazar el resto de proteína quinasa de un dominio de unión a ARNt bipartito. Célula molecular, 6(2), 269-279.

4. Ramírez, MANUEL, Wek, RC y Hinnebusch, AG (1991). Asociación de ribosomas de la proteína quinasa GCN2, un activador de la traducción del gen GCN4 de Saccharomyces cerevisiae. Biología molecular y celular, 11(6), 3027-3036.