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Introducción:
Los aminoacidos son las subunidades de las proteinas y poseen todos la misma estructura basica: un atomo central de carbono (carbono α), un grupo amino (NH2) en el carbono α, un grupo carboxilo (COOH), una cadena lateral (R). Existen 20 aminoácidos conocidos con la función de formar proteínas en los seres vivos Existen esteroisomeros D y L para todos ellos, excepto para la glicina, ya que el carbono α es asimetrico en todos, salvo en este aminoacido. En el hombre solo se encuentran en forma L. (Manson, 2003). En los últimos años dos nuevos aminoácidos se han sumado a esta lista. Se trata de la selenocisteína, que se descubrió en 1986 y que está presente en procariontes y en animales, incluidos los mamíferos. El otro es la pirrolisina, comunicada en 2002 y presente en procariontes. El caso de estos dos nuevos aminoácidos es extraordinario dado a que están codificados directamente del DNA. Se comprobó que son codificados por los codones del RNA cuyo significado original era el detener la adición de aminoácidos en la síntesis de proteínas (STOP).
NUEVOS AMINOACIDOS Desarrollo……………………………………….………… .………………….…………4
Pirrolisina…………………………………………………………..……4 Selenocisteína………....………………………………………………7 P-aminofenilalanina…………………………………………………11
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DESARROLLO:
Pirrolisina:
Es un aminoácido natural codificado en el genoma, derivado de la lisina. Empleado por algunas bacterias metanógenas. Se encuentra codificada en el ADN por el codón UAG (normalmente la señal de parada Ámbar). Investigadores de la Univesidad de Ohio , Joseph Krzycki y Michael Chan ,han descubierto un nuevo aminoácido, el 22, al cual le han dado el nombre de pirrolisina y lo han descubierto en la bacteria Methanosarcina barkeri que se encuentra en el aparato digestivo del ganado vacuno. Su descubrimiento lo han publicado en Science [Srinivasan, G. James, C. M. & Krzycki, J. A. Pyrrolysine encoded by UAG in Archaea: charging of a UAG-decoding specialized tRNA. Science, 296, 1459 - 1462, (2002). Las arqueas utilizan este aminoácido inusual en las proteínas que necesitan para la conversión de energía. La pirrolisina está situado en el centro catalítico de las proteínas y es esencial para su función. El proceso de generación de energía de las arqueobacterias no funcionaría sin pirrolisina.(ScienceDaily, 2011) Los esfuerzos para aumentar la variedad de la estructura y función de proteínas se han centrado en la ampliación del código genético más allá de estos límites naturales, para codificar específicamente los aminoácidos sintéticos. Para este fin, los componentes de la síntesis de proteínas han sido sistemáticamente rediseñado, un enfoque que ya ha permitido la incorporación específica de sitio de los análogos de tirosina en respuesta a codones de terminación UAG (ámbar). Sorprendentemente, los trabajos recientes sugiere que la naturaleza puede tener adelantado aspectos de esta estrategia, el análisis estructural de un Archaeal metiltransferasa ha revelado que contiene el aminoacido pirrolisina previamente desconocido, que parece ser co-traduccional durante la síntesis de proteínas en respuesta a un codón ámbar en particular. La Methanosarcinaceae se encuentran entre las más versátiles metabólicamente de las arqueas, siendo capaz de desarrollarse en una amplia gama de sustratos metanogénicas, incluyendo mono-, di- y trimetilaminas. Un paso inicial en el catabolismo de las metilaminas es su activación por una específico metiltransferasa, tales como monometilamina metiltransferasa. Estudios previos del gen que codifica Methanosarcina barkeri monometilamina metiltransferasa (mtmB1) reveló 3
que contenía un marco en el codón ámbar traducido como lisina o un derivado de lisina. En el examen de la región del cromosoma que rodea el mtmB1 se descubrió los genes de un Arnt (tRNA CUA) que contiene un anticodon ambar y de una supuesta clase II de aminoacil-tRNA sintetasa (PylS). En ensayos de aminoacilación in vitro mostraron que pylS es capaz de catalizar la unión dependiente de ATP de lisina a tRNA CUA, lo que sugiere un mecanismo por el cual el marco en el codón ámbar de mtmB1 podría traducirse como lisina. Aunque este descubrimiento de un nuevo tRNA: aminoacil-tRNA sintetasa par es sin precedentes en su propio derecho, que parece ser sólo el primer paso de un proceso notable. La solución de la estructura cristalina de metiltransferasa monometilamina reveló que el residuo UAG-codificada en realidad no es lisina, pero si pirrolisina (Figura 1), un nuevo aminoácido que - basándose en su contexto estructural - parece jugar un papel esencial en la activación de metilamina. Tomados en conjunto, estos resultados proporcionando la tentadora posibilidad de que el marco en el codón ámbar en mtmB1 se traduce directamente como pirrolisina. Hay dos posibles rutas por las que pirrolisina podrían ser introducidas en la metiltransferasa monometilamina: modificación post-traduccional de la lisina en la proteína madura de inserción o co-traduccional a través de pirrolisin-tRNA formado por pre-translacional modificación. Mientras que los estudios actuales no proporcionan evidencia directa para apoyar cualquiera de las rutas, el hallazgo del tRNA inusual: aminoaciltRNA sintetasa par necesario para generar un ARNt supresor amino-acilado capaz de reconocer el codón UAG presta apoyo a la idea de que puede ser pirrolisina co- traduccionalmente insertado. Esto plantea la cuestión de cómo se sintetiza pirrolisin-tRNA CUA. Una vez más, hay dos posibilidades, ya sea que la pirrolisina libre está unida directamente a tRNA o el resto de pirrolisina es sintetizada por pretranslacional modificación de lisin-tRNACUA. El hecho de que la lisina es en sí mismo un sustrato para pylS in vitro parecen argumentar en contra de que la pirrolisina esta directamente conectada a tRNA, dado el problema implícito de competición por el sustrato y los errores posteriores en la síntesis de proteínas. Este problema 4
podría evitarse si pylS genera primero lisin-tRNA CUA y este posteriormente se modificó para dar pirrolisin-tRNACUA. En comparación, las rutas indirectas se utilizan para la síntesis de asparaginilo, formilmetionil, glutaminilo-y-tRNAs selenocistenilo precursores de aminoacil-tRNA por lo que hay numerosos precedentes. Identificado dos genes adicionales de función desconocida, pylB y pylC, que cotranscribe con pylS y tRNACUA, sugieren que los productos de estos genes , y posiblemente la de otro gen contiguo , pylD, podría participar en la síntesis de pirrolisil-tRNA, (Figura 2).
Fig. 2. Presuntos esquema para la inserción co-traslación de pirrolisina en los codones ámbar. Un ámbar tRNA supresión (tRNA CUA) primero se carga con lisina por pylS dar Lys-tRNA CUA. Lys-tRNACUA somete a pre-translacional modificación para producir Pyl-tRNA CUA que luego se utiliza para la traducción en los codones ámbar en marco durante la síntesis de la proteína ribosomal.
El descubrimiento de pirrolisina plantea todo tipo de preguntas, el más inmediato de los cuales se refiere a la distribución de este nuevo aminoácido. Mientras la metiltransferasa mono-metilamina contiene el único ejemplo conocido hasta la fecha, la presencia de codones en marco de ámbar en los diversos genes para las tres metiltransferasas metanógeno, y muchas otras enzimas tales como- metilasas, transporasassugiere que el uso de pirrolisina podría ser extendida en el Methanosarcinaceae, y el análisis de la secuencia del genoma indican que también puede estar presente en la bacteria Desulfitobacterium hafniense. Dado a que el codón UGA también tiene otro seguimiento que es el STOP existe la forma de diferenciar estos casos como en la incorporación de la 5
Selenocisteina en codones de terminación en marco UGA plantea un problema similar, que es superada por medio de interacciones concertadas entre mRNA, estructuras especializadas, factores de elongación y proteínas accesorias. Existiendo un mecanismo similar para la pirrolisina El éxito de los esfuerzos recientes para dar cabida a una variedad de nuevos aminoácidos dentro de la maquinaria de síntesis de proteínas sugiere que el código genético puede contener más información que los 21 aminoácidos conocidos. El caso de pirrolisina parece proporcionar una confirmación sorprendente de esta predicción, y cualquiera que sea el "dónde", "cómo" y "por qué" de la incorporación pirrolisina, este aminoácido representa una adición nueva y fascinante a la serie natural de los bloques de construcción de proteínas. (Ibba y Söll, 2002)
Selenocisteína
Se descubrió en 1986 y se le dio el nombre de selenocisteína. Se codifica con UGA, es decir: se codifica con un símbolo de STOP. La selenocisteína (Sec, en código de tres letras; U, en código de una letra); un análogo de la cisteína (Cys), que contiene Se en lugar de azufre (S) (Figura 1). La selenocisteína tiene algunas diferencias con la cisteína, la más importante es su pKa: en tanto el pKa de Cys es 8.3, el de Sec es de 5.2, lo cual implica que a pH neutro el tiol de Cys está mayoritariamente en su forma neutra (protonada), en tanto el grupo selenol de Sec está cargado negativamente, como selenolato (ver Figura 1); además el átomo de Se tiene mayor polarizabilidad que el del S. Estas características confieren mayor nucleofilia al átomo de Se (con M respecto al S) en un rango más amplio de pH, y por tanto una mayor reactividad. Las enzimas que contienen Sec en el sitio activo son, por norma, catalíticamente más eficientes que las homólogas que contienen Cys . En cierta medida Sec puede considerarse una “súper cisteína” de reactividad extrema. De
hecho, en las selenoproteínas de función conocida Sec está involucrada siempre en la función proteica, en reacciones redox. Es interesante señalar en el paralelismo con Cys (el único otro aminoácido que participa en reacciones redox) que si bien Sec puede sustituir a Cys en catálisis redox, no sustituye a Cys en el plegamiento oxidativo, ni en la catálisis no redox. 6
Al hallazgo de que el selenio estaba como Sec en ciertas enzimas siguieron otros más sorprendentes: Sec es incorporado a las cadenas polipeptídicas en crecimiento en el ribosoma, pero a diferencia de los 20 aminoácidos canónicos, Sec es codificada por un codón UGA (un codón que usualmente especifica la terminación de la síntesis de la cadena polipeptídica), reprogramado para codificar Sec por un elemento de incorporación de Sec (elemento SECIS, del inglés Sec Insertion Sequence) presente, exclusivamente en los ARNm de las selenoproteínas (Figura 2).
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El elemento SECIS es el que desambigua el significado del codón UGA, y se localiza “secuencia abajo” del codón UGA: 10 nucleótidos hacia el
extremo 3´ del ARNm en bacterias, y en la región 3´ no traducida en archaeas y eucariotas. Aunque varían en secuencia todos poseen una estructura de “tallo -bucle” conservada. Estos hallazgos permitieron ampliar el código genético que se suponía que contenía solamente 20 palabras, e incorporar el concepto de la “codificación a distancia”. La dilucidación
del mecanismo completo de incorporación de Sec fue liderada por el grupo de A. Böck en Alemania, en una serie de artículos clásicos que identificaron todos los genes que participan en la vía de incorporación de selenio en bacterias. Además de la recodificacíon de un codón UGA por el elemento SECIS, otros aspectos novedosos surgieron de estas investigaciones del grupo alemán. A diferencia de los aminoacil-ARNt convencionales, que son reconocidos por un factor de elongación general, denominado EF-Tu, que media la incorporación de los aminoacilARNt al ribosoma, el selenocisteinil-ARNt Sec es reconocido por un factor de elongación específico (denominado SelB o EF-Sec), el cual reconoce además de GTP y ARNtSec , al elemento SECIS del ARNm y media la incorporación del ARNt Sec al ribosoma. En eucariotas el factor de elongación que une SecARNt Sec no interacciona directamente con el elemento SECIS, sino a través de la proteína de unión a SECIS, denominada SBP2 ; además, otras proteínas, como la proteína ribosomal L30, participan en el proceso de descodificación . La Figura 2 resume el mecanismo de incorporación de Sec en bacterias y en eucariotas. Otro aspecto novedoso de la síntesis de Sec es que ocurre exclusivamente sobre su ARNt (no existe la síntesis del aminoácido libre). El ARNtSec es previamente aminoacilado con serina, por una seril-ARNt sintetasa convencional (la misma enzima que cataliza la formación de seril-ARNt Ser) dando lugar a seril-ARNt Sec, el cual es luego modificado por la selenocisteína sintetasa a selenocisteinil-ARNt Sec . En eucariotas (y en archaeas), dos enzimas diferentes, en lugar de una, catalizan el pasaje de Ser-ARNt Sec a Sec-ARNt Sec, tal como se muestra en la Figura 3.
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En todos los casos el átomo de Se proviene del selenofosfato, el cual es sintetizado por la selenofosfato sintetasa (conocida como selD en bacterias o SPS2 en eucariotas) a partir de selenuro y ATP. Sintéticamente podemos decir que la incorporación de Sec a la síntesis proteica requiere
de algunos “ajustes” del aparato traduccional
convencional. La similitud global del mecanismo de síntesis e incorporación de Sec en los tres dominios de lo viviente sugiere que la incorporación de la palabra Sec al código genético apareció una sola vez en la evolución, previo a la separación de los dominios. La existencia de linajes que no incorporan Sec indica que éstos perdieron esta capacidad ancestral, e indica que existen diferentes presiones selectivas que determinan el mantenimiento o la pérdida de la incorporación de Sec en lo viviente. La secuenciación de genomas completos, junto al desarrollo de herramientas bioinformáticas para detectar selenoproteínas permitió determinar selenoproteomas completos, y descubrir nuevas familias de selenoproteínas. Estas estrategias informáticas se basaron en i) detectar la presencia de elemento SECIS “secuencia abajo” de un codón UGA en
marco, y ii) analizando las secuencias posteriores a UGA; a esta última estrategia ayudó enormemente la observación de que la mayoría de los genes de selenoproteínas poseen homólogos en los cuales Sec es reemplazado por Cys [9]. Estos estudios revelaron que los organismos que incorporan Sec lo hacen en un número muy reducido de proteínas, y 9
mostraron que los selenoproteomas de diferentes taxa varían tanto en el número como en el tipo de familias de selenoproteínas encontradas. A manera de ejemplo sólo una selenoproteína existe en el gusano Caenorhabditis elegans y 25 en el ser humano. Desde un punto de vista evolutivo ha habido evolución linaje específica de Cys a Sec (que requiere además de una sustitución la aparición de un elemento SECIS), pero también de Sec a Cys. Las presiones selectivas subyacentes a la preferencia de Sec o Cys en determinados taxa y en determinadas familias de proteínas no son totalmente claras; en este contexto es importante mencionar que si bien Sec aumenta la eficiencia de la catálisis redox, puede cambiar otras propiedades de las enzimas acarreando desventajas. (Salinas, 2010)
P-aminofenilalanina
Lei Wang, Peter Schultz y sus colegas del Scripps Research Institute (SRI), en La Jolla (California), lograron colar en la Escherichia coli – bacteria habitual en nuestros intestinos – las piezas genéticas necesarias para que sintetizara un aminoácido artificial conocido como p-aminofenilalanina (pAF).Es la primera vez que alguien consigue crear un organismo completamente autónomo que usa 21 aminoácidos y que cuenta con la maquinaria metabólica para fabricarlos. A principios de 2003 en el Journal of the American Chemical Society los investigadores del SRI anunciaron que las bacterias, además de sintetizar el nuevo aminoácido, usaban éste para fabricar sus proteínas celulares. Toda una proeza tecnológica que se ha completado ahora, al conseguirse que el aminoácido inédito en la naturaleza contribuya también, como los demás aminoácidos, al crecimiento de la bacteria y a producir proteínas. Este resultado constituye por sí mismo un importante avance en el desarrollo de la pretendida forma de vida artificial desde los fundamentos biológicos más elementales, como son los aminoácidos. Han comprobado, mediante técnicas analíticas, que el pAF quedaba incorporado de manera normal en las cadenas proteínicas, lo que permite tener un organismo totalmente autónomo para estudiar qué ocurre en competencia con otras bacterias de su especie que sólo disponen de los 20 aminoácidos clásicos. Por un lado, abre esperanzas al desarrollo controlado de formas de vida inéditas en la naturaleza, a partir de la evolución de unos organismos enriquecidos con elementos biológicos nuevos creados por los humanos. 10
Por otro lado, contribuye a profundizar en el conocimiento de los mecanismos que rigen la evolución biológica, al mismo tiempo que facilita el uso de estos conocimientos con fines médicos, sin olvidar el valor añadido del eventual perfeccionamiento de la especie. Esta investigación sugiere que, aunque la biología conocida ha funcionado durante tres o cuatro mil millones de años con sólo 20 aminoácidos, la naturaleza podría haber creado más aminoácidos en otras condiciones, como hemos hecho los humanos a partir de los escasos conocimientos que tenemos del fenómeno de la evolución que llamamos vida.
CONCLUSION:
Los aminoácidos son tan importantes en los seres vivos dado a que son los ladrillos para la síntesis de proteínas; estas macromoléculas cumplen una gran cantidad de funciones en los organismos, entonces sin los aminoácidos que son los monómeros de las proteinas prácticamente no tendríamos vida .Se creía que solamente había 20 aminoácidos proteicos, pero con el pasar del tiempo se han ido encontrado nuevos, es muy interesante como los organismos hemos evolucionado tanto para la formación de estas importantes moléculas. Como también se han fabricado, abriendo un gran campo de investigación en la medicina, ya que con estos avances podríamos curar distintas enfermedades en las que de por medio se encuentren las proteínas.
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Bibliografía:
Invitación a la biología
Helena Curtis 6ta edición ISBN: 950-06-0447-7 Editorial medica americana
Bioquímica de la selenocisteína, el 21er aminoácido, y rol de las selenoproteínas en la salud humana
Gustavo Salinas Álvarez Fernández G, Bustos Jaimes I, Castañeda Patlán C, Guevara Fonseca J, Romero Álvarez I, Vázquez Meza H. (eds). Mensaje Bioquímico, Vol. XXXIV, 2010, 121133. Depto de Bioquímica, Fac de Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. Cd Universitaria, México, DF, MÉXICO. (http://bq.unam.mx/mensajebioquimico) (ISSN-0188-137X)
Journal Reference:
Felix Quitterer, Anja List, Wolfgang Eisenreich, Adelbert Bacher, Michael Groll. Kristallstruktur der Methylornithin-Synthase (PylB): Einblicke in die Biosynthese von Pyrrolysin. Angewandte Chemie, 2011; DOI(http://www.sciencedaily.com/releases/2011/11/111118133052.htm)
http://www.ecured.cu/index.php/Pirrolisina http://www2.uah.es/tejedor_bio/bioquimica_Farmacia/AAcuriosidades.pdf
http://www.muyinteresante.es/llegan-los-seres-sinteticos
Lo esencial en celula y genética
Manson, Jones, Morris 2da edicion ISBN 84-8174-698-3 Editorial Elsevier España de S.A
Genetic Code: Introducing Pyrrolysine Dispatch
Michael Ibba and Dieter Söll Current Biology, Vol. 12, R464 – R466, July 9, 2002,
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