Carlos del Porto Blanco
La historia de los ribosomas comienza en la década de 1940. El biólogo belga Albert Claude fue uno de los primeros científicos en utilizar la centrifugación para separar los diferentes componentes de la célula por tamaño y forma. Eso le permitió descubrir, por ejemplo, el retículo endoplasmático. En 1943, utilizando la misma técnica de centrifugación diferencial, Claude observó entre los residuos finales unos gránulos muy pequeños, que apenas se veían como puntos en el microscopio óptico. A esas estructuras, los ribosomas, dedicaré la columna de hoy.
La biología es un baile de células, donde la genética y la evolución coreografían la vida”, de James Dewey Watson
Los ribosomas modernos debieron aparecer en el tiempo de LUCA, el último antepasado común universal (de las siglas en inglés Last Universal Common Ancestor), probablemente en el mundo hipotético de ARN. Se propone que los ARN de transferencia fueron fundamentales para la evolución de los ribosomas. Esa estructura pudo surgir como un complejo con funciones de autoreplicación que posteriormente adquirió funciones para la síntesis de aminoácidos. Una de las características más destacadas del ARN es su capacidad para catalizar su propia replicación.
Los ribosoma y polisomas son orgánulos citoplasmáticos no delimitados por una membrana, formados por el ácido ribonucleico ribosómico (ARNr) y proteínas ribosómicas, que constituyen una máquina molecular presente en todas las células (excepto en los espermatozoides). Son los centros celulares de traducción que hacen posible la expresión de los genes. Es decir, son los encargados de la síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el ADN, que llega transcrita a los ribosomas en forma de ARN mensajero (ARNm).
Los ribosomas equivalen a casi el 10% de las proteínas totales de una bacteria y más del 80% de la cantidad de ARN total. En el caso de los organismos eucariotas, como los humanos, no son tan abundantes con respecto a las demás proteínas, pero su número es mayor. Son estructuras celulares pequeñas (desde 29 hasta 32 nanómetros, dependiendo del grupo de organismo), redondeadas y densas, compuestas de ARN ribosomal y de moléculas proteicas, las cuales se encuentran asociadas entre sí. En el caso de la levadura Saccharomyces Cerevisiae, los ribosomas están formados exactamente por cuatro ARN ribosómicos diferentes y 79 proteínas.
Los ribosomas más estudiados son los de las eubacterias, arqueas y eucariotas. En el primer linaje los ribosomas son más simples y pequeños. Los eucariontes, por su parte, son más complejos y más grandes. En las arqueas, los ribosomas son similares a ambos grupos en ciertos aspectos. Los ribosomas de vertebrados y de angiospermas (plantas con flor) son particularmente complejos.
Cada subunidad ribosomal está formada principalmente por ARN ribosomal y una gran variedad de proteínas. La subunidad grande puede estar formada de pequeñas moléculas de ARN, además del ARN ribosomal. Las proteínas se acoplan al ARN ribosomal en regiones específicas, siguiendo un orden. Dentro de los ribosomas se pueden diferenciar varios sitios activos, como zonas catalíticas. El ARN ribosomal tiene una importancia crucial para la célula y esto puede verse en su secuencia, la cual ha sido prácticamente invariable durante la evolución, reflejando las altas presiones selectivas contra cualquier cambio.
Tipos de ribosomas
Ribosomas en procariotas: Son más pequeños que los eucariotas. Las células procariotas no presentan retículos endoplasmáticos, por lo que los ribosomas procariotas se encuentran en el citosol celular. Las bacterias, como E. coli, poseen más de 15 000 ribosomas (en proporciones eso equivale a casi la cuarta parte del peso seco de la célula bacteriana). Los ribosomas en las bacterias poseen un diámetro de unos 18 nanómetros y están formados de 65% de ARN ribosomal y solo un 35% de proteínas de varios tamaños, entre 6.000 y 75.000 kDa. La subunidad grande se denomina 50S y la pequeña 30S, que se combinan para formar una estructura de 70S con una masa molecular de 2.5×106 kDa. La subunidad 30S es de forma alargada y no es simétrica, mientras que la 50S es más gruesa y corta.
La subunidad pequeña de E. coli está compuesta por ARN ribosomales 16S (1542 bases) y 21 proteínas y en la subunidad grande se encuentran ARN ribosomales 23S (2904 bases), 5S (1542 bases) y 31 proteínas. Las proteínas que los componen son básicas y el número varía según la estructura. Las moléculas de ARN ribosomal, junto con las proteínas, se agrupan en una estructura secundaria de manera similar a los demás tipos de ARN.
Ribosomas en eucariotas: Los ribosomas en eucariotas (80S) son más grandes, con un contenido mayor de ARN y de proteínas. Los ARN son más largos y se denominan 18S y 28S. Al igual que en los procariotas, la composición de los ribosomas está dominada por el ARN ribosomal. En esos organismos el ribosoma posee una masa molecular de 4.2×106 kDa y se descompone en la subunidad 40S y 60S. La subunidad 40S contiene una sola molécula de ARN, 18S (1874 bases) y unas 33 proteínas. Del mismo modo, la subunidad 60S contiene los ARN 28S (4718 bases), 5.8S (160 bases) y 5S (120 bases). Además, se compone de proteínas básicas y proteínas ácidas. Se encuentran tanto en el citosol celular como en el retículo endoplasmático rugoso.
Ribosoma mitocondrial: Se trata de ribosomas pequeños que se encuentran en el interior de las mitocondrias. Su tamaño es variable, aunque en el caso de animales su coeficiente de sedimentación es generalmente de 50S.
Ribosoma plastidial: Ribosomas similares a los procariotas (70S) que se encuentran en el interior de los plastos (cloroplastos, cromoplastos y leucoplastos) típicos de plantas y algas.
La similitud de los ribosomas mitocondriales y plastidiales con los ribosomas procariotas refuerza la teoría endosimbiótica descrita por Lynn Margulis en 1967. Esa teoría postula que las mitocondrias y los plastos son el resultado de una endosimbiosis entre una célula eucariota ancestral y diferentes organismos procariotas.
Los tipos de ribosomas que se encuentran en las arqueas son similares a los ribosomas de organismos eucariotas, aunque también tienen ciertas características de ribosomas bacterianos. Posee tres tipos de moléculas de ARN ribosomal: 16S, 23S y 5S, acopladas a 50 o 70 proteínas, dependiendo de la especie de estudio. En cuanto al tamaño los ribosomas de arqueas, están más cercanos a los bacterianos (70S con dos subunidades 30S y 50S) pero en términos de su estructura primaria están más cercanos a los eucariotas. Como las arqueas suelen habitar ambientes con altas temperaturas y altas concentraciones salinas, sus ribosomas son altamente resistentes.
Toda la maquinaria celular necesaria para la síntesis de ribosomas se encuentra en el nucléolo, una región densa del núcleo que no está rodeada por estructuras membranosas. El nucléolo es una estructura variable dependiendo del tipo celular: es grande y conspicuo en las células con altos requerimientos proteicos y es una zona casi imperceptible en células que sintetizan poca cantidad de proteínas.
El procesamiento del ARN ribosómico ocurre en esa zona, donde se acopla con proteínas ribosómicas y dan origen a productos de condensación granular, que son las subunidades inmaduras que formarán los ribosomas funcionales. Las subunidades son transportadas al exterior del núcleo – por los poros nucleares – hasta el citoplasma, donde son ensamblados en ribosomas maduros que pueden empezar la síntesis de proteínas.
Su historia
En la década de 1950, mientras la comunidad científica se embarcaba en una frenética carrera por descifrar los secretos de la herencia y la síntesis de proteínas, un organelo celular hasta entonces poco caracterizado comenzó a revelar su importancia fundamental. El biólogo celular rumano George Emil Palade, utilizando el entonces novedoso microscopio electrónico, realizó observaciones detalladas del citoplasma celular. En 1955, describió unos pequeños gránulos densos, ricos en ácido ribonucleico, a los que denominó «microsomas».
Años más tarde, en 1958, el biólogo estadounidense Richard Brooke Roberts renombró esos “microsomas” a “ribosomas”, ya que estaban compuestos mayoritariamente por ácidos ribonucleicos, fusionando «ácido ribonucleico» con la palabra griega «soma» (cuerpo). El trabajo pionero de Palade, que le valdría el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1974 junto a Claude y de Duve, marcó el inicio de la ribosomología moderna. Hoy se sabe que esas diminutas estructuras, presentes en absolutamente todas las formas de vida conocidas, son las fábricas macromoleculares encargadas de traducir el código genético en proteínas, los caballos de batalla de la célula.
El entendimiento profundo de su maquinaria molecular llegó décadas después. Un hito crucial se alcanzó en el año 2000, cuando se obtuvo la primera estructura atómica de la subunidad grande del ribosoma bacteriano. Ese avance monumental fue posible gracias al trabajo de Ada Yonath, Venkatraman Ramakrishnan y Thomas A. Steitz, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 2009 por «sus estudios sobre la estructura y función del ribosoma». Su investigación no sólo reveló la arquitectura atómica de esta «máquina de la vida», sino que abrió las puertas para el diseño racional de nuevos fármacos.
Estructura y funciones de los ribosomas.
Un ribosoma no es una estructura simple, sino un complejo sofisticado de ARN ribosomal (rRNA) y proteínas ribosomales. Carece de membrana y su funcionamiento es puramente bioquímico. Estructuralmente, se compone de dos subunidades de diferente tamaño que se ensamblan solo durante el proceso de traducción. En las células eucariotas, estas subunidades se sintetizan en el núcleo en el nucleolo, como ya había mencionado, y se exportan al citoplasma para realizar su función. En las células procariotas, como las bacterias, el ensamblaje ocurre directamente en el citoplasma.
El proceso central que ejecutan los ribosomas es la traducción del ARN mensajero (mRNA) en una proteína. Se puede visualizar como una línea de ensamble: el mRNA, que lleva la información copiada del ADN, se introduce en la ranura de la subunidad menor. Los ARN de transferencia (tRNA), cada uno cargado con un aminoácido específico, se acoplan secuencialmente a los codones (tripletes de bases) del mRNA.
El mensaje está codificado en tripletes de nucleótidos, en la que cada tres bases indican un aminoácido particular. Por ejemplo, si el ARN mensajero porta la secuencia: AUG AUU CUU UUG GCU, el péptido formado constará de los aminoácidos: metionina, isoleucina, leucina, leucina, y alanina. Ese ejemplo evidencia la “degeneración” del código genético, ya que más de un codón – en este caso CUU y UUG – es codificante para el mismo tipo de aminoácido. Cuando el ribosoma detecta un codón de parada en el ARN mensajero, la traducción acaba.
La subunidad mayor cataliza la formación del enlace peptídico entre los aminoácidos ingresados, elongando la cadena polipeptídica. La precisión es asombrosa: el error estimado es de aproximadamente 1 en 10 000 aminoácidos incorporados. Es el mecanismo conservado en toda la biósfera, un testimonio molecular de nuestro origen evolutivo común.
La función central de los ribosomas es, obviamente, vital. Sin ellos, no habría enzimas para catalizar reacciones, canales para transportar sustancias, colágeno para la piel, hemoglobina para la sangre o anticuerpos para la defensa.
Los ribosomas son ubicuos, es decir se encuentran en todas las células, excepto en los espermatozoides maduros y otra característica es que, en células animales, abundan en órganos con alta actividad metabólica, como el hígado y el páncreas.
La relevancia trasciende la biología básica:
- Diana de Antibióticos: Muchos de los antibióticos más eficaces (como la estreptomicina, la tetraciclina o la eritromicina) funcionan específicamente atacando los ribosomas bacterianos. La clave está en las diferencias estructurales entre los ribosomas procariotas y los eucariotas. Los fármacos se diseñan para bloquear la función del ribosoma bacteriano sin afectar significativamente a los ribosomas humanos. Esa es una de las aplicaciones médicas más importantes del conocimiento ribosómico. No obstante, las bacterias han evolucionado sus mecanismos de defensa, como la modificación sutil de sus propios ribosomas para evitar la unión de los antibióticos, lo que representa una de las principales reservas o desafíos en la lucha contra la resistencia antimicrobiana.
- Biomarcadores de enfermedades: Las alteraciones en la biogénesis o función de los ribosomas están vinculadas a un grupo de enfermedades humanas conocidas como ribosomopatías. La más conocida es la Anemia de Diamond-Blackfan, un trastorno de la médula ósea causado por mutaciones en genes de proteínas ribosomales. Curiosamente, esas enfermedades suelen presentar síntomas muy específicos (como anomalías esqueléticas) y no una disfunción generalizada, lo que sugiere una sensibilidad particular de ciertos tejidos a los defectos ribosómicos.
- Herramienta en biotecnología: En investigación y producción industrial, se utilizan sistemas libres de células que contienen ribosomas purificados para sintetizar proteínas de interés, incluyendo algunas de difícil expresión en organismos vivos.
A pesar de ser una de las estructuras celulares mejor estudiadas, los ribosomas aún guardan misterios:
- Origen evolutivo: La hipótesis del «Mundo del ARN» postula que la vida se originó a partir de moléculas de ARN capaces de almacenar información y catalizar reacciones. El ribosoma es considerado un «fósil molecular» de esa era, ya que su componente catalítico central es realizado por el rRNA, no por proteínas.
- Regulación finamente sintonizada: ¿Cómo coordina la célula la producción de decenas de proteínas ribosomales y de rRNA en las cantidades exactas para ensamblar millones de ribosomas funcionales? Los fallos en esa regulación están ligados al cáncer, donde las células tumorales a menudo hiperproducen ribosomas para sostener su crecimiento descontrolado.
- Ribosomas especializados: Evidencia emergente sugiere que no todos los ribosomas son idénticos dentro de una misma célula. Pequeñas variaciones en su composición proteica podrían «especializarlos» en traducir conjuntos específicos de mRNA, añadiendo una nueva capa de regulación génica. Ese concepto, sin embargo, sigue siendo objeto de intenso debate científico.
Desde su identificación por Palade hasta la resolución de su estructura atómica (un hito que valió el Premio Nobel de Química en 2009 a Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz y Ada E. Yonath), los ribosomas han pasado de ser gránulos citoplasmáticos curiosos a ser entendidos como máquinas moleculares complejas y elegantes. Son un pilar indispensable para la vida tal como la conocemos hoy, un blanco terapéutico crucial y una ventana extraordinaria a los primeros pasos de la evolución biológica en la Tierra.
Su estudio continúa, prometiendo no solo profundizar la comprensión de la biología fundamental, sino también abrir nuevas vías para el tratamiento de enfermedades humanas. En cada célula del cuerpo humano, billones de esas fábricas nanoscópicas trabajan incansablemente, traduciendo el lenguaje del genoma en la realidad física del proteoma, y por ende, de la vida misma.
Referencias.
- Ribosomas, ¿Qué son y para qué sirven? Genotipia. https://genotipia.com/ribosomas/
- Ribosoma. National Human Genome Research Institute. https://www.genome.gov/es/genetics-glossary/Ribosoma
- Ribosoma. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Ribosoma
- Ribosomas: características, tipos, estructura, funciones. Lifeder. https://www.lifeder.com/ribosomas/
- Ribosome. Enciclopedia Británica. https://www.britannica.com/science/ribosome