La síntesis de proteínas es el proceso celular de creación de proteínas. Sus fórmulas y las instrucciones sobre cómo hacerlas están codificadas en el ADN. Es útil referirse al proceso en dos partes. La transcripción de síntesis de proteínas copia el código de ADN. La traducción de síntesis de proteínas hace coincidir el código con los compuestos químicos en la célula, cuya combinación se convierte en una proteína.
El ácido desoxirribonucleico (ADN), el modelo maestro de un organismo individual, está estructurado como una doble hélice. Una buena analogía es una larga tira de cremallera retorcida. Hay dos hebras hechas de azúcares y fosfatos de 5 carbonos. Unirlos son nucleótidos emparejados entrelazados, como los dientes opuestos de una cremallera cerrada. La adenina (A) coincide con la timina (T), los pares de citosina (C) con la guanina (G) y viceversa.
La transcripción de la síntesis de proteínas comienza en el núcleo de una célula, donde el ADN es «descomprimido» por una enzima llamada helicasa, lo que resulta en dos cadenas separadas. Una enzima crítica llamada ARN polimerasa (RNAP) luego se adhiere a una de las cadenas para comenzar un proceso llamado alargamiento. Identifica el primer nucleótido en la cadena de ADN de la plantilla y, al hacerlo, atrae un nucleótido libre que debe combinarse con él. RNAP luego se mueve al siguiente nucleótido en la cadena de ADN, y continúa al siguiente, y al siguiente, hasta que se haya ensamblado una cadena de ácido ribonucleico (ARN).
El ARN es una cadena sencilla de nucleótidos no apareados capaces de mantener su integridad estructural con la adición de moléculas de oxígeno. La cadena de ARN que ha sido construida por su agente de polimerasa, algunas con más de 2 millones de nucleótidos, se llama ARN mensajero (ARNm). En teoría, el ARNm está destinado a ser un duplicado exacto de la cadena única de ADN no utilizada que queda. En la práctica, no es exacto, y también pueden ocurrir errores de transcripción de síntesis de proteínas.
El ARNm es, por lo tanto, una cadena muy larga de solo cuatro nucleótidos diferentes. Su secuencia se conoce como transcripción. Un ejemplo podría ser AAGCAUUGAC: cuatro letras, tal vez 2 millones de ellas, en orden aparentemente aleatorio. Es de alguna manera útil analogizar la vida del carbono como una biocomputadora de 4 bits a gran escala. De particular interés es que, en el ARN, la timina se reemplaza por un nucleótido similar llamado uracilo (U).
Como su nombre lo indica, el ARN mensajero escapa de su confinamiento en el núcleo de una célula a través de los poros a lo largo de la membrana nuclear. Una vez dentro del citoplasma de la célula, su destino es entregar la transcripción de la síntesis de proteínas, copiada del ADN, a estructuras llamadas ribosomas. Los ribosomas son las fábricas de proteínas de la célula y, allí, se produce el segundo paso de la síntesis de proteínas.
La secuencia codificada de nucleótidos debe traducirse. Un ribosoma se une al ARNm y, en el proceso de lectura de sus secuencias, atrae fragmentos de ARN llamado ARN de transferencia (ARNt), que habrá encontrado y unido con un aminoácido libre específico para su secuencia corta de nucleótidos. Si hay una coincidencia, el ARNt y su carga se unen al ribosoma. A medida que el ribosoma continúa leyendo la siguiente secuencia, y la siguiente, en un proceso también llamado alargamiento, resulta una larga cadena polipeptídica de aminoácidos.
Las proteínas que diferencian el tejido orgánico en forma y función son los llamados «componentes básicos de la vida». A su vez, se construyen como una cadena de varios aminoácidos: la traducción del código de ADN que transcribe el ARN para la tarea metabólica más importante de su célula huésped. Sin embargo, queda un último paso para completar la síntesis de proteínas que es frustrante para la comprensión científica. En un proceso llamado plegamiento de proteínas, la larga cadena de aminoácidos se dobla, riza, nuda y se compacta en su estructura única. Si bien las supercomputadoras han tenido cierto éxito al plegar fórmulas de proteínas en sus formas tridimensionales correctas, la mayoría de los rompecabezas de proteínas han sido resueltos intuitivamente por personas con un mayor sentido de dimensiones espaciales variables.