Descodificando O DNA – Síntese Proteica

Então e como é que o DNA tem algum efeito nas características das células em que se encontra? Afinal é só um plano, certo?

Realmente, o DNA de uma célula funciona como um plano para as características da mesma. Codifica toda a informação necessária a todas as operações feitas pela célula, desde a produção de energia (pela glicólise, por exemplo) até à replicação da própria célula, passando por muitas outras funções. É informação preciosa, pelo que está guardada e protegida no núcleo (daí serem necessários intermediários, como vamos ver de seguida).

No entanto, a informação contida no DNA tem de ser “descodificada” em proteínas (processo denominado expressão génica), que vão efetuar todas as funções do organismo para que este possa sobreviver (explicarei mais à frente como são constituídas estas macromoléculas). As sequências de DNA que codificam proteínas são chamadas genes, (Figura 1, o resto chama-se DNA não-codificante). [1]

Figura 1 - Representação de um cromossoma e de um gene. Geralmente, os genes são bastante maiores que o que está aqui representado (dezenas, centenas, ou milhares de pares de bases), mas também há genes pequenos, que codificam péptidos pequenos (proteínas pequenas). [5] Imagem de [8].
Figura 1 – Representação de um cromossoma e de um gene. Geralmente, os genes são bastante maiores que o que está aqui representado (dezenas, centenas, ou milhares de pares de bases), mas também há genes pequenos, que codificam péptidos pequenos (proteínas pequenas). [2] Imagem de [3].

A expressão dos genes dá-se em duas fases: a transcrição, que se dá dentro do núcleo, e a tradução, que ocorre fora do núcleo. O núcleo serve de barreira que protege o DNA e, ao separar os processos de transcrição e tradução, permite uma melhor regulação da expressão dos genes. [4] Desta descodificação resultam proteínas que vão efetuar quase todas as funções das células (mais à frente neste artigo explicarei em que consistem as proteínas) [5]. 

Para compreender o processo de transcrição, primeiro é preciso saber o que é o ácido ribonucleico (RNA), no qual o DNA é “copiado”, de modo a sair do núcleo e ser traduzido em proteínas. São ambos ácidos nucleicos e são de tal maneira semelhantes que esta molécula difere do DNA apenas num átomo no açúcar dos nucleótidos (na “espinha dorsal”), que neste caso é a ribose, em vez da desoxirribose do DNA (Figura 2). Esta diferença torna o RNA mais flexível que o DNA e mais suscetível à degradação, o que permite que ele tenha mais uma série de funções que o DNA não consegue desempenhar (por ser mais flexível também pode adquirir estruturas que o DNA não consegue). [6] Para além de terem um átomo diferente no RNA a base Timina (T) é substituída pelo Uracilo (U), ou seja, no RNA, em vez da Adenina se ligar à Timina, liga-se ao Uracilo e este, de um modo geral, encontra-se em cadeia simples (formam algumas estruturas ao se ligar a si mesmo – ao hibridar consigo próprio).

 

Figura 2 – RNA versus DNA. Os “B” nas imagens representam as bases e o “n” indica um nucleótido. Como se pode ver, a diferença entre as duas moléculas é um átomo de hidrogénio. Imagem de [7].

Ou seja, quando falei em “copiar” o DNA, na realidade estava a falar da criação de uma cadeia de RNA complementar à de DNA.

A linguagem é semelhante e a mensagem é retida. [8]

vários tipos diferentes de RNA com diversas funções, mas, para este processo, estes são os que mais relevantes:

– O RNA mensageiro (mRNA), que transporta a informação genética para fora do núcleo pronta para ser traduzida;

– O RNA ribossomal (rRNA), que se associa com algumas proteínas para formar os ribossomas, essenciais ao processo de tradução (são os “descodificadores”);

– E o RNA de transferência (tRNA), que é a “chave” do “código” que é o mRNA, converte ácidos nucleicos em aminoácidos, com a ajuda do ribossoma e usando o mRNA como molde. [9]

Sabendo o que é o RNA, estás preparado para saber como decorre o processo de transcrição. Como já disse acima: a transcrição consiste na transferência da informação contida num gene para fora do núcleo, através da cópia da sequencia do gene numa molécula de mRNA através da ação de uma enzima, a RNA polimerase. Esta enzima abre a dupla cadeia de DNA e liga-se a uma zona de regulatória do  DNA,  chamada promotor, para que possa iniciar a transcrição, que se inicia no final do promotor. [5, 10]

No entanto, este processo não é tão simples como parece… é necessário proteger o RNA da degradação (que protege a célula de alguns vírus e ajuda a regular a expressão genética) e são necessários sinais para controlar a tradução. Para estas funções, são adicionados ao pré-mRNA (produto direto da transcrição) o cap 5’ e a cauda Poli A (uma sequencia só de adeninas), como se pode ver na Figura 3. [11, 12, 13] Este processo de maturação do mRNA só se dá nos eucariotas. Nos procariotas o mRNA é transcrito e traduzido em simultâneo.

Além disso, os genes não são sequências todas seguidas:

têm zonas regulatórias, como o promotor, têm partes que não formam proteínas (intrões), e partes que codificam proteínas (exões). Apenas os exões chegam à tradução, os intrões são removidos – são excisados (Figura 3). Este processo permite que de um mesmo gene originem várias moléculas de mRNA e, consequentemente, sejam produzidas várias proteínas, através de combinações de exões (processo chamado splicing alternativo) [8, 14]

Depois, o mRNA é transportado para o citoplasma e pode-se iniciar o processo de tradução.

Figura 3 – Representação do processo de transcrição. Como se pode ver, o DNA não é diretamente transcrito em mRNA e lido, há um processamento que tem de ser feito ao mRNA, incluindo: aumentar a sua estabilidade e protege-lo da degradação mediada por proteínas através da inserção do cap na ponta 5’ e da cauda Poli A (adeninas repetidas) na ponta 3’ e a excisão dos intrões (remoção dos mesmos). m7G corresponde ao cap 5’ (é uma guanina “especial” a que foi adicionado um grupo metil) e o A(n) corresponde à cauda Poli A (são “n” adeninas). Imagem de [4].
Figura 3 – Representação do processo de transcrição. Como se pode ver, o DNA não é diretamente transcrito em mRNA e lido, há um processamento que tem de ser feito ao mRNA, incluindo: aumentar a sua estabilidade e protege-lo da degradação mediada por proteínas através da inserção do cap na ponta 5’ e da cauda Poli A (adeninas repetidas) na ponta 3’ e a excisão dos intrões (remoção dos mesmos). m7G corresponde ao cap 5’ (é uma guanina “especial” a que foi adicionado um grupo metil) e o A(n) corresponde à cauda Poli A (são “n” adeninas). Imagem de [14].

Agora, para poder explicar o processo de tradução, terei de explicar o que é uma proteína e, inevitavelmente, um aminoácido. As proteínas são macromoléculas constituídas por moléculas chamadas aminoácidos. Há 22 aminoácidos que formam proteínas, mas dois deles são raros e não se encontram em todos os seres vivos, pelo que, geralmente, só vais encontrar os 20 primeiros da Figura 4, que estão presentes em quase todos os organismos. [1516] Diferentes sequências de aminoácidos formam diferentes proteínas, que depois podem estar associadas a iões particulares, como o magnésio (Mg2+) na RNA polimerase e, devido às propriedades dos vários aminoácidos, adquirem estruturas diferentes (explicarei isto noutro artigo).

Figura 4 – Estruturas químicas dos 20 principais aminoácidos que constituem as proteínas. Imagem de [2].
Figura 4 – Estruturas químicas dos 20 principais aminoácidos que constituem as proteínas. Imagem de [17].

Este artigo é muito longo. Podes fazer o download aqui:

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Então e como é que o ribossoma sabe que aminoácidos colocar em ordem? Como é que o mRNA transmite a sua informação?

Como já podes ter percebido, a tradução consiste na “descodificação” do mRNA em si. Nesta molécula de mRNA, cada grupo de 3 nucleótidos constitui um codão que, corresponde a uma sequencia de um tRNA específico (o anticodão) que, por sua vez, está associado a um aminoácido específico, como se pode ver na Figura 5, que corresponde ao código genético. No caso dos codões UAG, UAA e UGA, dizem “stop”, não há um aminoácido associado a estes. Eles sinalizam o fim da tradução.

Figura 5 – Código genético. Cada codão corresponde a um aminoácido, usando o tRNA como intermediário. Como podem ver à direita, cada codão corresponde a um anticodão de um tRNA específico, que está associado a um aminoácido específico. Para além disso, como podes verificar, há alguns codões que dizem “stop” a preto. Isto quer dizer que é o codão que sinaliza quando deve terminar a tradução do mRNA. A coluna da esquerda corresponde à primeira letra do codão, a linha de cima à segunda letra e a coluna da direita à terceira letra. Imagem de [6].
Figura 5 – Código genético. Cada codão corresponde a um aminoácido, usando o tRNA como intermediário. Como podem ver à direita, cada codão corresponde a um anticodão de um tRNA específico, que está associado a um aminoácido específico. Para além disso, como podes verificar, há alguns codões que dizem “stop” a preto. Isto quer dizer que é o codão que sinaliza quando deve terminar a tradução do mRNA. A coluna da esquerda corresponde à primeira letra do codão, a linha de cima à segunda letra e a coluna da direita à terceira letra. Imagem de [8].

Como podes ver este código é degenerado, na medida em que vários codões codificam a mesma coisa (seja aminoácido ou terminação da tradução, ou seja, é redundante), e é universal, na medida em que pode ser aplicado a todos os organismos (o que difere é a frequência de cada codão e de cada tRNA).

Como já disse antes, para a tradução são necessários os ribossomas. Estes complexos proteicos são formados por rRNA e proteínas específicas, que nos eucariotas têm 80 Svedberg (S, unidade que mede a velocidade de sedimentação das partículas) e nos procariotas têm 70S. São formados por dois complexos, as subunidades, cada: nos eucariotas estas subunidades são denominadas 40S (pequena) e 60S (grande), e nos procariotas as subunidades são denominadas 30S e 50S. Estes valores somados dariam 90S e 80S, respetivamente, no entanto, a velocidade de sedimentação varia com a forma e estrutura das partículas e, ao se ligarem as subunidades, a forma do ribossoma altera-se, alterando a velocidade de sedimentação. [18]

O primeiro passo da tradução consiste na ligação da subunidade pequena do ribossoma a uma série de proteínas chamadas de fatores de iniciação que se ligam ao mRNA e ao tRNA que codifica para a Metionina, que corresponde ao codão de iniciação – UAC no mRNA que é complementar ao AUG no tRNA. As proteínas, depois de traduzidas, são ainda modificadas, pelo que este aminoácido muitas vezes é removido após a tradução, daí nem todas as sequencias peptídicas se iniciarem com ele. [5] Depois, liga-se a subunidade grande a este complexo e inicia-se a fase de elongação, em que o ribossoma “desliza” ao longo do mRNA, incorporando tRNAs que deixam o seu aminoácido, que o ribossoma liga ao péptido em formação, e depois são empurrados para fora do complexo de tradução, vazios (Figura 6). Este processo ocorre até o ribossoma encontrar um codão de terminação, que nenhum tRNA reconhece. Nesta altura ligam-se proteínas chamadas fatores de libertação, a tradução pára e o mRNA é solto.

Figura 6 – Processo de tradução a acontecer. A estrutura grande roxa corresponde a um ribossoma, a linha cor-de-rosa ao mRNA a ser traduzido, a amarelo o tRNA e a azul os aminoácidos e o péptido a ser formado. Imagem de [1].
Figura 6 – Processo de tradução a acontecer. A estrutura grande roxa corresponde a um ribossoma, a linha cor-de-rosa ao mRNA a ser traduzido, a amarelo o tRNA e a azul os aminoácidos e o péptido a ser formado. Imagem de [19].

Nos procariotas o mRNA é transcrito e traduzido ao mesmo tempo (e não precisa de sair do núcleo), pelo que não precisa do cap 5’ nem da cauda poli A, para além de que vai ser degradado rapidamente. Nos eucariotas, o tempo de vida do mRNA varia muito e tem de sair do núcleo, o que abre mais oportunidades para a regulação da expressão genética.

Resumindo:

Imagem de http://www.amoebasisters.com/ [19]
Por Sarina Peterson e Brianna Rapini em http://www.amoebasisters.com/ [20]

E é assim que as sequências de todas as proteínas, são formadas, descodificadas do DNA. Depois, elas sofrerão outras alterações pós-tradução que as fará adquirir a sua estrutura e função final. Estas funções incluem um pouco de tudo, incluindo catalização de reações (que é o que as enzimas fazem) e funções estruturais. Aqui tens o processo completo:

Se quiseres saber mais, subscreve em baixo!

Referências

  1. Boundless, Boundless Biology. Noncoding DNA. 2015.
  2. Gonzalez-Pastor, J.E., J.L. San Millan, and F. Moreno, The smallest known gene. Nature, 1994. 369(6478): p. 281-281.
  3. Pinkley, W. Heredity. 2015; Available from: https://www.emaze.com/@AOZQZQLF/heredity.
  4. Berg, J., J. Tymoczko, and L. Stryer, Eukaryotic Transcription and Translation Are Separated in Space and Time, in Biochemistry. 2002, W H Freeman: New York.
  5. Clancy, S. and W. Brown. Translation: DNA to mRNA to Protein. 2008 [cited 2016; Available from: http://www.nature.com/scitable/topicpage/translation-dna-to-mrna-to-protein-393.
  6. Seligo, C. and L. Spackman. Ribose vs Deoxyribose. Humbio Core Chemistry [cited 2016; Available from: http://web.stanford.edu/dept/humbio/chem/riboseVsDeoxyribose.html.
  7. Maness, A. What is RNA and how is it different from DNA? 2014; Available from: http://www.rajeshbihani.com/raj/382/.
  8. Karp, G., Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments. 7th ed. 2013, United States of America: John Wiley and Sons.
  9. Lodish, H., et al., The Three Roles of RNA in Protein Synthesis, in Molecular Cell Biology. 2000, W. H. Freeman: New York.
  10. Griffiths, A., et al., Transcription and RNA polymerase, in An Introduction to Genetic Analysis. 2000, W. H. Freeman: New York. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22085/.
  11. Sprangers, R. mRNA degradation. [cited 2016; Available from: http://www.eb.tuebingen.mpg.de/research/research-groups/remco-sprangers/mrna-degradation.html.
  12. Gallie, D.R., The cap and poly(A) tail function synergistically to regulate mRNA translational efficiency. Genes & Development, 1991. 5(11): p. 2108-2116.
  13. Preiss, T. and M.W. Hentze, Dual function of the messenger RNA cap structure in poly(A)-tail-promoted translation in yeast. Nature, 1998. 392(6675): p. 516-20.
  14. Porque razão são removidos os intrões? BioGeo Gondomar 2010 [cited 2016; Available from: http://11biogeogondomar.blogspot.pt/2010/11/porque-razao-sao-removidos-os-introes.html.
  15. Krzycki, J.A., The direct genetic encoding of pyrrolysine. Current Opinion in Microbiology, 2005. 8(6): p. 706-712.
  16. Driscoll, D.M. and P.R. Copeland, Mechanism and regulation of selenoprotein synthesis. Annu Rev Nutr, 2003. 23: p. 17-40.
  17. Silva, A. Os 20 aminoácidos essenciais ao organismo. [cited 2016; Available from: http://www.infoescola.com/bioquimica/os-20-aminoacidos-essenciais-ao-organismo/.
  18. Boundless, Boundless Microbiology. Ribosomes. 2016.
  19. Protein synthesis in ribosome. 2013; Available from: http://gifsoup.com/view/4737457/protein-synthesis-in-ribosome.html.
  20. Peterson, S. and Rapini, B. Protein Synthesis. 2015; Available from: www.amoebasisters.com/amoebagifs.html.

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