3.5: Síntese de proteínas

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explique como o código genético armazenado no DNA determina a proteína que se formará
• Descreva o processo de transcrição
• Descreva o processo de tradução
• Discuta a função dos ribossomos

Foi mencionado anteriormente que o DNA fornece um “modelo” para a estrutura e fisiologia celular. Isso se refere ao fato de que o DNA contém as informações necessárias para que a célula construa um tipo muito importante de molécula: a proteína. A maioria dos componentes estruturais da célula é composta, pelo menos em parte, por proteínas e praticamente todas as funções que uma célula realiza são concluídas com a ajuda de proteínas. Uma das classes mais importantes de proteínas são as enzimas, que ajudam a acelerar as reações bioquímicas necessárias que ocorrem dentro da célula. Algumas dessas reações bioquímicas críticas incluem a construção de moléculas maiores a partir de componentes menores (como ocorre durante a replicação do DNA ou a síntese de microtúbulos) e a decomposição de moléculas maiores em componentes menores (como ao coletar energia química de moléculas de nutrientes). Seja qual for o processo celular, é quase certo que envolva proteínas. Assim como o genoma da célula descreve seu complemento completo de DNA, o proteoma de uma célula é seu complemento completo de proteínas. A síntese de proteínas começa com os genes. Um gene é um segmento funcional do DNA que fornece as informações genéticas necessárias para construir uma proteína. Cada gene específico fornece o código necessário para construir uma proteína específica. A expressão gênica, que transforma a informação codificada em um gene em um produto final do gene, acaba ditando a estrutura e a função de uma célula ao determinar quais proteínas são produzidas.

A interpretação dos genes funciona da seguinte maneira. Lembre-se de que as proteínas são polímeros, ou cadeias, de muitos blocos de construção de aminoácidos. A sequência de bases em um gene (ou seja, sua sequência de nucleotídeos A, T, C, G) se traduz em uma sequência de aminoácidos. Um trigêmeo é uma seção de três bases de DNA em uma fileira que codifica um aminoácido específico. Semelhante à forma como o código de três letras d-o-g sinaliza a imagem de um cachorro, o código base do DNA de três letras sinaliza o uso de um determinado aminoácido. Por exemplo, o tripleto de DNA CAC (citosina, adenina e citosina) especifica o aminoácido valina. Portanto, um gene, que é composto por vários trigêmeos em uma sequência única, fornece o código para construir uma proteína inteira, com vários aminoácidos na sequência adequada (Figura 3.25). O mecanismo pelo qual as células transformam o código de DNA em um produto proteico é um processo de duas etapas, com uma molécula de RNA como intermediária.

Figura 3.25 O DNA do Código Genético contém todas as informações genéticas necessárias para construir as proteínas de uma célula. A sequência nucleotídica de um gene é finalmente traduzida em uma sequência de aminoácidos da proteína correspondente do gene.

Do DNA ao RNA: transcrição

O DNA está alojado no núcleo e a síntese de proteínas ocorre no citoplasma, portanto, deve haver algum tipo de mensageiro intermediário que saia do núcleo e gerencie a síntese de proteínas. Esse mensageiro intermediário é o RNA mensageiro (mRNA), um ácido nucléico de fita simples que carrega uma cópia do código genético de um único gene para fora do núcleo e para o citoplasma, onde é usado para produzir proteínas.

Existem vários tipos diferentes de RNA, cada um com funções diferentes na célula. A estrutura do RNA é semelhante à do DNA, com algumas pequenas exceções. Por um lado, diferentemente do DNA, a maioria dos tipos de RNA, incluindo o mRNA, são de fita simples e não contêm fita complementar. Em segundo lugar, o açúcar ribose no RNA contém um átomo de oxigênio adicional em comparação com o DNA. Finalmente, em vez da base timina, o RNA contém a base uracil. Isso significa que a adenina sempre se associará ao uracilo durante o processo de síntese protéica.

A expressão gênica começa com o processo chamado transcrição, que é a síntese de uma fita de mRNA que é complementar ao gene de interesse. Esse processo é chamado de transcrição porque o mRNA é como uma transcrição, ou cópia, do código de DNA do gene. A transcrição começa de uma forma semelhante à replicação do DNA, na qual uma região do DNA se desenrola e as duas fitas se separam, no entanto, apenas essa pequena porção do DNA será dividida. Os trigêmeos dentro do gene nesta seção da molécula de DNA são usados como modelo para transcrever a fita complementar do RNA (Figura 3.26). Um códon é uma sequência de três bases de mRNA, assim chamada porque eles codificam diretamente os aminoácidos. Assim como a replicação do DNA, a transcrição tem três estágios: iniciação, alongamento e término.

Figura 3.26 Transcrição: do DNA ao mRNA No primeiro dos dois estágios de produção de proteína a partir do DNA, um gene na molécula de DNA é transcrito em uma molécula complementar de mRNA.

Etapa 1: Iniciação. Uma região no início do gene chamada promotor - uma sequência específica de nucleotídeos - desencadeia o início da transcrição.

Estágio 2: Alongamento. A transcrição começa quando a RNA polimerase desenrola o segmento de DNA. Uma fita, chamada de cadeia codificadora, se torna o modelo com os genes a serem codificados. A polimerase então alinha o ácido nucléico correto (A, C, G ou U) com sua base complementar na cadeia codificadora do DNA. A RNA polimerase é uma enzima que adiciona novos nucleotídeos a uma cadeia crescente de RNA. Esse processo constrói uma cadeia de mRNA.

Estágio 3: Rescisão. No final do gene, uma sequência de nucleotídeos chamada sequência terminadora faz com que o novo RNA se dobre sobre si mesmo. Essa prega faz com que o RNA se separe do gene e da RNA polimerase, encerrando a transcrição.

Antes que a molécula de mRNA deixe o núcleo e prossiga para a síntese de proteínas, ela é modificada de várias maneiras. Por esse motivo, muitas vezes é chamado de pré-mRNA nesse estágio. Por exemplo, seu DNA e, portanto, o mRNA complementar, contém regiões longas chamadas regiões não codificadoras que não codificam aminoácidos. Sua função ainda é um mistério, mas o processo chamado splicing remove essas regiões não codificadoras da transcrição pré-mRNA (Figura 3.27). Um spliceossomo - uma estrutura composta por várias proteínas e outras moléculas - se liga ao mRNA e às “emendas” ou corta as regiões não codificadoras. O segmento removido da transcrição é chamado de íntron. Os éxons restantes são colados juntos. Um éxon é um segmento de RNA que permanece após o splicing. Curiosamente, alguns introns que são removidos do mRNA nem sempre não são codificantes. Quando diferentes regiões codificadoras do mRNA são separadas, diferentes variações da proteína acabarão por resultar, com diferenças na estrutura e função. Esse processo resulta em uma variedade muito maior de proteínas e funções proteicas possíveis. Quando a transcrição do mRNA está pronta, ela sai do núcleo e entra no citoplasma.

Figura 3.27 Splicing DNA No núcleo, uma estrutura chamada spliceossomo corta íntrons (regiões não codificadoras) dentro de uma transcrição pré-mRNA e reconecta os éxons.

Do RNA à proteína: tradução

Como traduzir um livro de um idioma para outro, os códons em uma fita de mRNA devem ser traduzidos para o alfabeto de aminoácidos das proteínas. A tradução é o processo de sintetizar uma cadeia de aminoácidos chamada polipeptídeo. A tradução requer duas ajudas principais: primeiro, um “tradutor”, a molécula que conduzirá a tradução e, segundo, um substrato no qual a fita de mRNA é traduzida em uma nova proteína, como a “mesa” do tradutor. Ambos os requisitos são cumpridos por outros tipos de RNA. O substrato no qual a tradução ocorre é o ribossomo.

Lembre-se de que muitos dos ribossomos de uma célula são encontrados associados ao ER áspero e realizam a síntese de proteínas destinadas ao aparelho de Golgi. O RNA ribossômico (rRNA) é um tipo de RNA que, junto com as proteínas, compõe a estrutura do ribossomo. Os ribossomos existem no citoplasma como dois componentes distintos, uma subunidade pequena e uma grande. Quando uma molécula de mRNA está pronta para ser traduzida, as duas subunidades se juntam e se ligam ao mRNA. O ribossomo fornece um substrato para tradução, reunindo e alinhando a molécula de mRNA com os “tradutores” moleculares que devem decifrar seu código.

O outro requisito importante para a síntese de proteínas são as moléculas tradutoras que “leem” fisicamente os códons do mRNA. O RNA de transferência (tRNA) é um tipo de RNA que transporta os aminoácidos correspondentes apropriados para o ribossomo e liga cada novo aminoácido ao último, formando a cadeia polipeptídica um a um. Assim, o tRNA transfere aminoácidos específicos do citoplasma para um polipeptídeo em crescimento. As moléculas de tRNA devem ser capazes de reconhecer os códons do mRNA e combiná-los com o aminoácido correto. O tRNA é modificado para essa função. Em uma extremidade de sua estrutura, há um local de ligação para um aminoácido específico. Na outra extremidade, há uma sequência base que corresponde ao códon especificando seu aminoácido específico. Essa sequência de três bases na molécula de tRNA é chamada de anticódon. Por exemplo, um tRNA responsável por transportar o aminoácido glicina contém um sítio de ligação para a glicina em uma extremidade. Na outra extremidade, ele contém um anticódon que complementa o códon de glicina (GGA é um códon para glicina e, portanto, o anticodon de tRNAS seria CCU). Equipada com sua carga específica e seu anticódon correspondente, uma molécula de tRNA pode ler seu códon de mRNA reconhecido e trazer o aminoácido correspondente para a cadeia de crescimento (Figura 3.28).

Figura 3.28 Tradução de RNA para proteína Durante a tradução, o transcrito do mRNA é “lido” por um complexo funcional que consiste nas moléculas de ribossomo e tRNA. Os tRNAs trazem os aminoácidos apropriados em sequência para o polipeptídeo em crescimento encadeie combinando seus anticódons com códons na fita de mRNA.

Assim como os processos de replicação e transcrição do DNA, a tradução consiste em três estágios principais: iniciação, alongamento e término. A iniciação ocorre com a ligação de um ribossomo a uma transcrição de mRNA. O estágio de alongamento envolve o reconhecimento de um anticódon de tRNA com o próximo códon de mRNA na sequência. Uma vez que as sequências de anticódon e códon estão ligadas (lembre-se de que são pares de bases complementares), o tRNA apresenta sua carga de aminoácidos e a crescente fita polipeptídica é anexada a esse próximo aminoácido. Essa ligação ocorre com a ajuda de várias enzimas e requer energia. A molécula de tRNA então libera a fita de mRNA, a fita de mRNA desloca um códon no ribossomo e o próximo tRNA apropriado chega com seu anticódon correspondente. Esse processo continua até que o códon final do mRNA seja alcançado, o que fornece uma mensagem de “parada” que sinaliza o término da tradução e desencadeia a liberação da proteína completa recém-sintetizada. Assim, um gene dentro da molécula de DNA é transcrito em mRNA, que é então traduzido em um produto proteico (Figura 3.29).

Figura 3.29 Do DNA à proteína: Transcrição por tradução A transcrição dentro do núcleo celular produz uma molécula de mRNA, que é modificada e depois enviada ao citoplasma para tradução. A transcrição é decodificada em uma proteína com a ajuda de um ribossomo e moléculas de tRNA.

Comumente, uma transcrição de mRNA será traduzida simultaneamente por vários ribossomos adjacentes. Isso aumenta a eficiência da síntese protéica. Um único ribossomo pode traduzir uma molécula de mRNA em aproximadamente um minuto; portanto, vários ribossomos a bordo de uma única transcrição poderiam produzir várias vezes o número da mesma proteína no mesmo minuto. Um poliribossomo é uma sequência de ribossomos que traduz uma única fita de mRNA.

Link interativo

Assista a este vídeo para saber mais sobre os ribossomos. O ribossomo se liga à molécula de mRNA para iniciar a tradução de seu código em uma proteína. O que acontece com as subunidades ribossômicas pequenas e grandes no final da tradução?