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Etapas e Regulação da Tradução

A tradução é o processo de sintetizar uma proteína a partir de um transcrito de RNA mensageiro (mRNA). Este processo é dividido em três fases primárias: iniciação, alongamento e finalização. A tradução é catalisada por estruturas conhecidas como ribossomas, grandes complexos de proteínas e RNA ribossomal (rRNA). O ribossoma "lê" o mRNA, e traz os RNA de transferência (tRNAs), cada um ligado a um aminoácido específico, na ordem correta. Estes aminoácidos são então ligados uns aos outros por um componente enzimático do ribossoma conhecido como peptidil transferase. A tradução pode ser regulada em várias etapas, inclusive através de um processo conhecido como interferência de RNA. Este processo envolve pequenos segmentos de RNA de cadeia dupla que são capazes de inibir a tradução de mRNA.

Última atualização: Aug 15, 2022

Responsibilidade editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Dogma Central e Código Genético

Definição

  • O dogma central da expressão génica: Para expressar um gene, o DNA é transcrito para RNA, que é então traduzido para um polipéptido.
  • A tradução é o processo pelo qual o RNA mensageiro (mRNA) é usado como modelo para fazer polipéptidos.

DNA

  • Uma molécula em dupla hélice constituída por 2 cadeias antiparalelas, com uma estrutura semelhante a uma escada entrelaçada:
    • Os “lados” de cada escada são compostos por moléculas alternadas de desoxirribose (um açúcar de 5 carbonos) e fosfato.
    • Os “degraus” da escada são feitos de moléculas que contêm nitrogénio, chamadas nucleótidos, frequentemente chamadas “bases”.
  • Pares de base do DNA:
    • Guanina (G), citosina (C), adenina (A), e timina (T)
    • G emparelha-se com C (e vice-versa) através de 3 pontes de hidrogénio.
    • A emparelha-se com T (e vice-versa) através de 2 pontes de hidrogénio.
    • Estes pares de bases podem ser “lidos” como uma sequência de letras; por exemplo, GTATCGA.
    • Esta sequência de letras é o “código”, ou manual de instruções, usado, em última análise, para criar proteínas.

RNA

  • Uma molécula de cadeia simples composta por moléculas alternadas de ribose (um açúcar de 5 carbonos) e fosfato
  • Cada ribose está ligada a um nucleótido de RNA:
    • Guanina (G), citosina (C), adenina (A), e uracilo (U)
    • Note-se que, em vez de timina, a adenina liga-se com o uracilo (e vice-versa) através de 2 pontes de hidrogénio.
  • Codão: uma série de 3 nucleótidos seguidos que codificam um determinado aminoácido.
  • Tipos de RNA:
    • mRNA: cadeias modelo que são traduzidas em polipéptidos pelos complexos ribossómicos
    • RNA ribossómico (rRNA): um componente do complexo ribossómico que ajuda na síntese de proteínas.
    • RNA de transferência (tRNA): moléculas que carregam aminoácidos para o ribossoma, onde se ligam ao mRNA
Transcrição de ácidos nucleicos

Estruturas de RNA e DNA

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O código genético

O código genético é como os organismos traduzem uma sequência de bases numa proteína real.

  • A informação no mRNA está contida em sequências de 3 bases chamadas codões.
  • O código é específico: cada codão codifica apenas para 1 aminoácido.
  • O código é redundante:
    • Com 4 bases, há 64 possíveis codões de 3 bases, mas apenas 20 aminoácidos.
    • Alguns aminoácidos podem ser codificados por vários codões diferentes:
      • Normalmente é a 3.ª base que difere (conhecida como a base oscilante).
      • As mutações na base oscilante são frequentemente mutações silenciosas que não afetam a sequência de aminoácidos.
      • Por exemplo, GGG, GGA, GGC e GGU são todos códigos para a glicina, portanto, mesmo que a GGG mude para GGA, a proteína final será a mesma.
  • O código contém “pontuação”:
    • Codão de iniciação (inicia a tradução): AUG → codifica para metionina
    • Codões de paragem (terminam a tradução): UAA, UAG, UGA
  • O código é universal:
    • O código é o mesmo em todas as espécies, incluindo procariontes e eucariontes.
    • Exceção: vários codões são ligeiramente diferentes dentro das mitocôndrias.
  • O código é lido pelos tRNA dentro dos ribossomas.
O código genético

O código genético:
Começa no centro e é lido para determinar para quais aminoácidos cada um dos 64 códigos de codão. Os codões de iniciação e de paragem são anotados.

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Componentes da Tradução

Os mRNA são traduzidos em proteínas pelos ribossomas e pelos RNA de transferência.

RNA de transferência (tRNAs)

Os tRNA carregam os aminoácidos até aos ribossomas, onde eles se ligam ao mRNA, alinhando os aminoácidos que se ligarão para formar o polipéptido em crescimento.

  • Sintetizado por:
    • RNA polimerase em procariontes
    • RNA polimerase III em eucariontes
    • Existe um tRNA único para cada aminoácido.
  • Estrutura:
    • Uma molécula de RNA de cadeia simples tem 70-85 nucleótidos de comprimento.
    • Formam-se pares de pontes de hidrogénio/bases para criar uma estrutura em folhas de trevo (secundária)
    • A extremidade 3′ (no caule do trevo) é um local de ligação para um aminoácido.
    • O laço do centro do trevo contém um anticodão:
      • Uma sequência de 3 bases que são complementares a um codão de mRNA.
      • Permitem que o tRNA se ligue a um mRNA onde o codão e o anticodão coincidem
  • Carregamento de tRNA:
    • O processo de ligar um aminoácido ao tRNA
    • Catalisado pela enzima aminoacil-tRNA sintase
  • Aminoacil-tRNA sintase:
    • É responsável por ligar o aminoácido correto ao tRNA correspondente
    • Existe uma aminoacil-tRNA sintase diferente para cada aminoácido/tRNA.
    • Contém 2 locais de ligação primários:
      • Local de ligação de tRNA: inclui uma estrutura tipo codão que se liga ao anticodão do tRNA
      • Local de ligação de aminoácidos: encaixa no aminoácido que combina com aquele anticodão.
    • Processo de carregamento:
      • O aminoácido é carregado no seu local de ligação
      • O ATP é clivado, criando um AMP para carregar o aminoácido.
      • O tRNA é carregado no seu local de ligação.
      • O aminoácido é emparelhado com o tRNA, enquanto o AMP é libertado.
      • O tRNA carregado é libertado da enzima.
    • O aminoácido ligado à extremidade 3′ do tRNA corresponderá ao codão no mRNA ao qual o anticodão do tRNA se pode ligar.
  • tRNA iniciadores: os tRNA que se emparelham com o codão de iniciação
    • Em procariontes, o tRNA iniciador é N-formilmetionina(fMet)-tRNA
    • Em eucariotas, o tRNA iniciador é metionina-tRNA (met-tRNAi)

Ribosomas

Os ribossomas são complexos catalíticos que incluem componentes proteicos e rRNA. Dentro do complexo ribossómico, o mRNA é lido por tRNAs e é criado um polipéptido.

  • Estrutura do ribossoma:
    • Composto por 2 subunidades primárias: uma subunidade grande e uma subunidade menor
    • Contém múltiplas proteínas e rRNA
    • Os rRNA formam extensas estruturas secundárias através do emparelhamento entre si.
  • Subunidade grande:
    • Contém peptidil transferase:
      • Uma ribozima (um rRNA que funciona como uma enzima para catalisar uma reação): o maior rRNA dentro do ribossoma.
      • Cria as ligações peptídicas entre os aminoácidos
    • Contém 3 locais de ligação para tRNA carregados:
      • Posição de chegada (A)
      • Posição do polipéptido (P)
      • Posição de saída (E)
  • Pequena subunidade: descodifica o mRNA
  • Ribossomas leem mRNA de 5′ a 3′.
  • Flutuam livremente dentro do citosol ou podem-se fixar ao retículo endoplasmático rugoso (RER)
Ribosome structure demonstrating the large subunit on top

Estrutura do ribossoma que demonstra a grande subunidade no topo, com os locais de ligação A, P, e E para tRNAs carregados. A subunidade menor está abaixo do mRNA.

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Tabela: Ribossomas procarióticos versus eucarióticos
Procariontes Eucariontes
Tamanho da subunidade pequena 30 S 40 S
Tamanho da subunidade grande 50 S 60 S
Número de proteínas 52 88
Número de rRNA 3 4
Tamanho dos rRNA homólogos na subunidade pequena 16 S 18 S
Tamanhos de rRNA homólogos na subunidade grande
  • 5 S
  • 23 S*
  • 5 S
  • 28 S*
Tamanho do rRNA na subunidade grande sem um homólogo procariótico 5,8 S
* O rRNA conhecido como peptidil transferase catalisa a formação de ligações peptídicas entre aminoácidos na cadeia polipeptídica em crescimento.

Início da Tradução

O início da tradução envolve a montagem do ribossoma no mRNA na direção correta e encontrar o codão inicial.

Montagem do ribossoma

  • As subunidades ribossomais são desmontadas no citosol quando não estão em uso.
  • A pequena subunidade do ribossoma fixa-se à extremidade 5′ do mRNA.
  • A subunidade grande só se liga depois de o tRNA iniciador se ligar ao codão inicial.
  • Em procariontes:
    • O ribossoma monta-se no mRNA à medida que é transcrito a partir do DNA.
    • Nenhuma cabeça está presente ou é necessária para determinar a direção.
  • Em eucariontes:
    • O mRNA deve ser transportado do núcleo, onde foi transcrito, para o citosol para a tradução.
    • Os mRNA têm uma cabeça 5′, que:
      • Indicam a direção do mRNA
      • Serve como um local de ligação para fatores de iniciação eucariótica (FIe)
    • São necessários múltiplos FIe para ajudar a pequena subunidade e o tRNA iniciador a ligar-se ao mRNA.
  • A ligação das FIe e das subunidades ribossomais requer energia.

Procura do local de início

Assim que a subunidade pequena se liga à extremidade 5′ do mRNA, esta começa a procurar o local de início.

  • O local de início: AUG (o códão para a metionina)
    • Procariontes: usam uma sequência específica rica em purinas na extremidade 5′ para distinguir o AUG inicial de outros AUG (internos)
    • Eucariontes: usam o primeiro AUG encontrado mais próximo da extremidade 5′.
  • O complexo ribossomal analisa o mRNA à procura do codão inicial (AUG) ao se mover, passo a passo, na direção 5′ a 3′ ao longo do mRNA. Este processo requer energia da hidrólise ATP para o movimento.
  • Quando a pequena subunidade alcança o codão inicial (AUG) no mRNA, este ligar-se-á a um tRNA iniciador.
  • Assim que o tRNA iniciador esteja ligado ao mRNA, a subunidade grande entrará e orienta-se de modo que o tRNA iniciador esteja localizado no local P do complexo.
  • São necessários FIe e energia adicionais em eucariontes para a montagem completa do ribossoma.
Montagem de um ribossoma

Montagem de um ribossoma
fMet: formilmetionina

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Vídeos recomendados

Elongação e Finalização da Tradução

Processo de alongamento

  • Um RNA carregado com aminoácidos (aa-tRNA) liga-se ao local A dentro do ribossoma:
    • O anticodão tRNA deve complementar o codão mRNA para que a ligação no local A ocorra.
    • Requer energia de um fator de alongamento (EF pela sigla em inglês) pela hidrólise de um GTP
    • Os EF específicos são:
      • eEF-1α em eucariontes
      • EF-Tu em procariontes
  • A peptidil transferase liga o novo aminoácido à cadeia polipeptídica em crescimento por:
    • Transferência da cadeia de polipéptidos do tRNA no local P para a extremidade do aminoácido (“topo”) do aminoácido ligado ao tRNA no local A
    • Formação catalítica de uma ligação peptídica entre os 2 aminoácidos
  • O ribossoma desloca-se para o codão seguinte na direção 3′:
    • O deslocamento requer energia de outro EF através da hidrólise de um GTP:
      • EF-G em procariontes
      • eEF-2 em eucariontes
    • Este deslocamento muda os tRNA:
      • O tRNA na posição A com a crescente cadeia polipeptídica move-se para a posição P.
      • O tRNA na posição P move-se para a posição E e é expulso do ribossoma.
      • A posição A está agora aberto para o próximo tRNA carregado entrar.
  • Este ciclo é repetido até se encontrar um codão de paragem.

Emparelhamento wobble

  • As regras de emparelhamento de bases não são tão rigorosas na 3ª posição.
  • Emparelhamento wobble: quando a base na 3.ª posição do codão não coincide com a base na 3.ª posição do anticodão
  • Muitos aminoácidos têm múltiplas 3.ªˢ bases possíveis, onde o emparelhamento oscilante (wobble) não alteraria a estrutura final da proteína.
  • Se o emparelhamento wobble permitir a inserção de um aminoácido diferente, pode resultar uma proteína mutante.
Wobble pairing

Emparelhamento wobble

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Formação de ligações peptídicas

  • Catalisado pela peptidil transferase (um rRNA enzimático dentro de um ribossoma)
  • Liga o carbono α-carboxílico ao azoto α-amina
  • Liberta H2O no processo
Formação de uma ligação peptídica entre 2 aminoácidos

Formação de uma ligação peptídica entre 2 aminoácidos

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Terminação da tradução

A terminação ocorre quando o ribossoma atinge um codão de paragem.

  • Os codões de paragem codificam para um fator de libertação (FL) em vez de aminoácidos.
  • Os FL entram no local A e causam:
    • A desmontagem do ribossoma
    • A libertação da cadeia polipeptídica
Terminação da tradução

Terminação da tradução

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Regulação da Tradução

A tradução pode ser regulada no nível de iniciação, do alongamento ou da terminação, principalmente através de “up-regulation” (regulação positiva, a favorecendo a síntese) e “down-regulation” (regulação negativa, contra a síntese) de fatores de iniciação, alongamento e terminação. A tradução é também regulada através RNA de interferência, splicing alternativo e edição de RNA.

RNA de interferência

RNA de interferência (RNAi) são pequenas moléculas de RNA que causam interferência na tradução, que acabam por inibir a tradução de mRNA específicos.

  • Envolve RNA de cadeia dupla e um complexo proteico:
    • MicroRNA (miRNA): originam-se dentro da célula
    • RNA de silenciamento (siRNA) (ou pequenos RNA de interferência): originam-se fora da célula
      • Podem originar-se a partir de um vírus
      • Frequentemente usados em biotecnologia
    • Complexo silenciador induzido por RNA (RISC pela sigla em inglês): complexo de proteínas que incorpora um miRNA ou um siRNA e pode inibir a tradução
  • siRNAs e miRNAs estão envolvidos em:
    • Degradação seletiva de mRNA
    • Inibição da tradução
    • Alteração da estrutura da cromatina (mecanismos epigenéticos)
  • Como funciona o RNAi:
    • Uma enzima chamada “dicer” divide o RNA de cadeia dupla (dsRNA) em cerca de 20 segmentos de pares de base (seja miRNA ou siRNA).
    • Uma vez cortado, o dsRNA é separado em cadeias simples.
    • Quando estes segmentos miRNA/siRNA de cadeia única se ligam aos RISC, o RISC ajuda o miRNA/siRNA na ligação e inibição de uma cadeia complementar de mRNA.
    • Uma vez ligado a um mRNA, o RISC inibe a tradução por:
      • Corte de segmentos de mRNA com a enzima argonaute (parte do RISC).
      • Permanecendo ligado ao mRNA e bloqueando o ribossoma de completar a tradução.
  • Objetivos do RNAi:
    • Proteção contra certos vírus
    • Regulação da expressão génica
    • Em biotecnologia: permite aos biólogos moleculares silenciar genes-alvo específicos
Interferência do rna através do risc e de um mirna

Interferência de RNA através do RISC e de um miRNA

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Splicing alternativo

  • Os intrões não codificantes são cortados por spliceosomas (complexos de ribonucleoproteínas enzimáticas).
  • Várias proteínas diferentes podem ser feitas a partir de um único gene através de splicing diferencial do mRNA.
Splicing alternativo

Splicing alternativo:
Através do splicing de várias maneiras, diferentes proteínas podem ser criadas a partir do mesmo mRNA.

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Edição de RNA

  • Os transcritos de mRNA podem ser editados por enzimas depois de já terem sido criados.
  • Exemplos de proteínas cujos mRNA sofrem edição:
    • Apolipoproteína B
    • Recetores de serotonina

Relevância Clínica

  • Macrólidos e cetolidos: um grupo de antibióticos frequentemente usado em infeções respiratórias que funcionam através da inibição da subunidade 50S no ribossoma, bloqueando a síntese de proteínas em bactérias. Macrólidos comuns incluem eritromicina, claritromicina e azitromicina.
  • Tetraciclinas: um grupo de antibióticos bacteriostáticos de largo espetro que funcionam através da inibição da subunidade 30S no ribossoma, bloqueando a síntese de proteínas em bactérias. Um exemplo comum é a doxiciclina.
  • Toxina da difteria: a toxina da difteria ribosila o eEF-2, inibindo o alongamento e, consequentemente, a síntese de proteínas, levando à morte celular. As descobertas características da difteria incluem pseudomembranas faríngeas (exsudados de amígdalas cinzentos), faringite severa e uma linfadenopatia “pescoço de touro”. O tratamento é feito principalmente através da imunização passiva com antitoxinas e antibióticos. A prevenção é feita através da vacina contra a difteria toxoide.
  • Cancro: os miRNA podem atuar como supressores tumorais ou oncogénicos, desregulando a expressão génica.

Referências

  1. Weil, P. A. (2018). Nucleic acid structure & function. In Rodwell, V.W., et al. (Eds.). Harper’s illustrated biochemistry, 31e. New York, NY: McGraw-Hill Education. Retrieved from https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?aid=1160190679
  2. Weil, P. A. (2018). Protein synthesis & the genetic code. In Rodwell, V.W., et al. (Eds.). Harper’s illustrated biochemistry, 31e. New York, NY: McGraw-Hill Education. Retrieved from https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?aid=1160191039
  3. Cooper, G. Hausman, R. (2013). The Cell: a molecular approach. Sunderland, MA: Sinauer Associates.
  4. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Section 29.5, Eukaryotic Protein Synthesis Differs from Prokaryotic Protein Synthesis Primarily in Translation Initiation. In Biochemistry, 5th edition. New York: W H Freeman. Retrieved April 19, 2021, from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22531/

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