Etapas e Regulação da Tradução

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

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.

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-tRNA_i)

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)

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.

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.

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

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

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

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.

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.