Síntese de proteínas e código genético

 

Síntese protéica ou Tradução

Os procariotos e eucariotos usam diferentes estratégias para especificar o sítio de início da síntese protéica num mRNA. Nas bactérias, como comentado  anteriormente nesta aula, uma sequência conservada de 6 nucleotídeos, conhecida como sequência de Shine Delgarno, ou sítio ligador de ribossomo (RBS), ou sítio de reconhecimento de ribossomo (rrs), é sempre encontrada umas poucas bases acima (5') do códon de iniciação. Esta sequência pode parear com algumas bases do rRNA 16S da sub-unidade menor do ribossomo procarioto. A interação entre os dois RNAs é fundamental para a eficiência do início da tradução e ainda oferece uma oportunidade para regular a tradução, pro exemplo, através de proteínas que se ligam ao RBS, bloqueando-o.

Os mRNAs eucariotos, entretanto, não têm a sequência de Shine Delgarno, nem nada semelhante. Ao contrário, a decisão pelo uso de um determinado codon AUG fica dependente de sua proximidade com o cap da extremidade 5' do mRNA. Os nucleotídeos próximos ao AUG funcional também têm influência e uma sequência de consenso em mamíferos já foi identificada (sequência Kozak - criando um ambinete 5'-ACCAUGG-3' para o códon de iniciação; a base A inicial desta sequência parece ser muito importante para o início da síntese protéica). Se o ribossomo não identificar o primeiro AUG na sequência, ele poderá seguir até o segundo ou o terceiro. Isto produz proteínas diferentes a partir de um único transcrito. em geral com o mesmo quadro de leitura (ver mais adiante o significado desta expressão), mas sem os primeiros aminoácidos.

Apenas em alguns casos específicos (mRNA virais sem cap ou, muito mais raramente, mRNAs do próprio organismo) a tradução começa mais internamente no mRNA, num mecanismo semelhante ao procarioto. O sítio de reconhecimento chama-se IRES (para internal ribosome entry site). O ribossomo se liga aí e desliza até o AUG mais próximo, quando se inicia a síntese protéica (veja figura abaixo). Os detalhes deste mecanismo não são conhecidos.

 

Figura 1:  A síntese de proteína nos eucariotos poda se iniciar na extremidade 5' do mRNA (em geral) ou em sítios de acesso interno para o ribossoma (IRES = internal ribosome entry sites)(muito raramente). No primeiro caso o complexo de pre-iniciação 43 S (formado pela sub-unidade leve do ribossoma e vários fatores de iniciação) liga-se ao cap 5'(m7G) e então desliza pelo mRNA até que encontre um códon AUG aceitável, geralmente cerca de 100 bases mais abaixo (3'). No segundo caso, o complexo se liga a um IRES, muito mais abaixo da extremidade 5', e desliza pelo mRNA até encontrar um AUG apropriado.

A iniciação da tradução mais comum está representada pela figura a seguir. Os fatores de iniciação eucariotos eIF-1, eIF-1A e eIF-3 ligam-se à sub-unidade ribossomal 40S e o eIF-2 (em complexo com o GTP) se associa ao metionil tRNA iniciador. O mRNA É reconhecido e levado até o ribossoma pelo grupo de fatores eIF-4, O cap 5' é reconhecido pelo eIF-4E. Outro fator, eIF-4G,liga-se tanto a eIF-4E quanto a uma proteína  associada com a cauda poli-A na extremidade 3' do mRNA ( a proteína PABP). Assim, os fatores de iniciação eucariotos reconhecem tanto as extremidades 5' como as 3 'do mRNA, o que justifica o efeito estimulatório da poli-adenilação na transcrição. Após outras interações entre os fatores de iniciação, a subunidade 40S ribossomal, em associação com o metionil tRNA e vários eIFs, percorre o  mRNA em busca do códon AUGde iniciação. Quando ele é alcançado, o eIF-5 provoca a hidrólise do GTP ligado ao eIF-2. Os eIFs são então liberados e a sub-unidade 60S subunit pode se ligar à 40 S para formar o complexo 80S inicial da tradução eucariota.

Figura 2: Iniciação da tradução em eucariotos (ver texto acima para detalhamento)

O mecanismo de alongamento da cadeia polipeptídica é semelhante ao dos procariotos.

O ribossomo tem três cavidades para ligação do tRNA, designadas P (peptidil), A (aminoacil) e E (exit). O metionil-tRNA fica ligado à cavidade P quando o ribossomo se fecha. Assim, o próximo aminoacil-tRNA vai parear ao segundo códon da sequência do mRNA entrando na cavidade A. Os aminoacil-tRNA são acompanhados por um fator de alongamento (EF-Tu em procariotos e eEF-1a em eucariotos), e traz consigo o GTP. Quando o tRNA certo encontra o códon no mRNA, o GTP é hidrolisado e o fator de alongamento liberado.

Uma vez que o eEF é liberado, uma ligação peptídica é feita entre os dois tRNAs, catalizada pela sub-unidade maior do ribossoma. O reesultado é a transferência da metionina (primeiro aa incorpordo) para o aminoacil-tRNA na cavidade A, ficando a cavidade P com o tRNA descarregado. Em seguida há uma translocação na qual o ribossomo move-se 3 bases mais para adiante (3') na sequência (a determinação de quantas bases o ribossomo irá andar é feita pelo anticódon do tRNA na cavidade aminoacil). Este movimento desloca o tRNA vazio para a cavidade E e o tRNA transportando os 2 primeiros aminoácidos da cadeia poli-peptídica para a cavidade P. O sítio A, uma vez preenchido, vai provocar a saída do tRNA descarregado da cavidade E. O processo se repete até que um códon de terminação seja apresentado na cavidade A. O processo descrito está representado na figura a seguir.

Figura 3:  estágio de alongamento da cadeia polipeptídica.O procsso, ilustrado para a síntese em procariotos, é muito semelhante nos eucariotos.

O alongamento da cadeia continua até que um códon de terminação seja apresentado na cavidade A. Não há tRNAs com anticodons complementares aos códons de terminação. Estes são reconhecidos por fatores de terminação protéicos Nos eucariotos um único fator de terminação reconhece todos os códons de parada (nos procariotos são dois fatores).  Outros fatores estão também envolvidos. Após a interação deles, a fita de mRNA se solta do ribossomo e as duas sub-unidades se separam. Esta etapa está mostrada na figura abaixo.

 

Figura 4: Terminação da tradução (ver texto acima para detalhamento)

 

O Código Genético

As regras pelas quais uma sequência de nucleotídeo é traduzida na sequência de aminoácidos de uma proteína, o chamado Código Genético, começaram a ser decifradas por Nirenberg, no início da década de 60. Trincas de bases formam os códons, que são reconhecidos pela alça de anticódons da molécula adaptadora conhecida como aminoacil-tRNA. Esta molécula transporta o aminoácido para os ribossomos. Como há 4 nucleotídeos, que podem ser repetidos no códon, há 64 possibilidades de códon, para 20 aminoácidos. Os aminoácidos de uso mais frequente têm vários códons. esta redundância faz com que o código genético seja degenerado. O código é altamente conservado entre as espécies, com pequenas exceções, mais notáveis nas organelas de origem simbiótica, como a mitocôndria e o cloroplasto. A figura abaixo resume o código genético.

Figura 5: O Código Genético.  Cada triplete de bases é traduzido para um diferente aminoácido, de acordo com as regras apresentadas na tabela.

Em princípio, toda sequência de DNA poderia ser lida nos dois sentidos (em fitas diferentes, pois apenas a fita 3'-5' pode servir de molde para a síntese do RNA) e em três quadros de leitura diferentes, isto é, iniciando de uma base qualquer e contando de três em três, ou da base seguinte ou ainda da seguinte a ela. Entretanto, via de regra (exceto em vírus), apenas um destes quadros é verdadeiro. Para ilustrar este ponto suponha a sequência abaixo, que deve ser lida de 3 em 3 letras para fazer sentido.

TTHAHCAHFTARTHTHEFATCATATETHERATHHRTAEHT

Se começarmos da primeira letra teremos TTH AHC AHF TAR THT HEF ATC ATA TET HER ATH HRT AEH T, que não faz sentido em nenhum trecho.

Se iniciarmos na segunda letra teremos T THA HCA HFT ART HTH EFA TCA TAT ETH ERA THH RTA EHT, que também não faz sentido.

Se, entretanto, iniciarmos da terceira base, teremos

TT HAH CAH FTA RTH THE FAT CAT ATE THE RAT HHR TAE HT, que faz sentido num trecho específico. este é extamente o caso de um gene lido no quadro de leitura correto. Antes da frase em negrito teríamos a região 5'não traduzida e depois dele a 3' não traduzida.

Como não há nenhum tipo de pontuação no DNA, o posicionamento exato do ribossomo, como visto acima, é crítico para o sucesso da tradução. Se o códon AUG falso for usado para iniciar a síntese, uma proteína será ainda assim produzida, mas sem qualquer sentido biológico. geralmente logo aparece um sinal de terminação da tradução nos quadros de leitura errôneos e por isso as proteínas abortivas criadas nestes casos costumam ser pequenas.

Embora o código genético seja universal, os diferentes organismos têm preferências muito distintas pelos códons redundantes. Assim, um códon muito usado num mamífero pode ser o mais raramente empregado numa arqueobactéria, por exemplo, Este fenômeno é conhecido como códon bias e atrapalha algumas vezes as tentativas de se fazer expressar um gene de um organismo em outro.