Como funciona a síntese proteica: transcrição, tradução e mutações

Do gene à proteína

Um gene é um trecho de DNA cuja sequência de bases define uma proteína. A célula não lê o DNA diretamente para fazer a proteína. Primeiro copia o gene em RNA mensageiro (transcrição), e depois os ribossomos leem o mRNA para unir os aminoácidos na ordem certa (tradução). Esse fluxo de informação, do DNA ao RNA e à proteína, costuma ser chamado de dogma central da biologia molecular.

Transcrição

A RNA polimerase se liga a um promotor na frente do gene, desenrola um trecho curto da dupla hélice (a bolha de transcrição, de cerca de 14 pares de bases) e avança por ela. Ela lê uma das fitas, a fita molde, e constrói uma fita de RNA complementar, juntando nucleotídeos à ponta 3′ do RNA, que assim cresce de 5′ para 3′. O RNA tem, portanto, a mesma sequência da outra fita de DNA, a fita codificadora, com uracila (U) no lugar de timina (T). Atrás da polimerase, o DNA volta a se fechar.

Nas bactérias, o mRNA é usado na hora. Nos eucariotos, ele é processado primeiro: recebe um quepe na ponta 5′ e uma cauda poli-A na 3′, e os íntrons são cortados (splicing) antes de o mRNA sair do núcleo.

O código genético

O mRNA é lido de três em três bases. Cada trinca é um códon. Quatro bases dão 4³ = 64 códons: 61 codificam os 20 aminoácidos e 3 (UAA, UAG, UGA) significam parada. AUG codifica a metionina e também marca o início. A maioria dos aminoácidos tem vários códons, que em geral diferem na terceira base, então o código é redundante (degenerado). Quase todos os seres vivos usam o mesmo código, com pequenas exceções.

Tradução

1. Iniciação: a subunidade menor do ribossomo se liga ao mRNA e encontra o códon de início AUG; o primeiro RNA transportador, carregando metionina, se pareia com ele, e a subunidade maior se junta.
2. Alongamento: um tRNA cujo anticódon se pareia com o próximo códon traz o próximo aminoácido; o ribossomo o liga à cadeia em crescimento com uma ligação peptídica e avança um códon. Ribossomos bacterianos acrescentam cerca de 15 a 20 aminoácidos por segundo; os nossos, cerca de 5.
3. Terminação: num códon de parada nenhum tRNA se encaixa; em vez disso, um fator de liberação se liga, a cadeia pronta é solta e o ribossomo se desmonta.

A ordem dos códons define a ordem dos aminoácidos, e essa sequência decide como a cadeia se dobra numa proteína funcional.

Um exemplo resolvido: β-globina

O gene humano da β-globina (HBB), metade da molécula de hemoglobina, começa assim:

ATG GTG CAT CTG ACT CCT GAG GAG AAG …

1. mRNA: AUG GUG CAU CUG ACU CCU GAG GAG AAG …
2. Códons: AUG = Met, GUG = Val, CAU = His, CUG = Leu, ACU = Thr, CCU = Pro, GAG = Glu, GAG = Glu, AAG = Lys.
3. Proteína: Met-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…, ou MVHLTPEEK em código de uma letra.

Mutações

• Silenciosa: uma substituição que transforma um códon em outro do mesmo aminoácido. GTG para GTC no códon 2 continua dando valina.
• De sentido trocado: o novo códon codifica outro aminoácido. Na anemia falciforme, o códon 7 muda de GAG para GTG, e o glutamato vira valina. A valina, hidrofóbica, faz as moléculas de hemoglobina grudarem em fibras quando falta oxigênio, entortando as hemácias em forma de foice. Algumas trocas de sentido são inofensivas; outras destroem a proteína.
• Sem sentido: o códon vira uma parada. Trocar a base 19 do HBB de G para T transforma GAG em TAG, e a proteína para depois de seis aminoácidos. Mutações assim causam a β-talassemia.
• Mudança de fase: inserir ou retirar um número de bases que não é múltiplo de três desloca a fase de leitura, então todo códon seguinte muda. Retirar a base 20 do HBB dá MVHLTPGRSLPLLPCGAR e depois uma parada: uma proteína curta e inútil. Inserir ou retirar três bases acrescenta ou tira um aminoácido sem deslocamento, como na mutação mais comum da fibrose cística, que remove uma fenilalanina.

Como usar a simulação

No Simulador de síntese proteica: transcrição e tradução, experimente:

• Veja a β-globina sendo transcrita e depois traduzida; compare o mRNA dos resultados com a fita codificadora.
• Escolha Substituição na base 20 por T: a mutação falciforme, mostrada como de sentido trocado E7V.
• Base 19 para T: sem sentido. Base 6 para C: silenciosa.
• Deleção na base 20: mudança de fase, e o gráfico de hidropatia se embaralha depois do códon 7.
• O exemplo curto tem o códon de início depois de algumas bases: o ribossomo as pula e para em TGA.
• Digite uma sequência sem ATG: nenhuma proteína é feita.

O que o modelo supõe

• O código genético padrão, lido a partir do primeiro ATG da sequência, naquela fase, até o primeiro códon de parada ou o fim da sequência.
• Uma sequência codificadora sem íntrons: o que você digita é tratado como a sequência do mRNA, sem promotor, splicing, quepe ou cauda.
• Uma polimerase e um ribossomo de cada vez, em velocidades fixas; genes reais são transcritos por muitas polimerases e cada mRNA é lido por muitos ribossomos ao mesmo tempo (um polissomo).
• Massas a partir das massas médias dos resíduos mais uma água, sem modificações; a metionina inicial é mantida.
• Hidropatia pela escala de Kyte-Doolittle, em médias sobre janelas de cinco resíduos.

Casos-limite

• Sem códon de início: nenhuma proteína. Uma mutação no próprio ATG perde o início; a simulação então traduz a partir do próximo ATG, que pode estar em outra fase.
• Sem códon de parada: o ribossomo passa do fim da sequência. Nas células, esses mRNAs "sem parada" são reconhecidos e destruídos.
• Mutações antes do início ou depois da parada deixam a proteína igual, embora em genes reais ainda possam afetar quanto dela é feito.
• Uma substituição pela mesma base não muda nada.

Onde o modelo deixa de valer

• Silenciosa nem sempre é inofensiva. Trocas sinônimas podem alterar sinais de splicing, o dobramento do mRNA ou a rapidez com que um códon é lido, e assim mudar quanta proteína é feita ou como ela se dobra.
• Decaimento mediado por mutação sem sentido. Nos eucariotos, um mRNA com uma parada prematura costuma ser destruído antes que muita proteína truncada seja feita.
• Códons de início no contexto. Os ribossomos dos eucariotos percorrem o mRNA a partir do quepe e preferem um AUG num bom contexto (a sequência de Kozak, como GCCACCAUGG); as bactérias usam uma sequência de Shine-Dalgarno logo antes. Nem sempre o primeiro ATG é o usado.
• Depois da tradução. A metionina inicial muitas vezes é removida, e é por isso que a mutação falciforme se chama Glu6Val; as proteínas são cortadas, dobradas com ajuda de chaperonas e decoradas com açúcares e fosfatos.
• Outros códigos. As mitocôndrias e alguns micróbios leem alguns códons de outro jeito; nas mitocôndrias humanas, UGA codifica triptofano.

Ferramentas relacionadas

Traduza qualquer sequência nas seis fases com Traduzir DNA em proteína, encontre fases abertas de leitura com o Localizador de ORF, faça mutações pontuais com Mutar DNA e pese o resultado com Peso molecular de proteína. Como traduzir DNA em proteína percorre o código à mão, e o Visualizador de dobramento de DNA e RNA mostra a própria molécula.