Os processos de transcrição da molécula de DNA e tradução das moléculas de RNA mensageiro

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Tópico 07
Genética humana
Os processos de transcrição da
molécula de DNA e tradução das
moléculas de RNA mensageiro
1. Introdução
A transcrição nada mais é do que a síntese de uma molécula de
RNA a partir de um molde de DNA. Como foi visto nas aulas
anteriores, existem diferentes moléculas de RNA, cada uma com
funções específicas no metabolismo celular. Neste tópico, será
abordado o processo de síntese e as funções desempenhadas por
moléculas de RNA distintas: o RNA mensageiro, o RNA
ribossômico e o RNA transportador.
Todos os RNAs celulares são sintetizados a partir de moldes de
DNA por meio do processo de transcrição. A transcrição tem
muitas semelhanças com o processo de replicação, mas a
diferença fundamental está relacionada com o tamanho do
molde usado. Na replicação, todos os nucleotídeos do molde do
DNA são replicados, mas, na transcrição, apenas pequenas
partes da molécula de DNA – em geral, um único gene, ou, no
máximo, alguns genes – são transcritos em RNA.
Como nem todos os produtos dos genes são necessários ao
mesmo tempo ou na mesma célula, a transcrição constante de
todos os genes de uma célula seria muito ineficiente. Além disso,
vocês se lembram que a maior parte do DNA é denominada “não
codificante”, pois não codifica um produto funcional como os
RNAs ou proteínas e a transcrição de tais sequências não faria
sentido. A transcrição é, de fato, um processo muito seletivo: os
genes individuais são transcritos apenas se seus produtos forem
necessários. Entretanto, essa seletividade impõe um problema
fundamental na célula: como identificar os genes individuais e
transcrevê-los no momento e local corretos.
Ao decorrer da lição, será abordado todo o processo de síntese
das moléculas de RNA’s, as proteínas e as enzimas necessárias
para que este processo ocorra. Além disso, será abordado o
processo de tradução das moléculas de RNA em produtos
funcionais, as proteínas.
2. O molde de DNA
Para que o processo de transcrição aconteça, são necessários três
componentes principais: um molde de DNA, as matérias-primas
para a síntese das moléculas de RNA (trifosfatos de
ribonucleotídeos) e o aparato de transcrição (as proteínas
necessárias para catalisar a síntese de RNA). A Em 1970, Oscar
Miller Jr., Barbara Hamkalo e Charles Thomas usaram
microscopia eletrônica para examinar o material celular e
demonstrar que o RNA é transcrito a partir de um molde de
DNA.
Neste experimento, os autores viram estruturas semelhantes à
“árvore de Natal” dentro da célula: finas fibras centrais (o tronco
da árvore) às quais estavam presos fios (os ramos) com grânulos.
Além disso, eles observaram que a adição da desoxirribonuclease
(uma enzima que degrada o DNA) fez com que as fibras centrais
desaparecessem, indicando que os “troncos da árvore” eram
moléculas de DNA. A ribonuclease (uma enzima que degrada
RNA) removeu os fios granulosos, indicando que os ramos eram
RNA. Sua conclusão foi que cada “árvore de Natal” representava
um gene sendo submetido à transcrição. A transcrição de cada
gene inicia-se no topo da árvore; então, pouco do DNA foi
transcrito e os ramos de RNA eram curtos. À medida que o
aparato de transcrição desce na árvore, transcrevendo mais o
molde, as moléculas de RNA se prolongam, produzindo grandes
ramificações no final da árvore (Figura 1).
Figura 1 – Microfotografia eletrônica evidenciando (a) a estrutura das
“árvores de natal” sugerida por Oscar Miller Jr e seus colaboradores e
(b) a interpretação dada pelos autores ao processo de transcrição de
um gene.
O molde para a síntese do RNA, assim como para a síntese de
DNA, é uma fita simples da dupla-hélice do DNA. Diferente da
replicação, entretanto, a transcrição de um gene ocorre em
apenas uma das duas fitas de nucleotídeos do DNA. A fita de
nucleotídeos, usada para a transcrição, é chamada de fita molde.
A outra, chamada de fita não molde, não é transcrita. Assim, em
um gene, apenas uma das fitas de nucleotídeos é transcrita em
RNA (existem algumas exceções para esta regra; Figura 2).
Durante a transcrição, uma molécula de RNA complementar e
antiparalela à fita molde de DNA é sintetizada e o RNA
transcrito tem a mesma polaridade. Além disso, a sequência de
bases que a fita não molda, com a exceção de que o RNA, tem
Uracilas em vez de Timinas (Figura 3).
Figura 2 – Processo de transcrição a partir de uma fita molde de DNA.
Cada gene é transcrito a partir de apenas uma das fitas de DNA, a fita
molde, mas diferentes genes podem ser transcritos de fitas
diferentes.
Figura 3 – Processo de síntese do RNA complementares e antiparalelas
a uma das fitas do DNA molde.
3. As matérias-primas
O RNA é sintetizado a partir de um molde de DNA utilizando
trifosfatos de ribonucleotídeos (rNTPs). Na síntese, novos
nucleotídeos são unidos, um de cada vez, ao grupo 3’-OH da
molécula de RNA crescente. Dois grupos fosfato são rompidos a
partir do trifosfato de nucleotídeo de chegada, liberando energia
para ligar o grupo fosfato remanescente (por meio de uma
ligação fosfodiéster) do nucleotídeo à molécula de RNA
crescente. Assim como na replicação, os nucleotídeos são sempre
adicionados à extremidade 3’ da molécula de RNA e o sentido da
transcrição é, portanto, 5’ → 3’, o mesmo que a síntese de DNA
durante a replicação. A síntese de RNA é, portanto,
complementar e antiparalela a uma das fitas de DNA (a fita
molde; Figura 4).
Uma característica fundamental que diferencia os processos de
replicação e transcrição é que, diferente da síntese do DNA
(replicação), a síntese do RNA (transcrição) não precisa de
um primer para que a síntese se inicie. Essa característica faz
com que apenas uma enzima seja necessária para o processo de
Transcrição, a RNA polimerase. Apesar disso, alguns estudos
modernos indicam que a ação da RNA polimerase é
potencializada por outras proteínas, um complexo chamado de
Aparato de Transcrição.
Trifosfatos de ribonucleotídeos são os substratos utilizados na síntese
de RNA durante a transcrição gênica.
4. O aparato de transcrição
A ação da RNA polimerase (Figura 5) é potencializada por várias
proteínas acessórias que se unem e deixam a polimerase em
diferentes estágios do processo. Cada proteína acessória é
responsável por fornecer ou regular uma função especial. Assim,
a transcrição, como a replicação, requer um conjunto de
proteínas para desempenhar bem a sua função. A maioria das
células eucarióticas tem três tipos diferentes de RNA polimerase,
cada uma responsável por transcrever uma classe diferente de
RNA: a RNA polimerase I transcreve rRNA (RNA
ribossômico); a RNA polimerase II transcreve pré-
mRNAs (pré RNAs mensageiros); e a RNA polimerase
III transcreve moléculas de RNA pequenas, mas
principalmente tRNAs (RNA transportador). As RNA
polimerases I, II e III são encontradas em todos os eucariotos.
Todas as polimerases eucarióticas são enzimas grandes,
multiméricas, com mais de uma dúzia de subunidades. Algumas
subunidades são comuns a todas as RNA polimerases, enquanto
outras são limitadas a uma das polimerases.
Figura 5 – Esquema da ação da RNA polimerase II durante o processo
de transcrição gênica.
5. O processo de transcrição
Como foi visto até agora, a transcrição ocorre em um ou alguns
genes. Desta forma, o processo de transcrição necessita de uma
região na fita molde onde o aparato de transcrição consiga
identificar e realizar a transcrição. Esta região é definida como
uma Unidade de Transcrição. Cada unidade de transcrição é
formada por uma região chamada de promotor, uma região
codificadora do RNA e um terminador (Figura 6). Como o DNA
de um cromossomo é uma unidade contínua, a maquinaria da
transcrição precisa ser direcionada para o começo de um gene, a
fim de começar a transcrever no local certo, continuar
transcrevendo ao longo do gene e, finalmente, parar de
transcrever na outra extremidade do gene. Esses três estágios
distintos da transcrição são chamados de iniciação, alongamentoe término.
Figura 6 – Esquema de caracterização da Unidade de transcrição
formada pelo promotor, a região codificadora e o terminador.  
A Iniciação é a etapa da transcrição na qual o aparato da
transcrição se encaixa no promotor e inicia a síntese de RNA.
Apesar de parecer simples, a identificação do promotor correto é
crucial para identificar qual o gene deve ser transcrito. Na etapa
de iniciação, são realizados todos os processos necessários para
começar a síntese do RNA, incluindo a identificação do gene pelo
reconhecimento do promotor, formação da bolha de transcrição
e transcrição do primeiro códon, que nos organismos eucariotos,
sempre é a sequência AUG de nucleotídeos. A iniciação da
transcrição requer que o aparato de transcrição identifique e se
ligue ao promotor. Nessa etapa, a seletividade da transcrição é
reforçada; a ligação da RNA polimerase ao promotor determina
quais partes do molde de DNA devem ser transcritos e com que
frequência. Diferentes genes são transcritos com diferentes
frequências e a ligação ao promotor é responsável,
principalmente por determinar a frequência de transcrição para
um gene particular. Os promotores também têm diversas
afinidades pela RNA polimerase. Mesmo dentro de um único
promotor, a afinidade pode variar com o tempo, dependendo da
interação do promotor com a RNA polimerase e de vários outros
fatores.
Nesta etapa, a RNA polimerase separa as duas fitas da molécula
de DNA e adiciona novos nucleotídeos, um por vez, à
extremidade 3’ da fita de RNA crescente. Para iniciar a síntese de
uma molécula de RNA, a RNA polimerase pareia a base em um
trifosfato de ribonucleotídeo com sua base complementar no
sítio de início na fita molde de DNA. Não é necessário
nenhum primer para iniciar a síntese na extremidade 5’ da
molécula de RNA. Dois dos três grupos de fosfato são rompidos
a partir do trifosfato de ribonucleotídeo à medida que o
nucleotídeo é adicionado à extremidade 3’ da molécula de RNA
crescente. Entretanto, como a extremidade 5’ do primeiro
trifosfato de ribonucleotídeo não participa da formação de uma
ligação fosfodiéster, todos os três grupos fosfatos são
preservados. Uma molécula de RNA, portanto, tem pelo menos
inicialmente, três grupos fosfatos na sua extremidade 5’ (Figura
7).
Aprendendo mais um pouco!
Cerca de 40 nucleotídeos por segundo são adicionados
na transcrição de células bacterianas a 37°C. Essa taxa
de síntese de RNA é muito menor do que a da síntese de
DNA, que é de 1.000 a 2.000 nucleotídeos por segundo.

Figura 7 – Esquema dos processos de iniciação e alongamento, as duas
etapas iniciais da transcrição gênica.
A segunda etapa do processo de transcrição é o alongamento.
Após a iniciação da transcrição, a RNA polimerase sofre uma
mudança na conformação (formato) e não é mais capaz de se
ligar a sequências no promotor. Essa mudança torna possível
que a polimerase saia do promotor e comece a transcrição da
região codificadora. À medida que ela se move pela região
codificadora do molde de DNA, a RNA polimerase desenrola o
DNA na fita molde, aumentando a bolha de transcrição (região
similar as forquilhas de replicação), unindo nucleotídeos à
molécula de RNA de acordo com a sequência no molde e
enrolando o DNA na região já transcrita da bolha.
Por fim, ocorre a etapa de Término que consiste na identificação
da extremidade do terminador da unidade de transcrição, a
separação da molécula de RNA do molde de DNA e a saída da
RNA polimerase da molécula de DNA. Nesta etapa, a RNA
polimerase adiciona nucleotídeos à extremidade 3’ da molécula
de RNA crescente até ela transcrever um terminador. A maioria
dos terminadores é encontrada acima do sítio onde o término
realmente ocorre. Dessa forma, a transcrição não para
subitamente quando a polimerase alcança o terminador. Em vez
disso, ela para após o terminador ser transcrito, como um carro
para somente após passar sobre um quebra-molas. São
necessários vários eventos de sobreposição no terminador para
finalizar a transcrição: a RNA polimerase precisa parar de
sintetizar RNA, a molécula de RNA tem de ser liberada da RNA
polimerase, a molécula de RNA recém-sintetizada precisa se
dissociar completamente do DNA e a RNA polimerase precisa se
soltar do molde de DNA.
6. Procesamento dos RNAs
O conhecimento da estrutura química do DNA e do processo de
transcrição possibilitou uma noção mais precisa sobre o que é
um gene. Em 1902, Archibald Garrod sugeriu, corretamente, que
os genes codificam as proteínas. Elas são feitas a partir de
Aprendendo mais um pouco!
A transcrição ocorre dentro de um curto segmento de 18
nucleotídeos de DNA desenrolado chamado de bolha de
transcrição. Dentro dessa região, o RNA é sintetizado de
forma contínua, com o DNA de fita simples usado como
molde.

aminoácidos; então, um gene tem os nucleotídeos que
especificam os aminoácidos de uma proteína. Portanto, por
muitos anos, a definição de trabalho de um gene era um
conjunto de nucleotídeos que especifica a sequência de
aminoácidos de uma proteína (Figura 8). À medida que os
geneticistas aprenderam mais sobre a estrutura dos genes,
entretanto, ficou claro que esse conceito era uma simplificação
exagerada.
Figura 8 – Esquema dos processos de Transcrição e Tradução gênica.
Muitos genes eucarióticos apresentam regiões codificadoras,
chamadas éxons, e regiões não codificadoras, chamadas
sequências intervenientes ou íntrons. Por exemplo: o gene que
codifica a proteína ovalbumina tem oito éxons e sete íntrons; o
gene para o citocromo b tem cinco éxons e quatro íntrons. O
gene humano médio tem de oito a nove íntrons. Todos os íntrons
e éxons são inicialmente transcritos em RNA, mas, após a
transcrição, os íntrons são removidos por um processo
chamado splicing e os éxons são unidos para gerar o RNA
maduro (Figura 9). Portanto, o primeiro produto da transcrição
em eucariotos é uma molécula chamada de pré-RNA
mensageiro, uma molécula que necessita sofrer um
processamento para remoção dos íntrons e formação do RNA
mensageiro maduro. Os íntrons são comuns nos genes
eucarióticos e raros nos genes bacterianos.
Figura 9 – Pré-mRNA do gene alfa-tropomiosina. As regiões verde-
claros representam os íntrons, as demais cores representam éxons.
Todos os íntrons são removidos durante o processamento do RNA,
possibilitando a formação de diferentes proteínas a partir de um único
gene.
Aprendendo mais um pouco!
A descoberta dos íntrons forçou uma reavaliação da
definição do gene. Atualmente, um gene é definido como
uma sequência de DNA que codifica uma molécula de
RNA ou a sequência inteira de DNA necessária para
transcrever e codificar uma molécula de RNA.

7. RNA e o código genético
A informação genética codificada nas moléculas de DNA pode
ser transcrita em diferentes tipos de RNA“s, porém, três tipos
distintos de RNA desempenham funções cruciais no processo de
síntese proteica: o RNA mensageiro (mRNA), o RNA
transportador (tRNA) e o RNA ribossômico (rRNA). Cada tipo
de RNA apresenta características próprias e difere nas funções
desempenhadas, porém todos têm uma característica comum:
são transcritos a partir de genes na molécula de DNA.
O RNA transcrito dos genes pode ser classificado como RNA
mensageiro (mRNA) ou RNAs funcionais (que incluem
principalmente o rRNA e o tRNA) (Figura 10). A grande maioria
dos genes codifica mRNA, cuja função é servir como
intermediário na síntese do produto gênico final, a proteína. A
transcrição do mRNA é fundamental para evitar que a molécula
de DNA seja exposta aos diferentes componentes do citoplasma
celular, evitando, assim, degradações ou alterações da sua
estrutura e da codificação armazenada. Em contrapartida, os
RNA funcionais são ativos como RNA, ou seja, eles
desempenham as suas funções e nunca são traduzidos em
proteínas. As principais classes de RNA funcionais importantes
na síntese de proteínas são os RNA transportadores e os RNA
ribossômicos.
Tiposprincipais de RNA: o mRNA e os RNA funcionais (tRNA e rRNA).
As moléculas de RNA transportador (tRNA) são os adaptadores
do códon de três nucleotídeos no mRNA ao aminoácido
correspondente, que é levado pelo tRNA ao ribossomo no
processo de tradução. Os tRNA são componentes gerais da
maquinaria de tradução; uma molécula de tRNA consegue levar
um único aminoácido ao ribossomo com a finalidade de traduzir
qualquer mRNA.
Os RNA ribossômicos (rRNA) são os principais componentes dos
ribossomos, grandes complexos macromoleculares que reúnem
os aminoácidos para formar a proteína cuja sequência é
codificada em um mRNA específico. Os ribossomos são
compostos de vários tipos de rRNA e de proteínas diferentes.
Como o tRNA, os ribossomos têm uma função geral, pois podem
ser usados para traduzir os mRNA de qualquer gene codificador
de proteínas.
Embora a maioria dos genes codifique mRNA, os RNA
funcionais (rRNA e tRNA) constituem a maior fração do RNA
celular total. Em uma célula eucariótica em divisão ativa, o rRNA
e o tRNA contribuem com quase 95% do RNA total, enquanto o
mRNA responde por apenas cerca de 5%. Dois fatores explicam a
abundância de rRNA e tRNA. Primeiro: eles são muito mais
estáveis que os mRNA e, assim, essas moléculas permanecem
intactas por mais tempo. Segundo: a transcrição dos genes de
rRNA e tRNA constitui mais da metade da transcrição nuclear
total em células eucarióticas ativas e quase 80% da transcrição
em células de leveduras.
Quando a estrutura do DNA foi estabelecida em 1953, pareceu
provável existir uma correspondência linear entre as sequências
de nucleotídeos no DNA e as de aminoácidos nas proteínas. Em
outras palavras, a sequência de ácido nucleico no mRNA de 5“
para 3” corresponde à sequência de aminoácido que vai do N-
terminal ao C-terminal. Se os genes são segmentos de DNA e se
um filamento de DNA é apenas uma fileira de nucleotídeos,
então, a sequência de nucleotídeos deve, de algum modo, ditar a
sequência de aminoácidos nas proteínas. Porém, como a
sequência de DNA dita a sequência da proteína?
Se uma molécula de mRNA for lida de uma extremidade para
outra, apenas uma das quatro bases diferentes, A, U, G ou C,
pode ser encontrada em cada posição. Assim, se as palavras que
codificam aminoácidos tivessem uma letra, apenas quatro
palavras seriam possíveis. Esse vocabulário não pode ser o
código genético, pois precisamos ter uma palavra para cada um
dos 20 aminoácidos comumente encontrados nas proteínas
celulares. Se as palavras tivessem duas letras, então 4 X 4 = 16
palavras seriam possíveis; por exemplo, AU, CU ou CC. Esse
vocabulário ainda não seria suficiente. Se as palavras tivessem
três letras de tamanho, seriam possíveis 4 X 4 X 4 = 64 palavras;
por exemplo, AUU, GCG ou UGC. Esse vocabulário fornece
palavras mais que suficientes para descrever os aminoácidos.
Podemos concluir que a palavra-código precisa consistir em,
pelo menos, três nucleotídeos, chamados de códons.
Decifrar o código genético, a determinação do aminoácido
especificado por cada trinca, foi uma das conquistas genéticas
mais fascinantes dos últimos 50 anos. Após as técnicas
experimentais tornarem-se disponíveis, o código genético foi
rapidamente decifrado. Vários pesquisadores começaram a
sintetizar moléculas de RNA com sequências conhecidas e
compararam com os aminoácidos adicionados. Esses
experimentos foram responsáveis por decifrar o código genético
armazenado das moléculas de DNA (Figura 11).
Tabela do código genético relacionando cada códon do RNA
mensageiro com os aminoácidos adicionados no processo de
tradução das informações gênicas.
8. Síntese protéica
A síntese de proteínas ocorre quando o tRNA e as moléculas de
mRNA se associam aos ribossomos. A tarefa dos tRNA e do
ribossomo é traduzir a sequência de códons de nucleotídeos do
mRNA em uma sequência de aminoácidos na proteína. Nas aulas
anteriores, foram discutidos diferentes grupos de maquinarias
desempenhando funções celulares complexas (o replissomo é
um exemplo). O sítio de síntese das proteínas, o ribossomo, é
muito maior e mais complexo do que as máquinas vistas até
agora. Sua complexidade deve-se ao fato de que ele desempenha
várias tarefas com acurácia e velocidade. Por esse motivo, é
melhor pensar no ribossomo como uma fábrica que contém
muitas máquinas atuando em conjunto.
Em todos os organismos, o ribossomo consiste em uma
subunidade pequena e uma grande, cada uma feita de RNA
(chamado de RNA ribossômico ou rRNA) e proteínas. Cada
subunidade é composta de um a três fragmentos de rRNA e até
50 proteínas. O ribossomo une os outros dois participantes
importantes na síntese de proteínas – tRNA e mRNA – para
traduzir a sequência de nucleotídeos de um mRNA em uma
sequência de aminoácidos de uma proteína. As moléculas de
tRNA e mRNA estão posicionadas no ribossomo, de modo que o
códon do mRNA possa interagir com o anticódon do tRNA.
A partir do pareamento entre o códon do mRNA e o anti-códon
do tRNA, proporcionado pelos ribossomos (rRNA e proteínas),
as cadeias polipeptídicas são formadas. O ribossomo é, portanto,
a organela celular responsável por realizar as ligações peptídicas
entre os aminoácidos carreados pelo tRNA na sequência correta
transcrita na molécula de mRNA que estava codificada na fita
molde da molécula de DNA (Figura 12). Vale ressaltar que uma
molécula polipeptídica não é de fato uma proteína ativa pronta!
Essas moléculas podem necessitar de sofrer transformações pós-
traducionais para obter suas formas secundárias, terciárias ou
quaternárias.
Modelo esquemático do processo de tradução realizado pelos
ribossomos, rRNA, mRNA e tRNA.
9. Conclusão
Este Tópico abordou a maneira que a informação genética
armazenada nas células é utilizada para gerar outras moléculas.
Assista ao vídeo abaixo, que mostra todo o processo de
transcrição e tradução de um gene em uma célula
eucariótica.

From DNA to protein - 3DFrom DNA to protein - 3D
https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA
A informação não é transferida diretamente do DNA para a
proteína, pois, em uma célula eucariótica, o DNA está no núcleo,
enquanto a proteína é sintetizada no citoplasma ou em organelas
que contêm ribossomos em suas membranas (retículo
endoplasmático rugoso). A transferência da informação do DNA
para a proteína exige um intermediário, que é o RNA. A
informação genética codificada nas moléculas de DNA pode ser
transcrita em diferentes tipos de RNA, classificados em RNA
mensageiro e RNA funcionais.
A similaridade do RNA com o DNA sugere que o fluxo de
informação do DNA para o RNA baseia-se na
complementaridade das bases, que também é importante para a
replicação do DNA. Um filamento de DNA-molde é copiado, ou
transcrito, em um RNA funcional (como o RNA transportador ou
o RNA ribossômico), que nunca é traduzido em polipeptídios, ou
em um RNA mensageiro, a partir do qual as proteínas são
sintetizadas.
Outro processo importante abordado neste tópico foi a tradução
da informação codificada na sequência de nucleotídeos de um
mRNA em uma sequência de aminoácidos de uma proteína.
Nossas proteínas, mais que qualquer outra macromolécula,
determinam quem somos e o que somos. Elas são as enzimas
responsáveis pelo metabolismo celular, incluindo a síntese de
DNA e RNA e são os fatores reguladores necessários para a
expressão do programa genético.
10. Referências
GRIFFITHS, Anthony J. F.; SUSAN, Wessler R.; CARROLL,
Sean B & DOEBLEY, John. Introdução à genética. 10 Ed.
Guanabara Koogan, 736p, 2013.
a
 PIERCE, Benjamin A. Genética: Um enfoque conceitual.
3ª Ed. Guanabara Koogan, 774p, 2011.
YouTube. (2015, Janeiro, 07). yourgenome. From DNA to
protein – 3D. 2min41. Disponível em:
<https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA>. Acesso
em: 25 out. 2018.
Parabéns, esta aula foi
concluída!
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