Duplicação, Transcrição e Tradução

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Disciplina de genética básica para o curso de Zootecnia
Duplicação, transcrição e tradução gênica
Introdução
A genética molecular procura explicar como a informação hereditária se organiza e se manifesta nos organismos
vivos. Hoje sabemos que os genes são feitos de DNA e que a sua expressão fenotípica ocorre na forma de
moléculas de RNA, que são traduzidos em peptídeos. Assim, quando nos referimos ao gene A, B, ou C, normalmente
queremos dizer que esses segmentos codificam um peptídeo A, B ou C que exercerá alguma função dentro da célula
ou no organismo. Por outro lado, quando falamos em alelo A¹, A² ou a, isto significa que o gene A é capaz de – por
meio de seus diferentes alelos – codificar um mesmo peptídeo com pequenas diferenças em sua composição de
aminoácidos. Essas diferenças podem resultar em alterações no funcionamento ou na expressão desses peptídeos,
o que pode acabar modificando o fenótipo dos indivíduos. Sendo assim, esse capítulo tem por função mostrar como
a informação contida na molécula de DNA é transformada em ação (o fenótipo) dentro e fora das células.
Observe, na figura acima que a diferença entre os alelos A¹ e A² reside em um único nucleotídeo: o sétimo par do
alelo A¹ é C:G, contra T:A do alelo A². O esquema também mostra que essa modificação resulta em códons
diferentes no RNA mensageiro: CGG para o alelo A¹ e UGG para o alelo A². Acontece que CGG resulta em
incorporação do aminoácido arginina no peptídio codificado pelo alelo A¹ e UGG resulta em triptofano no peptídeo
codificado pelo alelo A². Arginina é um aminoácido com um grupamento lateral hidrofílico e o triptofano possui
grupamento aromático. Tais propriedades diferentes podem alterar a forma como esses dois peptídeos se dobram e
interagem com outros peptídeos e seus substratos, podendo modificar o fenótipo de quem os herdar.
Exercício 1 - a duplicação do DNA
A duplicação dos cromossomos dos eucariotos começa em vários pontos da molécula de DNA, com a ação de
enzimas helicase e girase separando a dupla fita e levando a formação de várias "bolhas de replicação", conforme
exemplificado abaixo:
Como pode ser observado, cada bolha tem duas forquilhas de replicação, uma que segue para a esquerda e a
outra para a direita. Sendo assim, determine como a replicação do DNA se dá em cada forquilha de replicação,
tendo em vista as diferentes situações apontadas abaixo:
 O por quê da necessidade de primers ou iniciadores para o início da duplicação do DNA: as enzimas de
síntese de DNA, chamadas DNA polimerases, não conseguem iniciar produção de uma nova fita dessa
molécula usando apenas o molde monofilamentar de DNA (uma das fitas abertas). Nesse caso, também é
necessário que, aderido a esse molde, exista um pequeno segmento de RNA chamado primer ou iniciador -
sintetizado por uma RNA polimerase (ou, nesse caso, por uma primase) - e que oferece uma extremidade
3´-OH livre para que a DNA polimerase continue o processo de duplicação dessa nova fita. Posteriormente,
esse primer é retirado e substituído por DNA:
(A) Abertura da forquilha de replicação, (B) Síntese do primer pela primase e (C) Extensão da síntese de cada fita
pela DNA polimerase.
A direção de síntese da nova fita de DNA e o fato das duas fitas moldes correrem em sentido antiparalelo:
além de necessitar de uma fita molde e de um primer, a DNA polimerase somente consegue sintetizar uma
nova molécula de DNA acrescentando novos nucleotídeos ao carbono 3´ do açúcar (o carbono 5´ fica
localizado na parte oposta a esse açúcar). Por isso se diz que a síntese dos ácidos nucléicos ocorre no
sentido 5´ → 3´. Como cada fita da molécula de DNA corre em sentido inverso, a sua duplicação ocorre em
direções opostas. O esquema abaixo mostra o sentido da duplicação em apenas uma das fitas da molécula
de DNA:
O por quê de uma das fitas ser chamada de lagging (lenta) e a outra de leading (rápida): pelo fato da
molécula de DNA ser formada por duas fitas que correm em sentido antiparalelo, durante a abertura da
forquilha de replicação, um dos filamentos vai sendo aberto no sentido 5' → 3' e o outro no sentido 3' → 5'.
Assim, embora a progressão da síntese dessas duas fitas aconteça simultaneamente, a medida em que
essa forquilha é extendida, em uma delas a DNA polimerase sempre terá uma extremidade 3´-OH livre para
colocar o próximo nucleotídeo (a fita leading). Na outra, de tempos em tempos, será necessária a síntese
de um novo primer, para que ela possa continuar esse processo (a fita lagging), conforme pode ser
observado no esquema abaixo:
Considerando o modelo de replicação nas bactérias, a sequência laranja representa o primer (RNA) sintetizado
pela enzima primase e a sequência em azul representa a nova fita de DNA produzida pela DNA polimerase III à
medida em que a molécula molde de DNA vai sendo aberta. Observe que a direção de síntese da nova molécula
de DNA se dá no sentido 5´ → 3´. Assim, na fita de cima a duplicação continuará acontecendo de maneira
contínua (a fita leading). Por outro lado, na fita de baixo (a fita lagging), um novo primer deverá ser sintetizado mais
à frente.
O significado da existência dos fragmentos de Okazaki: como vimos, um dos novos filamentos de DNA é
sintetizado continuamente pela DNA polimerase III; o outro, precisa ser sintetizado em partes. Fragmentos
de Okazaki são justamente os trechos curtos de primer + DNA (com cerca de 100 a 200 nucleotídeos, nos
eucariotos) produzidos temporariamente na fita de replicação descontínua.
Logo em seguida, os primers são removidos de ambas as fitas pela DNA polimerase I (a seta em vermelho
do esquema abaixo) que, ao mesmo tempo, vai completando a síntese da fita de DNA no trecho liberado.
Por fim, os filamentos adjacentes de DNA são unidos via ligação covalente pela DNA ligase (o triângulo
amarelo que aparece no esquema abaixo).
Exercício 2 - a transcrição do DNA em RNA
O mecanismo de transcrição do DNA em RNA:
As moléculas de ácidos nucleicos (DNA e RNA) somente conseguem se parear se estiverem em sentidos
opostos. Esse sentido é dado pela posição dos carbonos 5' e 3' do açúcar (uma pentose - desoxiribose no DNA
e ribose no RNA) presente nessas moléculas, como pode ser observado no esquema abaixo:
Isso vale para as duas fitas de uma molécula de DNA (por isso se diz que as duas fitas dessa molécula correm
em sentido antiparalelo), para as associações DNA-RNA, que ocorrem, por exemplo, durante a transcrição, ou
RNA-RNA, que ocorrem, por exemplo, durante a tradução, entre moléculas de RNAs mensageiros e RNA
transportadores.
Além disso, a síntese de novas fitas de ácidos nucleicos, quer seja DNA ou RNA, somente ocorrem no sentido 5
´ → 3´. Portanto, a fita que lhe serve de molde deve correr em sentido oposto (3´ ← 5´). Assim, se formos
considerar o processo de duplicação do trecho de DNA abaixo, este se dará da seguinte forma:
Exercício 3 - A transcrição e a tradução
A figura abaixo mostra um mesmo trecho de DNA, só que em cada uma das situações o sítio de início e de término
da transcrição se encontram em posições distintas:
O que significam os termos promotor e finalizador desse esquema? Quais seriam as funções dessas sequências
que estão presentes nas moléculas de DNA?
O sítio promotor é a região da molécula de DNA que informa o local em que um determinado gene se
origina. Ele é composto por sequências específicas de nucleotídeos reconhecidas pelas enzimas
responsáveis pela síntese de RNA. É depois dessa sequência que uma molécula de RNA começa a ser
sintetizada;
Por outro lado, a região finalizadora contém uma sequência nucleotídica também específica, que indica
onde a transcrição da molécula de RNA deverá ser encerrada;
O esquema abaixo exemplifica o processo de transcrição bacteriano:
Determine quais serão as sequências transcritas das moléculas de RNA mensageiros (RNAm) para essas duas
sequências. Não se esqueça de marcar as suasrespectivas extremidades 5' e 3'. 
Na situação hipotética A, a transcrição se dará da seguinte forma:
Esta resultará na seguinte molécula de RNA mensageiro (ou RNAm):
5´ - AUGGCCGGAUCGGUGGGGCAU - 3'
Na situação hipotética B, a transcrição se dará da seguinte forma:
Esta resultará na seguinte molécula de RNA mensageiro (ou RNAm):
3´ - UACCGGCCUAGCCACCCCGUA - 5'
Utilizando a tabela do código genético disponível abaixo, determine como seria a sequência peptídica codificada
por cada um dos dois RNAm produzidos nessas duas situações.
Devemos prestar atenção ao fato que toda molécula de RNAm que chega em um ribossomo para a tradução
gênica sempre começará a ser lida pela sua extremidade 5´. Portanto, a fita de cima deverá ser lida da
esquerda para a direita e, a fita de baixo, da direita para a esquerda;
A sequência de uma molécula de mRNA é lida de 3 em 3 nucleotídeos, de uma maneira não sobreposta. Ou
seja, cada trinca de nucleotídeos, também chamada de códon, é lida uma única vez. E existe ao menos um
códon específico para cada um dos 20 aminoácidos comumente encontrados nos peptídeos;
Usando a tabela do código genético para traduzirmos esses trechos, descobrimos que esses dois RNAs
nos fornecerão as seguintes sequências peptídicas:
Colocando os peptídeos formados, lado a lado, podemos perceber que eles não terão a mesma sequência
peptídica:
Situação hipotética A: Met-Ala-Gly-Ser-Val-Gly-His
Situação hipotética B: Met-Pro-His-Arg-Ser-Gly-His
TABELA DO CÓDIGO GENÉTICO:
Por que as sequências peptídicas não são idênticas se o trecho de DNA transcrito foi o mesmo?
Isso acontece porque as duas fitas da molécula de DNA não são iguais, mas sim complementares. Ou seja,
se em uma das fitas temos uma adenina, na região correspondente da outra fita teremos que ter uma timina,
e assim por diante. Por esse motivo é que as regiões promotoras dos genes são importantes. Elas
informam para as enzimas envolvidas no processo de transcrição não apenas o ponto exato em que a
síntese da molécula de RNA deverá ser iniciada, mas também qual das duas fitas do DNA deverá servir de
molde para isso. Por sua vez, essa fita de RNA codificará um peptídeo específico, que pode ser uma
enzima, um hormônio, uma proteína de membrana, uma proteína de defesa, e assim por diante.
Exercício 4 - A transcrição e a tradução
Considerando os diferentes códons dos mRNA dados a seguir, indique como seria a sequência da molécula de DNA
que lhe deu origem, quais seriam os respectivos anticódons do tRNA que se ligariam a esses códons, bem como o
aminoácido a ser incorporado no peptídeo:
Como temos apenas a sequência do RNA mensageiro, podemos começar determinando a sequência da fita de
DNA que lhe serviu de molde (A). Tendo em vista que o mRNA desse exemplo corre no sentido 5´→3´, a fita de
DNA que lhe serviu de molde tem que ser aquela que corre no sentido 3´→5´. Também devemos nos lembrar
sobre a necessidade de complementariedade entre as bases do DNA/RNA. Ou seja, para termos uma adenina
no mRNA, o DNA precisa ter uma timina, e assim por diante. Lembrando que nos RNAs a timina é substituída
pela uracila. Nesse último caso, se no mRNA foi incorporada uma uracila, é por que no DNA molde havia uma
adenina.
Nesse exemplo também já podemos determinar a sequência de aminoacidos do peptídeo (B). Lembrando que a
sequência de nucleotídeos do mRNA (os códons deste) é quem determina a sequência peptídica. Feito isso,
podemos determinar a sequência da fita complementar da molécula de DNA (C) e da sequência do anticódon do
tRNA (D), que é a região do tRNA que permite o seu pareamento com o códon do mRNA. Novamente, sempre
pensando no fato que essas bases precisam ser complementares (G=C e A=T se for DNA, ou G=C e A=U se for
entre RNAs, conforme é mostrado pelas setas verdes):
Num organismo, um loco hipotético apresenta a sequência nucleotídica abaixo:
Diante dessas informações, responda:
Com relação especificamente a esse trecho, como será a sequência de bases na molécula de pré RNA
mensageiro (hnRNA)?
O hnRNA ou pré-RNA mensageiro é encontrado em eucariotos. Nesses organismos, os genes são
normalmente compostos por dois tipos de sequências nucleotídicas. Uma delas, chamadas de íntrons,
serão retiradas logo após a transcrição; as outras, chamadas de éxons, normalmente permanecerão no
RNA mensageiro maduro, e servirão de molde para codificar a sequência peptídica nos ribossomos.
Considerando que nesse esquema, o sítio promotor se encontra à esquerda, o hnRNA deverá ter a seguinte
sequência:
Observação: os nucleotídeos na área em vermelho representam os trechos lidos dos éxons
e os na área em azul, os dos íntrons.
Depois que o hnRNA mensageiro for processado, qual será a sequência resultante do RNA mensageiro
(mRNA)?
Depois de sintetizado esse hnRNA normalmente sofre uma série de modificações. Uma delas envolve a
retirada dos íntrons (os trechos em azul), resultando na seguinte sequência codificadora no mRNA maduro:
Qual será a sequência de aminoácidos codificada por esse RNA mensageiro processado?
Depois de pronto, o mRNA segue para o citoplasma, onde será traduzido nos ribossomos, a partir da sua
porção 5', na seguinte sequência peptídica:
A figura animada abaixo representa o processo de tradução de um RNA mensageiro: 
Legenda: