Transcrição

Prévia do material em texto

RNA: parecido com o DNA, mas diferente...
Praticamente todos os organismos da Terra utilizam o DNA para guardar a informação genética e transmiti-la de uma geração para a outra. O caminho do genótipo (manual) para o fenótipo (características físicas) começa na transcrição – um tipo especial de cópia do DNA. O DNA é tão precioso e vital aos eucariotos que é empacotado no núcleo das células, como um documento raro que deve ser copiado, mas jamais removido de uma biblioteca. Como não pode deixar a segurança do núcleo, o DNA dirige todas as atividades celulares delegando responsabilidades a outra molécula, o RNA. O RNA é feito no núcleo e se dirige ao citoplasma, onde direciona a produção de proteínas durante a tradução, o tema da próxima aula...
Você já sabe várias coisas a respeito do RNA, que tem composição muito parecida com a do DNA, com três grupos principais
Uma pentose (Ribose)
Uma base nitrogenada que pode ser Adenina, Citosina, Guanina (iguais às do DNA) ou Uracila (exclusiva do RNA).
Um grupo fosfato (igual ao do DNA)
Apesar de serem moléculas muito parecidas, o RNA e o DNA apresentam quatro grandes diferenças:
O açúcar é uma Ribose (contém um oxigênio a mais que a desoxirribose)
O RNA é uma molécula muito instável e se decompõe com muita facilidade (ao contrário do DNA)
O RNA contém Uracila ao invés de Timina como uma das bases pirimídicas
O RNA quase sempre se encontra em fita simples (O DNA em fita-dupla)
Ribose x Desoxirribose, que diferença faz um açúcar “levemente” diferente?
A Ribose é o principal elemento da estrutura química do DNA e do RNA. 
A Desoxirribose, componente do DNA, é uma ribose que perdeu um átomo de oxigênio (a ribose é precursora da desoxirribose). A figura abaixo mostra a estrutura da desoxirribose e da ribose, a única diferença entre elas é um átomo de oxigênio no carbono 2’ (Nos açúcares do tipo Ribose, os átomos de carbono são numerados, e os números são seguidos por um apóstrofo (‘), para que seja possível identificar quais os carbonos da ribose e quais os carbonos de outras moléculas). O DNA é chamado de ácido desoxirribonucléico ou de ácido 2- desoxirribonucléico, para indicar que o oxigênio foi perdido no carbono 2’. 
O grupo OH no carbono 3’ tanto do RNA quanto do DNA é o grupo reativo, ou seja, o oxigênio deste sítio está livre para interagir com outras moléculas. Do ponto de vista químico, o átomo de oxigênio é muito agressivo (tão agressivo que alguns químicos dizem que ele “ataca” outros átomos. A extremidade 3’ OH é necessária para as ligações fosfodiester que se formam entre os nucleotídeos tanto na ribose quanto na desoxirribose, graças ao agressivo átomo de oxigênio.
A diferença entre as duas moléculas é a presença de um átomo de oxigênio no carbono 2’. Este átomo de oxigênio tem uma grande importância nos diferentes propósitos e funções do DNA e RNA:
DNA: O DNA é uma molécula tão importante que deve ser protegida a todo custo da decomposição. A ausência de um átomo de oxigênio é a chave para a longevidade do DNA. Quando o átomo de oxigênio da posição 2’ não está presente, como na desoxirribose, a molécula de açúcar está menos sujeita a se envolver em reações químicas (por causa da agressividade do oxigênio); evitando quebras no DNA.
RNA: O RNA é facilmente decomposto graças à sua cauda 2’ OH reativa que faz com que o RNA se envolva em interações químicas e fique portanto sujeito a quebras. Diferentemente do DNA, o RNA é uma ferramenta de curta duração que a célula utiliza para mandar mensagens e fabricar proteínas como parte da expressão gênica (próxima aula). Os RNA mensageiros (mRNAs) carregam as ações dos genes, fazendo com que sejam ligados ou desligados, de acordo com as necessidades da células. Só para simplificar, quando um gene está na posição “ligado”, os mRNAs precisam ser feitos (transcritos), e para colocar na posição “desligado”, os mRNAs devem ser removidos. Então, a cauda 2’OH é um “gatilho interno” que permite que o RNA seja decomposto, ou “removido”, rápida e facilmente quando a mensagem já não for necessária e o gene estiver na posição “desligado”.
Uma nova base: a URACILA
O RNA é composto por 4 bases nucleotídicas. Três delas são as mesmas contidas no DNA: Adenosina (A), Guanina (G) e Citosina (C). A quarta base, a Uracila (U), é encontrada somente no RNA. Assim como a ribose é a molécula precursora da desoxirribose, a uracila é a precursora da timina. Quando o seu corpo produz nucleotídeos, a uracila é ligada a uma ribose com três fosfatos para formar um ribonucleosídeo trifosfato (rNTP). Se o DNA estiver sendo replicado (copiado), um desoxirribonucleótideo trifosfato (dNTP) de timina será necessário, e não de uracila. Com isso, algumas coisas precisam acontecer:
O oxigênio 2’ precisa ser removido da ribose para formar a desoxirribose.
Um grupo metil (CH3) deve ser adicionado à uracila para convertê-la em timina (o ácido fólico, ou a vitamina B9, ajuda a adicionar o grupo metil à uracila.
A uracila carrega a informação genética da mesma maneira que a timina, uma vez que também se pareia com a adenina. Por que será que o DNA e o RNA diferem em uma base nitrogenada?
A timina oferece mais proteção à molécula de DNA que a uracila, uma vez que seu grupo metil (CH3) ajuda o DNA a ficar menos óbvio às nucleases, enzimas que atacam ácidos nucléicos (DNA e RNA). Estas enzimas existem porque seu corpo as utiliza para atacar DNA e RNAs estranhos (provenientes de vírus ou bactérias, por exemplo). No entanto, se grupos metil estão presentes, as nucleases não podem se ligar tão facilmente para quebrar o DNA. O grupo metil também ajuda o DNA a ficar mais hidrofóbico na parte interna da molécula, o que oferece ainda mais proteção contra quebras.
A Uracila é uma base bastante “amigável”; ela se liga facilmente às outras três bases e forma pares. Isto é muito conveniente para o RNA, que forma todo tipo de torções, voltas e nós para executar seu trabalho. A mensagem contida no DNA é muito importante, de modo que conter uma molécula promíscua como a uracila pode ser perigoso. O DNA precisa apresentar pareamento preciso entre as bases, para evitar que haja mutações. Com isso, a timina, uma molécula que faz pareamento exclusivo com a adenina é mais apropriada para proteger a mensagem contida no DNA. 
Fitas
O RNA se apresenta quase sempre como uma fita-simples, enquanto o DNA se apresenta como fita-dupla. A dupla fita do DNA protege a mensagem genética e oferece uma maneira simples da molécula ser copiada durante a replicação. Assim como o DNA, o RNA “adora” ter suas bases complementadas (as bases fazem pontes de hidrogênio com outras bases, assim como no DNA). A diferença é que as pontes de hidrogênio se formam entre as bases da mesma fita de RNA, criando o que chamamos de estrutura secundária do RNA. A estrutura primária do RNA é a fita simples; quando as bases se ligam, formam dobras, loops e voltas, que resultam na estrutura secundária. 
Estrutura primária:
3’-AACUUGUCUUAGCUUUGCAGUCGAGUU-5’
Três tipos principais de RNA são responsáveis pela expressão da mensagem vinda do DNA. Apesar de os três atuarem domo um timo durante a tradução em proteínas, cada tipo tem funções bem definidas:
mRNA: Regula como os genes são expressos 
tRNA: Carrega os aminoácidos durante a tradução
rRNA: Adiciona aminoácidos à cadeia polipeptídica
Transcrição: cópia da mensagem do DNA na linguagem do RNA:
Um transcrito não é uma cópia exata. Em genética, a transcrição é o processo de gravar parte da mensagem contida no DNA em uma linguagem parecida, mas diferente, a linguagem do RNA. A transcrição é necessária porque o DNA é valioso demais para ser transferido para o citoplasma. Conforme já foi dito, o DNA é o manual, e qualquer erro no material causa muitos problemas. Se qualquer parte do DNA for perdida, a célula pode morrer). A transcrição mantém o DNA a salvo uma vez que produz uma outra molécula, o RNA, que corre os riscos de deixar o núcleo e ir para o citoplasma.
Os mRNAs sãotipos específicos de RNA responsáveis por carregar a mensagem do DNA do núcleo para o citoplasma. Com a transcrição, o DNA sofre um processo similar à replicação para passar a mensagem ao RNA. Quando o DNA é replicado, o resultado é um DNA exatamente igual ao original em todos os sentidos. Porém, na transcrição, vários mRNAs são criados uma vez que, ao invés de transcrever a molécula de DNA inteira, apenas as mensagens dos genes são transcritas em RNA. A transcrição tem vários passos:
Enzimas identificam a parte do DNA que deve ser transcrita (preparando a transcrição)
A molécula do DNA é aberta para deixar a mensagem acessível (iniciação)
Enzimas constroem o mRNA (elongação)
A molécula de DNA libera o mRNA recém sintetizado (terminação)
Preparando a trasncrição
No preparo da transcrição do DNA para o RNA, três passos devem ser seguidos:
Localizar a sequência gênica a ser transcrita nos bilhões de pares de bases que compõem o DNA
Determinar qual das duas fitas do DNA deve ser transcrita
Reunir os nucleotídeos do RNA e as enzimas necessárias para a transcrição
Localização do gene.
Seus cromossomos são formados por mais ou menos 3 bilhões de pares de bases de DNA e contêm entre 25 a 30 mil genes (apenas cerca de 1% do seu DNA é transcrito em mRNAs). Os genes, ou sequências que podem ser transcritas, variam em tamanho. Um gene médio tem apenas 3000 pares de bases, mas no Homo sapiens há genes gigantes, como os que estão envolvidos na distrofia muscular de Duchenne, que tem aproximadamente 2,5 milhões de pares de bases. 
Antes que um gene de qualquer tamanho seja transcrito, ele precisa ser localizado. A mensagem que diz “comece a transcrição aqui” está escrita no próprio DNA em regiões conhecidas como promotores. Os promotores também controlam o quão frequentemente o processo ocorre. A sequência que indica onde terminar a transcrição é denominada termiadora. O conjunto todo, ou o gene, localizado entre o promotor e o terminador, é conhecido como unidade de transcrição.
Os promotores mostram às enzimas de transcrição onde começar a trabalhar e estão localizados a 30 ou mais pares de bases dos genes que controlam. Cada gene tem seu próprio promotor. Nos eucariotos, a sequência do promotor é sempre a mesma, e se chama TATA Box porque sua sequência de bases é TATAAA. A presença do TATA indica que o gene a ser transcrito está localizado a 30 pares de bases acima. Sequências, como o TATA, que são as mesmas em vários (se não em todos) organismos são chamadas de sequências consenso, indicando que significam a mesma coisa, onde quer que apareçam.
Localização da fita: senso e antisenso
Você já deve estar familiarizado com o fato de que o DNA aparece como fita-dupla. Estas duas fitas não são idênticas, mas complementares, o que significa que a suas sequências pareiam, mas não codificam as mesmas palavras para o código genético (próxima aula). O código genético do DNA funciona mais ou menos assim: As bases dos genes são lidas de três em três bases, como se fossem palavras. Por exemplo, 3 adeninas (AAA) são transcritas para o mRNA como 3 uracilas (UUU). Na tradução, UUU faz com que o ribossomo pareie com o tRNA que carrega uma fenilalanina. Por outro lado, o DNA complementar tem três timinas (TTT), que quando transcrito, gera um mRNA com três adeninas (AAA), que especificam o códon do aminoácido lisina. Uma proteína que contém uma lisina funciona de modo diferente que uma proteína que contém uma lisina. 
Como as fitas complementares não dizem as mesmas palavras genéticas, você terá duas mensagens completamente diferentes a depender da fita que será transcrita em mRNA. Portanto os genes só podem ser lidos em uma das fitas do DNA. Qual delas? Como as enzimas “sabem” qual fita devem ler? O TATA Box não indica apenas onde o gene está, mas indica qual das fitas contém a informação gênica. O TATA Box indica que um gene está a cerca de 30 bases indo na direção 3’ (downstream). Genes ao longo da molécula de DNA podem estar em qualquer uma das fitas, mas qualquer gene só pode ser transcrito na direção 3’. Como apenas uma fita é transcrita, as duas fitas são designadas de maneiras diferentes:
Fita molde
Fita não-molde
O TATA Box se localiza na fita não molde e indica que a outra fita (a fita molde) deve ser utilizada como molde para a transcrição. Repare na figura acima e compare a fita molde com o transcrito de RNA – são complementares. Agora compare o mRNA transcrito com a fita não molde – a única diferença é que o RNA contém uracilas no lugar das timinas, no resto da sequência, são iguais. 
Como as fitas têm diferentes significados, a fita não molde faz sentido como um transcrito, e a molde, não. Alguns cientistas se referem às fitas como senso ou antienso (“sense ou nonsense”; ou “sense ou antisense”). Pra complicar, nem todos eles utilizam os termos senso e antisenso no mesmo sentido... Portanto, se chamarmos as fitas de molde ou não molde, não haverá erros. 
blocos de construção e as enzimas
Além do DNA molde, os seguintes ingredientes são necessários para uma transcrição:
Ribonucleotídeos (os blocos de construção do RNA – ribose + base nitrogenada + tri-fosfato)
Enzimas e proteínas, que devem se juntar ao RNA crescente no processo de síntese do RNA
Em um processo similar à replicação, a transcrição requer os serviços de várias enzimas para
Encontrar o promotor 
Abrir a dupla-fita de DNA
Juntar-se à fita crescente de RNA
A transcrição requer menos enzimas que a replicação do DNA. A principal delas é a RNA polimerase, que reconhece o molde e adiciona os nucleotídeos complementares à fita crescente, pareando uracila com adenina e citosina com guanina. Um grande grupo de enzimas se junta à RNA polimerase, em um conjunto chamado de holoenzima para realizar o processo. As enzimas que compõe a holoenzima variam entre eucariotos e procariotos, mas suas funções são as mesmas: reconhecer o promotor e transcrever o RNA.
Iniciação
A iniciação inclui encontrar o gene e abrir o DNA. O processo é bastante simples e pode ser dividido em três etapas:
A holoenzima encontra o promotor
O promotor de cada gene controla o quão frequentemente o transcrito será formado. A RNA polimerase não consegue se ligar a um gene que não esteja marcado para ser transcrito. Nos eucariotos, sequências “enhancers”, que são sequências localizadas distantemente da unidade de transcrição, também controlam a freqüência com que um determinado gene será transcrito. Aprenderemos mais sobre este fenômeno nas próximas aulas
A RNA polimerase abre as pontes de hidrogênio da fita-dupla de DNA para expor uma pequena porção da fita molde. Esta porção aberta é chamada de bolha de transcrição
A RNA polimerase adiciona os ribonucleotídeos para formar o RNA. Esta enzima não precisa de um primer para sintetizar um novo RNA, ela simplesmente lê a primeira base da unidade de transcrição e coloca o ribonucleotídeo complementar. O primeiro ribonucleotídeo não perde seus 3 fosfatos da extremidade 5’. Estes dois fosfatos extra permanecem até que o mRNA seja editado mais tarde.
Elongação
Depois que a RNA polimerase insere o primeiro ribonucleotídeo, ela continua abrindo o DNA e sintetizando o RNA adicionando mais ribonucleotídeos até que a unidade transcricional tenha sido inteiramente transcrita. A bolha de transcrição em si é bem pequena, cerca de 20 pares de bases são expostos de cada vez. 
As unidades de transcrição dos genes contêm sequências não codificadoras (junk DNA ou DNA lixo), ou seja, que não são traduzidas em proteínas e portanto não codificam o fenótipo (caracteres físicos). O transcrito primário contém então sequências codificadoras, chamadas de éxons e sequências não codificadoras, chamadas de íntrons. O gene é completamente transcrito, com seus íntrons e éxons. Os íntrons serão retirados mais tarde, na edição do mRNA.
Os procariotos não contêm íntrons, uma vez que todos os seus genes são codificadores. Somente eucariotos possuem genes interrompidos por sequênciasde íntrons. Quase todos os genes eucarióticos têm pelo menos 1 íntron. O número máximo de íntrons encontrado em um gene foi de 200. 
Terminação
Quando a RNA polimerase encontra a sequência terminadora, ela transcreve a sequência terminadora e para a transcrição. O que acontece depois depende do organismo
Em células procariontes, algumas sequências terminadoras possuem uma série de bases que são complementares e fazem com que o mRNA se dobre sobre si mesmo. Esta dobra faz a RNA polimerase parar de se mover e retira o mRNA da fita molde
Em células eucariontes, uma proteína especial, chamada de fator de terminação ajuda a RNA polimerase a encontrar o ponto certo de parar.
De qualquer maneira, depois que a RNA polimerase cessa a produção do mRNA, este é retirado da fita molde. A holoenzima e a RNA polimerase também deixam o molde, e a dupla fita do DNA volta à sua forma natural de dupla hélice
Processamento pós-transcricional
Antes que o mRNA possa sair do núcleo para o citoplasma para ser traduzido, ele precisa sofrer algumas modificações. 
Adição da cauda poli-A e do cap-5’
Os nomes cauda poli-A e cap-5’ se referem ao RNA como se ele tivesse cabeça (extremidade 5’) e cauda (extremidade 3’). Como o RNA é transcrito na direção 5’→3’, você pode pensar que ele é transcrito da cabeça para a cauda. 
Cabeça e cauda são nomes dados às extremidades do mRNA, ou seja, suas partes mais sensíveis. Lembre-se que quando a RNA polimerase inicia a transcrição, ela insere o primeiro nucleotídeo, que mantém os 3 fosfatos na extremidade 5’. Um cap (ou capacete – para proteção da cabeça) precisa ser adicionado ao mRNA. Ele permite que o mRNA seja reconhecido pelo ribossomo para que a tradução se inicie no citoplasma. 
Uma guanina, na forma de ribonucleotídeo é adicionada à extremidade 5’, da qual um dos três fosfatos é removido. Vários grupos metil (CH3) são adicionados em vários sítios – na própria guanina, no primeiro e no segundo nucleotídeos do mRNA. Estes grupos metil na extremidade 5’ do mRNA o protegem da decomposição, além de permitir o reconhecimento do mRNA pelo ribossomo.
Nos eucariotos, uma longa cadeia de adeninas é adicionada na extremidade 3’ do mRNA. Esta cadeia é conhecida como cauda poli-A. Moléculas de RNA são muito facilmente degradadas e destruídas devido à sua composição (ver diferenças entre DNA e RNA, no início do capítulo). As moléculas de RNA são produzidas para atuar em tarefas específicas, de modo que quando são executadas e não são mais necessárias, é conveniente que o mRNA seja descartado. No entanto, sem as proteções na cabeça e na cauda, o mRNA pode não ser traduzido nenhuma vez, eliminando suas funções. Quanto mais longa a cauda poli-A, mais tempo o mRNA permanece no citoplasma sem ser degradado (as nucleases atacam a cauda e vão fazendo com que fique cada vez mais curta, adiando a degradação da sequência a ser traduzida).Com isso, o tamanho da cauda poli-A determina quanto tempo a mensagem continuará no citoplasma e quantas vezes o mRNA poderá ser traduzido nos ribossomos antes que as nucleases destruam a mensagem.
Edição da Mensagem
O passo final da preparação do mRNA para a tradução tem duas etapas: remoção do íntron não codificador e unir os éxons sem interrupções entre eles. Vários tipos especializados de RNA trabalham para encontrar os pontos iniciais e finais dos íntros, unem os éxons e retiram o RNA extra (ou seja, o íntron). 
Ainda no núcleo, um complexo de proteínas e pequenos RNAs chamado de spliceossomo inspeciona o mRNA. O spliceossomo funciona como um grupo de trabalho que reconhece os íntros e os remove. O spliceossomo reconhece sequências consenso que marcam o início e o fim dos introns. Eles formam um loop que aproxima as extremidades de dois exons consecutivos e retira o íntron num processo conhecido como splicing. O splicing cria uma ligação fosfodiéster entre dois exons, formando uma sequência contínua de mRNA.
Alguns íntros têm a habilidade de se remover do mRNA sem a ajuda dos spliceossomos. Este processo é similar ao feito pelos spliceossomos, o íntron forma um loop, se retira e une os éxons.
Íntrons podem ser retirados deixando todos os éxons em sua ordem original ou podem ser retirados íntrons e éxons, criando novas sequencias de éxons. Este fenômeno é conhecido como splicing alternativo e faz com que um mesmo gene (um mesmo transcrito) seja expresso de diferentes maneiras. Graças ao splicing alternativo, os pouco mais de 25000 genes do genoma humano podem codificar 90000 proteínas distintas.
Depois que os introns foram retirados e os exons unidos, o mRNA está completo e pronto para ser traduzido. Ele migra para fora do núcleo e encontra os ribossomos, quando se inicia a tradução, o passo final na conversão da mensagem genética do DNA para as proteínas. 
Uracila(RNA)
Timina (DNA)