Código genético e síntese de proteínas

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Código genético e síntese de proteínas
Os genomas evoluíram em sua organização gênica estabelecendo para cada gene a codificação de um produto altamente específico.
A interação dos códons (sequência de 3 nucleotídeos correspondente a um aminoácido) das moléculas de mRNA com os anticódons ( sequência de 3 nucleotídeos no tRNA complementar que interagem com o códon por pareamento de bases) dos tRNA governa a formação da sequência de aminoácidos da proteína nascente. A presença de ribossomos é decisiva para a precisão e interpretação do código genético. Os tRNAs ao carregarem os aminoácidos específicos são chamados de aminoacil-tRNAs. A interação dos mRNAs com os aminoacil-tRNAs é favorecida pelos ribossomos.
1- Código genético
A informação genética está armazenada no DNA na forma de trinucleotídeos. Análise geral do código demonstra:
(1) No RNA A e G se classificam como purinas e C e U como pirimidinas
(2) Cada códon é representado por trinca de bases, portanto existem 64 possíveis códons ( 43).
(3) São codificados os 20 aminoácidos presentes nas proteínas.
A maioria dos aminoácidos é codificada por mais de um códon. Apenas metionina e triptofano são codificados por uma única trinca de bases. UAA, UAG e UGA são códons de terminação, responsáveis pelo término da síntese.
O fato de o código genético possuir códons que representam o mesmo aminoácido fazendo com que a base na terceira posição do códon seja irrelevante define o código genético como degenerado. A redundância do código pode minimizar o efeito deletério das mutações. A organização do código reflete as similaridades na estrutura físico-química dos aminoácidos (expl: todos os códons com U na 2a base codificam aminoácidos hidrofóbicos).
Nos genomas de diferentes organismos, a maioria das alterações no código afeta os códons de terminação. Para cada sequência de mRNA existem 3 possíveis modos de síntese da proteína (fases de leitura). As fases de leitura são fundamentais para a síntese de proteínas e qualquer alteração na sequência do mRNA comprometerá os aminoácidos formados e consequentemente as proteínas. Uma fase de leitura que contenha somente trincas que codificam aminoácidos é denominada sequência aberta (ORF).
Teorias para explicar a origem e a evolução do código genético:
(1) A definição dos códons para seus aminoácidos está relacionadas à afinidade físico-química entre o aminoácido e o anticódon.
(2) Da coevolução, sugere que a estrutura do códon coevoluiu com as rotas de biossíntese dos aminoácidos.
(3) Da minimização do erro, indica que o fator principal na evolução está relacionado com a seleção de códons que diminuem o erro das mutações durante a tradução.
2- RNAs transportadores
A fidelidade da tradução do mRNA durante a síntese proteica é determinada pela disponibilidade do aminoacil-tRNA contendo o aminoácido correspondente e a seleção precisa desse aminoacil-tRNA no ribossomo. O tRNA possui a sequência de bases (anticódons) complementar ao códon do mRNA e carrega o aminoácido específico.
2.1- Estrutura dos tRNAs
As moléculas de tRNA dos procariotos e eucariotos apresentam uma estrutura secundária (folha de trevo), que é mantida pelo pareamento entre as sequências complementares na molécula de tRNA. A forma de folha de trevo apresenta braços conservados contendo regiões pareadas (hastes) e regiões de fita simples (alças).
Bases não usuais ou bases modificadas pode ser uma característica dos tRNAs, é qualquer anel purínico ou pirimídico que não apresente as 4 bases tradicionais (A,G,C,U). As modificações nas bases conferem aos tRNAs uma maior versatilidade em estrutura, podem estar relacionadas a diferentes funções e estarem localizadas ao longo da molécula dos tRNAs.
Os tRNAs são denominados em função do aminoácido que representam existindo pelo menos um tRNA para cada aminoácido. Os tRNAs tem capacidade de representar apenas um aminoácido lingando-se covalentemente a ele; tem também a capacidade de conter uma sequência de trinucleotídeo e anticódon, que é complementar ao códon do mRNA e representa o aminoácido. O pareamento da terceira base do códon é menos rígido. Ocorre o pareamento oscilante, mantendo a distância usual entre as riboses, não havendo pareamento entre duas purinas ou duas pirimidinas, por conta da distância. Para códons em que a degeneração é total, existe a presença de pelo menos 2 tRNAs carregando o mesmo aminoácido. Quando existe mais de um tRNA para cada aminoácido, eles são chamados de isoaceptores.
2.2 Ativação dos tRNAs e as aminoacil-tRNA-sintetases
A ligação do aminoácido com o tRNA é realizado pelas enzimas aminoacil-tRNA sintetases (aaRSs),que são capazes de realizar aa correção de erros. Deve existir pelo menos uma aaRSs para cada aminoácido. O aminoácido e os tRNAs reconhecidos por uma aaRSs recebem a denominação de cognato. As aaRSs realizam a ligação precisa do aminoácido correto ao tRNA cognato em uma reação enzimática. Primeiro, ocorre a ativação do aminoácido (aa) por meio da ligação ao ATP, formando um intermediário aminoaciladenilato (aa-AMP) e liberando pirofosfato (PPi). Após a ativação, o aminoácido é transferido para a extremidade 3' do tRNA correspondente, para ser utilizado posteriormente na síntese de proteínas.
1. aa + ATP → aaAMP + PPi
2. aa-AMP + tRNA → aa-tRNA + AMP
Os erros durante a síntese de proteínas são minimizados pela ligação preferencial do aminoácido cognato e pela correção de erro na ligação dos aminoácidos similares, o que diminui erros, contribuindo para qualidade da tradução. Considerando características como a posição da aminoacilação na extremidade 3'da ribose do tRNA e a topologia e orientação da ligação do tRNA no sítio ativo da aaRSs.
2.3- tRNA supressores
As moléculas de tRNA supressores caracterizam por conterem um anticódon alterado que realiza a leitura do códon introduzindo modificações no peptídeo. Existem diferentes processos que podem alterar o término da tradução, como a alteração da fase de leitura e a presença de tRNA supressor. Esses tRNA supressores são capazes de realizar a leitura de um códon de terminação como um códon para um aminoácido, alterando a sequência da proteína. Os processos de supressão são bastante ineficientes, pois estão sempre competindo com os tRNAs regulares da síntese de proteínas, A síntese de um peptídeo, originado por supressão, pode ser, em algum momento, o suficiente para garantir a viabilidade do organismo.
3- Ribossomos
São formados por subunidades contendo moléculas de RNA associadas com proteínas, responsáveis pela decodificação da informação genética, convertendo-a em aminoácidos componentes das proteínas. Apresenta uma atividade enzimática processiva que inicialmente reconhece os elementos do mRNA,determinando onde deve iniciar a síntese da proteína e no estágio de alongamento da cadeia peptídica, perdendo o contato com os elementos iniciadores.
3.1- Composição e estrutura
A subunidade menor é responsável pela decodificação do mRNA, e a maior contém a atividade de peptidil-transferase essencial para a formação da cadeia peptídica. A união das duas subunidades gera os sítios ativos de ligação às três moléculas de tRNA necessárias para a síntese de proteínas. O processo de tradução encontra-se acoplado aos mecanismos de enrolamento e direcionamento das proteínas sintetizadas. Em todos os organismos as subunidades estão separadas, unindo-se para formar a estrutura funcional. Os ribossomos são compostos por diferentes proteínas ( proteínas ribossômicas ou r-proteínas) e moléculas de rRNA. Ribossomos encontrados em organismos eucarióticos são estruturalmente maiores (80s) que os procarióticos (70s), sendo o tamanho das subunidades diferentes também. A região de interface entre as duas subunidades do ribossomo é composta principalmente pelas moléculas de rRNA, incluindo a região dos sítios ativos onde não são encontradas as r-proteínas, sendo constituídos essencialmente pelas moléculas de RNA ribossômicas). 
3.2 Estrutura e dinâmica dos sítios ativos do ribossomo
Cada subunidade dos ribossomos
possui três sítios ativos para ligação das moléculas de tRNA. O sítio A liga preferencialmente aminoacil-tRNA que será incorporado na cadeia polipeptídica; o sítio P liga tanto Met-tRNA(tRNA iniciador) como posiciona o peptidil-tRNA; e o sítio E é ocupado com os tRNAs desacetilados antes da sua dissociação do ribossomo. Portanto, com exceção do tRNA iniciador, todos os aminoacil-tRNAs se associam ao ribossomo, inicialmente pelo sítio A, depois ocupam o sítio P e realizam sua dissociação pelo sítio E. Como os sítios dos ribossomos estão localizados nas duas subunidades, deve ocorrer uma ação cooperativa das subunidades durante a síntese de proteínas. A subunidade menor tem funções de apresentar o caminho que deve ser realizado (mRNA), conter a região decodificadora e o mecanismo para controlar a fidelidade da tradução.Na subunidade maior, estariam presentes o centro catalítico (ligação peptídica), a atividade de polimerização dos aminoácidos e o túnel de saída da proteína. Em organismos procarióticos, para o início da síntese de proteínas, é necessária a ligação entre o mRNA e o ribossomo. Essa região do mRNA apresenta duas características principais:
(1) deve conter o códon de iniciação AUG (raramente GUG ou UUG); 
(2) deve possuir a sequência de nucleotídeos, denominada sítio de ligação dos ribossomos (RBS) ou sequências S/D (Shine-Dalgarno),complementar, de forma parcial, a uma região 3' do rR-NA16S.
Existem códons que depende de sua localização no mRNA, podendo ser lido como um iniciador ou certo aminoácido.
Os tRNAs iniciadores apresentam duas características que os diferenciam dos demais tRNAs, permitindo sua participação na formação do complexo de início da síntese de proteínas: somente o tRNAi apresenta a capacidade de ligação ao sítio P parcial, presente na subunidade menor do ribossomo (30S ou 40S); e o tRNAi é o único dos tRNAs capaz de se ligar ao fator de iniciação IF2 ou eIF2. Essas duas características podem ser dependentes de diferenças estruturais no tRNA iniciadores.
4- Síntese de proteínas
Pode ser dividida em três etapas: início, alongamento da cadeia peptídica e término. Elementos como proteínas são necessários durante as etapas. Fatores do início da síntese proteica são identificados como IF, do alongamento como EF e do término como RF. Essa nomenclatura é utilizada também em organismos eucarióticos, sendo que nos fatores equivalentes em eucarióticos, foi adicionada a letra “e” antes da sigla, ficando eIF, eEF e eRF.
4.1- Início
São necessários o mRNA, o tRNA iniciador (tRNAi) e a subunidade menor do ribossomo, além dos fatores de início da tradução ( IF e eIF). As subunidades dos ribossomos devem estar dissociadas para que haja a formação do complexo de iniciação.
IF3 ou e IF3 --> interagem com a subunidade menor impedindo sua ligação com a maior, mantendo a dissociação.
IF2 ou eIF2--> liga-se ao tRNA inciador, permitindo a interação desse complexo com a subunidade menor do ribossomo.
4.1.1 Procariotos
O início da síntese de proteínas ocorre por meio da formação de vários complexos intermediários entre o ribossomo, o tRNA iniciador e o mRNA. Esses complexos diferem em composição e estrutura, sendo formados em etapas sucessivas do processo de início da tradução. Os três fatores de início da tradução atuam cineticamente, controlando o processo que garante a precisão e a fidelidade da montagem do complexo de iniciação. A formação dos três principais complexos durante a tradução pode ser
considerada da seguinte forma:
(1) complexo pré-30SIC contendo a subunidade 30S, com os três fatores (IF1, IF2 e IF3), associado ao mRNA; 
(2) complexo 30SIC onde ocorre uma alteração conformacional do complexo, permitindo o pareamento do códon AUG com o anticódon do tRNA no sítio P; 
(3) complexo de início da tradução 70S onde ocorre a ligação da subunidade maior com ativação do mecanismo de hidrólise de GTP associado a IF2. Com a ligação da subunidade 50S, os fatores se dissociam do complexo.
4.1.2 Eucariotos
ETAPA 1: FORMAÇÃO DO COMPLEXO DE PRÉ-INICIAÇÃO 43S
Ocorre a seleção do tRNA iniciador pelo fator eIF2 e a formação do complexo terciário eIF2--GTP-Met-tRNAi. Os fatores de iniciação eIF1, eIF1A e eIF3 se ligam de forma cooperativa à subunidade 40S, promovendo ou facilitando a ligação do complexo terciário eIF2-GTP-Met-tRNAi. Esses fatores são essenciais para a formação do complexo 43S/ mRNA e para o reconhecimento do códon iniciador. A dissociação do ribossomo é favorecida pela atividade do fator eIF6, que apresenta uma atividade antiassociativa ligando-se à subunidade maior (60S) do ribossomo e prevenindo sua interação com a subunidade 40S. 
ETAPA 2: LIGAÇÃO DO COMPLEXO 43S AO mRNA
Ocorre a ligação do complexo 43S ao mRNA pelo reconhecimento da região 5'-CAP. Um dos fatores do complexo eIF4F, o fator eIF4E, reconhece a extremidade 7-metilguanosinacap dos mRNAs ligando-se e facilitando a ligação do complexo ribossômico 43S. Essa ligação é estimulada pela proteína PABP (polyA-bindingprotein) que se encontra ligada à extremidade 3' poli(A) dos mRNAs. Portanto, a ligação do complexo 43S ao mRNA conduz a circularização desse mRNA propiciando a ligação da região de CAP e poli(A) pela interação do fator eIF4G (outro fator do complexo eIF4F) com PABP. Neste estágio, o complexo 43S encontra-se competente para realizar a varredura na região 5' do mRNA na presença de eIF1 e eIF1A. 
ETAPA 3: FORMAÇÃO DO COMPLEXO 48S
O complexo 48S se forma quando o 43S encontra o códon iniciador dentro de um contexto favorável estabelecendo
as interações códon-anticódon. Nessa etapa, o complexo 43S realiza a varredura do mRNA na busca do primeiro
códon AUG, considerado o códon iniciador. Em células de mamíferos, esse códon iniciador necessita estar em um contexto adequado, denominado sequência Kozak (GCC(A/G)CCAUGG), para ser selecionado eficientemente. As bases mais importantes desta sequência consenso são: uma purina na posição –3 e um G na posição +4 (relativos ao A do AUG).A seleção do AUG é a primeira etapa irreversível conduzindo para o início do processo de tradução. No momento do pareamento códon-anticódon ocorre, de maneira irreversível, a hidrólise do GTP associado a eIF2. Essa hidrólise é promovida pelo fator iniciador eIF5 por sua atividade de GTPase. Após a hidrólise, o fator GDP-eIF2 possivelmente se dissocia do complexo, posicionando o Met-tRNAi no sítio peptidil da subunidade 40S.
ETAPA 4: FORMAÇÃO DO COMPLEXO INICIADOR 80S
A dissociação dos primeiros fatores do complexo ocorre durante a hidrólise de GTP-eIF2, em que são liberados eIF1 e eIF1A. A ligação da subunidade 60S ao complexo deve ocorrer simultaneamente com a liberação de GDP-eIF2 (estimulada pelo fator eIF5B); e no momento da ligação da subunidade maior, em que ocorre a dissociação dos outros fatores de início da síntese de proteínas. Na formação do ribossomo 80S, o Met-tRNAi se encontra posicionado, por meio do pareamento códon-anticódon, no sítio peptidil, dessa forma, liberando o sítio A (aminoacil) para o recebimento dos outros tRNAs, permitindo a etapa de alongamento da cadeia polipeptídica. O reconhecimento do início da síntese de proteínas é uma etapa decisiva para a célula, pois erros na tradução são muito danosos. Os organismos investiram muitos recursos para assegurar que o códon iniciador correto seja utilizado durante a tradução. Isto pode ser observado no número de fatores utilizados no início da síntese de proteínas em leveduras, onde aproximadamente metade dos fatores iniciadores está envolvida com o reconhecimento e a seleção do códon iniciador.
4.2- Alongamento da cadeia polipeptídica
Durante a síntese de proteínas, a incorporação de cada aminoácido na cadeia polipeptídica nascente pode ser separada sequencialmente em: decodificação,transferência do peptídeo e translocação.
4.2.1- Decodificação e atividade de peptidil-transferase
A primeira etapa pode ser considerada a seleção do códon correto pela interação códon-anticódon (decodificação). O ribossomo 
(70S ou 80S) participa desse processo
monitorando a seleção do aa-tRNA correto antes dele se posicionar definitivamente no sítio A.
O posicionamento do aa-tRNA cognato no sítio A direciona o processo para a realização da ligação peptídica (transferência do 
peptídeo).O posicionamento do aa-tRNA cognato no sítio A resulta na formação do complexo de pré-translocação do ribossomo. Neste complexo, ocorre a formação da ligação peptídica catalisada pela subunidade maior do ribossomo. A atividade 
responsável pela formação dessa ligação peptídica é denominada peptidil-transferase. O mecanismo de catálise da atividade de peptidil-transferase envolve o ataque nucleofílico do grupamento amínico do aminoácido localizado no sítio A ao grupamento carboxílico do peptídeo posicionado na sítio P. Dessa forma, ocorre a ligação peptídica, sendo o peptídeo transferido para o tRNA posicionado no sítio A do ribossomo. Como resultado desta reação, o sítio P fica ocupado pelo tRNA não carregado, e o sítio A com o tRNA carregando a cadeia peptídica que está sendo sintetizada (peptidil-tRNA).
4.2.2-Translocação
Logo após o término da reação de peptidil-transferase ocorre espontaneamente um movimento dos tRNAs. A região da extremidade 3' do tRNA, que está ocupando o sítio P (forma P/P), se movimenta para o sítio E e a região 3', contendo o peptídeo do tRNA no sítio A (forma A/A), passa a ocupar a região do sítio P da subunidade maior. Este movimento resulta na formação de uma forma híbrida,em que o tRNA do sítio A gera um híbrido A/P, e o tRNA desacetilado adquire uma forma híbrida P/E. Nessas formas, os tRNAs se movimentam somente em relação à subunidade maior do ribossomo. No entanto, o movimento de translocação total dos tRNAs é estimulado por um fator denominado EF-G em procariotos e EF- 2 em eucariotos. 
RESUMO DESSE TÓPICO: Os aminoácidos são adicionados em sucessão para criar uma cadeia polipeptídica. Após a montagem do ribossomo 80S contendo o primeiro aminoácido (metionina) no sítio P, um tRNA contendo o segundo aminoácido codificado pelo mRNA, se liga ao sítio A. Após uma alteração conformacional do ribossomo induzida pela hidrolise do GTP, a subunidade maior do rRNA pode ser responsável por catalisar a formação da ligação peptídica entre metionina e o segundo aminoácido. A hidrólise do GTP provoca outra alteração conformacional no ribossomo, que resulta na translocação de um códon sobre mRNA, colocando o tRNA que já adicionou a metionina no sítio E. O próximo tRNA que chega carregando o terceiro aminoácido se liga no sítio A, começando novo ciclo. A enzima que catalisa essa reação ainda não foi purificada, mas uma das hipóteses é que a responsável seja a peptidil-transferase.
4.3 Término da síntese de proteínas
Ocorre no momento em que um dos três códons de terminação é exposto no sítio A. O reconhecimentos desses códons é feito com uma molécula de proteína(RF1 e RF2). Apesar dos fatores RF ocuparem o mesmo sítio do ribossomo que os aminoacil-tRNAs, as
regiões de reconhecimento e interação com o ribossomo são diferentes entre os fatores de término e os tRNAs ligados aos seus aminoácidos cognatos. 
4.4- Saída da cadeia peptídica do ribossomo
Está relacionada com a liberação da cadeia peptídica que poderá se enovelar adquirindo sua estrutura final funcional. Foi visualizada uma estrutura presente próximo ao centro da subunidade maior do ribossomo, denominada “túnel de saída do peptídeo”. Logo após a etapa da ligação peptídica, a cadeia polipeptídica nascente se encontra localizada no túnel de saída do ribossomo. Durante a etapa de alongamento do peptídeo, aproximadamente 30 a 50 aminoácidos ficam localizados dentro do túnel, sendo protegidos de degradação. Dentro do túnel, a cadeia peptídica ainda não está na sua estrutura final enovelada, pois devido ao seu diâmetro somente as estruturas em alfa-hélice das proteínas podem ser acomodadas neste túnel de saída.