5 Expressão e Tradução da Informação Genética

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EXPRESSˆO E TRADU˙ˆO DA INFORMA˙ˆO GENÉTICA
Cap. 5
A maneira mais simples de compreensªo de
como a genØtica molecular tem papel fundamen-
tal em todos os processos biológicos, baseia-se
no chamado “dogma central”, o qual prediz as
duas principais leis para a perpetuaçªo da vida,
a divisªo celular e a síntese de proteínas. A divi-
sªo mitótica da cØlula, e, portanto, a prolifera-
çªo celular, só Ø possível porque o DNA ou a
“molØcula-mªe” Ø capaz de se auto-replicar,
transferindo as informaçıes genØticas para as
cØlulas-filhas. AlØm disso, o DNA contØm o có-
digo genØtico que predetermina a seqüŒncia de
aminoÆcidos que comporÆ uma determinada
proteína. A realizaçªo dessas funçıes vitais Ø feita
atravØs de trŒs mecanismos bÆsicos: replicaçªo
(do DNA), transcriçªo (do RNA mensageiro) e
traduçªo (do código genØtico), conforme esque-
matizado na Fig. 5.1.
O mecanismo de auto-replicaçªo, tema abor-
dado em detalhes no Capítulo 4, Ø responsÆvel
pela duplicaçªo de todo o DNA, necessÆria para
a divisªo celular. Por outro lado, os mecanismos
responsÆveis pela síntese protØica incluem o pro-
cesso de transcriçªo de fragmentos de DNA, os
quais constituem os genes, em RNAs mensagei-
ros (RNAm) e a sua traduçªo em uma seqüŒncia
de aminoÆcidos. Os processos de transcriçªo do
Expressªo e Traduçªo da
Informaçªo GenØtica
DNA e traduçªo do RNAm estªo diretamente
envolvidos no mecanismo de expressªo dos genes.
Assim, a relaçªo entre DNA, RNA e proteí-
na estabelece que a cadeia de DNA serve como
molØcula-molde tanto para a síntese de uma fita
de DNA durante o processo de divisªo celular
(processo de replicaçªo) como para a síntese de
RNAs mensageiros como um processo interme-
diÆrio para transmitir a informaçªo genØtica ne-
cessÆria para a síntese das proteínas atravØs dos
processos de transcriçªo e traduçªo.
As molØculas de DNA e de RNA sªo com-
postas pelas chamadas bases nitrogenadas ou
nucleotídeos, incluindo adenina, citosina, guani-
na, timina (timina Ø exclusiva do DNA) e uracila
(exclusiva do RNA). Estas bases encontram-se
ligadas umas às outras, formando a fita de DNA
ou RNA, atravØs de ligaçıes fosfodiØster. Por
outro lado, uma fita se liga a outra fita de DNA
para formar a dupla fita, atravØs de pontes de
hidrogŒnio. É importante ressaltar que as molØ-
culas de citosina (C) e de guanina (G) se ligam
atravØs de trŒs pontes de hidrogŒnio, enquanto
as molØculas de adenina e timina se ligam atra-
vØs de duas pontes de hidrogŒnio. Esta relaçªo
química entre as molØculas resulta em um pa-
reamento específico entre elas, onde C se liga
Mirian Aparecida Boim
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 5
tre si. Na replicaçªo, todo DNA Ø duplicado e a
dupla fita de DNA se separa e cada uma das fi-
tas serve como molde resultando em duas fitas
duplas de DNA. JÆ no processo da transcriçªo,
somente um pequeno fragmento da molØcula de
DNA, o qual contØm o gene de interesse, se se-
para e apenas uma das fitas serve como molde
para a síntese do RNA mensageiro, conforme
esquematizado na Fig.5.2. Por esse motivo, o
RNA Ø composto por uma fita simples e nªo
dupla como o DNA.
DOS GENES ÀS PROTE˝NAS
O genoma humano Ø composto por seis bi-
lhıes de nucleotídeos formando imensas molØ-
culas de DNA, as quais sªo distribuídas em 23
pares de cromossomos. Assim, cada cromosso-
mo Ø composto por molØculas de DNA conten-
do milhares de genes, os quais codificam todas
as proteínas necessÆrias para o funcionamento
das cØlulas. Estimava-se que o genoma humano
possuísse cerca de 100.000 a 300.000 genes,
porØm com a finalizaçªo do seu seqüenciamen-
to, esta estimativa caiu para 30.000 a 50.000
genes, que controlam todos os aspectos da em-
briogŒnese, desenvolvimento, crescimento, re-
produçªo e metabolismo, ou seja, controlam
essencialmente todos os processos biológicos.
Os genes sªo classicamente definidos como
as regiıes do DNA que codificam as proteínas.
Esses segmentos ou regiıes codificadoras se dis-
tribuem ao longo da fita de DNA de tal forma
que alguns genes se localizam próximos uns dos
outros, enquanto outros apresentam maior dis-
tanciamento entre si. Entretanto Ø interessante
notar que as regiıes codificadoras representam
apenas 10% de todo o DNA genômico, sendo o
restante seqüŒncias silenciosas. A razªo para isso
Ø, muito provavelmente, evolutiva, ou seja, à me-
dida que genes foram sendo incorporados ao ge-
noma ao longo da evoluçªo, estes traziam consigo
seqüŒncias nªo codificadoras que tambØm eram
incorporadas.
O CÓDIGO GENÉTICO
A informaçªo genØtica contida no DNA (ge-
nes) Ø transmitida ao citoplasma e entªo usada
para determinar a seqüŒncia de aminoÆcidos que
compıem as proteínas. A transferŒncia desta
 
transcrição tradução
DNA RNAm PROTEÍNA
replicação
Fig. 5.1 — Dogma central.
Fig. 5.2 — Duplicaçªo do DNA versus transcriçªo do
RNAm.
exclusivamente com G e A com T. Esta proprie-
dade Ø conhecida como complementaridade, o
que propicia em œltima anÆlise que a síntese de
DNA ou RNA seja feita utilizando-se uma das
fitas-mªe como molde. Assim, durante o pro-
cesso de síntese, tanto de DNA como de RNA,
quando existir uma citosina (por exemplo) na
molØcula-mªe, uma guanina serÆ incorporada na
molØcula filha que estÆ sendo sintetizada e, da
mesma forma, quando houver uma adenina (no
DNA) uma timina (quando a fita-filha for um
DNA) ou uma uracila (quando a fita filha for
um RNA) serÆ incorporada.
A composiçªo química do DNA e do RNA Ø
semelhante, porØm nªo idŒntica. As bases estªo
ligadas a um esqueleto de açœcar, uma pentose,
que no caso do DNA Ø uma desoxirribose e do
RNA uma ribose.
Embora os mecanismos de replicaçªo e
transcriçªo resultem na síntese de fitas comple-
mentares, sªo processos bastante diferentes en-
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EXPRESSˆO E TRADU˙ˆO DA INFORMA˙ˆO GENÉTICA
Cap. 5
informaçªo do nœcleo para o citoplasma Ø feita
atravØs da síntese do RNAm, o qual contØm uma
seqüŒncia de bases complementar ao respectivo
gene. Como o RNAm Ø sintetizado pelo proces-
so da transcriçªo, ele Ø freqüentemente referido
como “transcrito”. Os RNAs mensageiros con-
tŒm o código genØtico que determina uma se-
qüŒncia de aminoÆcidos, onde cada conjunto de
trŒs bases compıe um códon o qual codifica um
aminoÆcido. A Fig. 5.3 mostra um exemplo de
um gene fictício, originando um RNAm e a se-
qüŒncia de aminoÆcidos respectiva.
Assim, a molØcula de RNAm Ø composta
por quatro bases, e cada conjunto de trŒs ba-
ses codificam um aminoÆcido, e, portanto, qua-
tro bases combinadas trŒs a trŒs resultam em 64
combinaçıes diferentes, ou seja, 64 aminoÆci-
dos. PorØm apenas 20 aminoÆcidos compıem
todas as proteínas, o que significa que um de-
terminado aminoÆcido pode ser codificado por
mais de um códon. Este fenômeno Ø conhecido
como “degenerância” do código genØtico.
Podemos observar pela Tabela 5.1 que a
maioria dos aminoÆcidos possuem duas a seis
combinaçıes diferentes ou códons. Assim, a fe-
nilalanina, por exemplo, pode ser codificada tan-
to pelo códon UUU como pelo UUC. A œnica
exceçªo Ø o aminoÆcido metionina, cujo códon
(ATG) determina o início do gene.
ANATOMIA DO GENE
Um gene Ø composto por segmentos cha-
mados “Øxons” e “íntrons”. Os Øxons contŒm as
seqüŒncias que codificam os aminoÆcidos, po-
DNA
.......... ATG CCC CTC AAC GTT .......
.......... TAC GGG GAG TTG CAA .......
 transcrição
RNAm AUG CCC CUC AAC GUU
....................................................................
códon 1 2 3 4 5
 fl fl fl fl fl tradução
PROTEÍNA MET PRO LEU ASP VAL
Fig. 5.3 — Do DNA à proteína.
rØm as bases contidas nos íntrons nªo sªo codi-
ficadoras, uma vez que elas sªo excluídas du-
rante o processo de “amadurecimento” do
RNAm. A funçªo dos íntrons ainda nªo estÆ to-
talmente esclarecida, porØmsabe-se que eles
podem conter polimorfismos, os quais embora
nªo interfiram na seqüŒncia de aminoÆcidos que
formarªo a proteína, sªo capazes de influenciar
o nível de expressªo do gene, conforme detalha-
do no Capítulo 11.
A transcriçªo de um gene se inicia pelo pri-
meiro Øxon, o qual contØm uma seqüŒncia inicial
fixa para todos os genes. Essa seqüŒncia Ø for-
Tabela 5.1
Código GenØtico
1“ Posiçªo 2“ Posiçªo 3“ Posiçªo
U C A G
Fen Ser Tir Cis U
U Fen Ser Tir Cis C
Leu Ser Stop Stop A
Leu Ser Stop Trp G
Leu Pro His Arg U
C Leu Pro His Arg C
Leu Pro Gln Arg A
Leu Pro Gln Arg G
Iso Tre Asn Ser U
A Iso Tre As Ser C
Iso Tre Lis Arg A
Met Tre Lis Arg G
Val Ala Asp Gli U
G Val Ala Asp Gli C
Val Ala Glu Gli A
Val Ala Glu Gli G
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 5
mada pelas bases ATG, as quais determinam o
início do gene ou o start codon (Tabela 5.1). Este
códon codifica o aminoÆcido metionina.
O nœmero de Øxons e íntrons Ø bastante va-
riÆvel entre os genes, havendo, inclusive, genes
(raros) que nªo apresentam íntrons. PorØm, na
presença de vÆrios Øxons, estes sªo intercalados
pelos íntrons. Ao contrÆrio da seqüŒncia œnica
que determina o início de um gene, existem trŒs
diferentes códons que determinam o final do
gene, UAG, UAA e UGA, seqüŒncias essas tam-
bØm conhecidas como stop codons, que inter-
rompem a traduçªo do RNAm na proteína
correspondente.
IMPLICA˙ÕES FISIOLÓGICAS E
FISIOPATOLÓGICAS DA EXPRESSˆO G˚NICA
Embora todas as cØlulas somÆticas de um
indivíduo possuam exatamente o mesmo geno-
ma, ou seja, os mesmos genes, estes se encon-
tram diferentemente expressos em cada tipo de
cØlula. Tal fenômeno Ø que caracteriza os dife-
rentes tipos celulares, pois as cØlulas de cada
órgªo expressam determinadas proteínas espe-
cíficas daquele órgªo ou mesmo dentro de um
subtipo celular em um mesmo órgªo, conferin-
do um fenótipo específico. Assim, um neurônio
Ø diferente de uma cØlula epitelial porque, em-
bora o conjunto de genes seja o mesmo, eles se
expressam de forma diferente. Existem os genes
cuja expressªo Ø definida como “constitutiva”,
ou seja, genes que se expressam independente-
mente do tipo celular, pois desempenham fun-
çıes bÆsicas, como, por exemplo, os genes que
codificam proteínas do citoesqueleto, da cadeia
respiratória, de reparo do DNA, etc. Ao contrÆ-
rio, os genes cuja expressªo Ø definida como “in-
duzível” codificam proteínas específicas de cada
tipo celular, conferindo portanto um fenótipo
correspondente. O nível de expressªo tambØm Ø
fator importante na diferenciaçªo do tipo de cØ-
lula, ou seja, o quanto que uma cØlula produz de
uma determinada proteína pode tornÆ-la diferen-
te de outra cØlula. AlØm disso, vale salientar que o
nível da expressªo gŒnica varia em determinadas
situaçıes fisiológicas e/ou fisiopatológicas. Por
exemplo, hÆ proteínas que sªo expressas ou sin-
tetizadas apenas na infância e desaparecem na vida
adulta, ou seja, o gene estÆ ativo ou “ligado” du-
rante a infância e inativo ou “desligado” na vida
adulta. Mais ainda, durante os processos fisiopa-
tológicos ocorrem modificaçıes na expressªo de
determinados genes que podem estar muito ou
pouco expressos, quando comparados com uma
situaçªo de normalidade. De maneira geral estas
modificaçıes Ø que determinam a resposta fisio-
lógica e/ou fisiopatológica da cØlula a um deter-
minado estímulo. Assim, o processo de ativar ou
desativar um determinado gene estÆ fundamen-
talmente relacionado com as funçıes celulares em
cada momento ou situaçªo durante a vida de um
indivíduo.
Como um Gene se Expressa
O mecanismo de ativaçªo de um gene Ø bas-
tante complexo e se inicia com a ligaçªo de uma
proteína indutora em certas regiıes do DNA
denominadas promotoras, as quais estªo próxi-
mas e antecedem os genes.
A abundância de um determinado RNAm
geralmente se correlaciona com os níveis de
síntese da proteína correspondente, processo
normalmente referido como expressªo gŒnica. Os
níveis de RNAm sªo regulados por processos
altamente complexos que requerem seqüŒncias
específicas do DNA, referidas como elementos
de controle. Estes elementos estªo intimamente
envolvidos na iniciaçªo do processo de transcri-
çªo, antecedem o início do gene e sªo chamados
de promotores, pois promovem a transcriçªo do
gene e, portanto, a sua expressªo. Outros elemen-
tos de controle da expressªo dos genes incluem
os supressores (inibem a transcriçªo gŒnica) e os
potencializadores, que aumentam a expressªo de
um determinado gene. Assim, estes elementos
sªo fundamentais no controle da expressªo dos
genes, sendo responsÆveis por manter ou nªo
um determinado gene ativo, muito ativo ou ina-
tivo, conforme esquematizado na Fig. 5.4.
Quando um gene Ø estimulado ou “ligado”,
sua seqüŒncia serÆ traduzida em uma proteína,
permanecendo neste estado atØ que algum sinal
o “desligue”. Um mecanismo bastante comum de
regulaçªo Ø o feedback negativo, ou seja, o au-
mento na síntese da proteína codificada por aquele
gene pode ser suficiente para inativar o gene res-
pectivo. Este mecanismo de controle de ativaçªo/
inativaçªo do gene mantØm o suprimento de uma
determinada proteína em relaçªo ao seu consu-
mo em níveis balanceados. Assim, o mecanismo
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EXPRESSˆO E TRADU˙ˆO DA INFORMA˙ˆO GENÉTICA
Cap. 5
que regula a atividade de um gene Ø, geralmente,
um sinal externo ao nœcleo. Este processo Ø bas-
tante complexo e nªo totalmente entendido, mas
envolve uma cascata de reaçıes que culminam
com a ativaçªo de enzimas capazes de fosforilar
(fosfatases) ou defosforilar (quinases) as proteí-
nas que se ligam às seqüŒncias regulatórias dos
genes, ativando-os ou desativando-os.
TRANSCRI˙ˆO DE UM GENE
A transcriçªo de um gene envolve primaria-
mente a síntese do RNA mensageiro, que Ø cata-
lisada pela enzima RNA polimerase, conforme
esquematizado na Fig. 5.5.
A transcriçªo de um gene nªo depende ape-
nas da enzima RNA polimerase. Mais do que
isso, o primeiro passo para que um gene seja
expresso, ou seja, transcrito, Ø a ligaçªo de uma
proteína indutora ou “fator de transcriçªo” à
seqüŒncia promotora do gene (promotor). Es-
tes fatores de transcriçªo se ligam a seqüŒncias
específicas do promotor, principalmente na se-
qüŒncia TATAAA, tambØm conhecida como
“TATA box”. Esta seqüŒncia Ø comum à maioria
dos promotores de genes de cØlulas eucariotas.
Assim, o fator de transcriçªo, que Ø uma pro-
teína, possui sítios de reconhecimento desta se-
qüŒncia. A ligaçªo do fator de transcriçªo ao
“TATA box” propicia a ligaçªo da enzima RNA
polimerase ao sítio de iniciaçªo da transcriçªo
do gene e a síntese do RNAm começa.
Este processo de síntese gera uma fita com-
plementar ao DNA que o originou. Esta fita com-
pıe um RNAm imaturo, contendo seqüŒncias
complementares ao Øxons e íntrons. O próximo
passo envolve um processo de rearranjo da mo-
lØcula recØm-sintetizada, onde os íntrons sªo re-
tirados e os Øxons rejuntados. Este mecanismo Ø
conhecido como splicing do RNAm. Assim, ape-
nas os Øxons farªo parte do RNAm maduro e,
portanto, só eles serªo traduzidos em uma se-
qüŒncia de aminoÆcidos.
Adicionalmente, o RNAm contØm seqüŒn-
cias de nucleotídeos, nos dois extremos da re-
giªo de codificaçªo, as quais formam as regiıes
nªo traduzidas ou UTR (untranslated regions).
Estas regiıes estªo envolvidas na regulaçªo da
mensagem ou da expressªo do gene, estabilida-
de e outras funçıes do RNAm.
Outro processo importante que ocorre, ain-
da dentro do nœcleo, Ø a incorporçªo de uma
cauda de poliadeninas na recØm-formada molØ-
cula de RNAm. Acredita-se que a cauda de po-
Fig. 5.4 — Ativaçªo e inativaçªo de um gene.
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VOL. 1 — BASES MOLECULARES DA BIOLOGIA, DA GENÉTICA E DA FARMACOLOGIA
Cap. 5
Fig. 5.5 — Mecanismo de síntese do RNAm: transcriçªo.
Fig. 5.6— Mecanismo de transcriçªo e splicing do RNAm.
Fita de DNA Fita de RNA
Adenina
Timina
Guanina
Citosina
Uracila
RNA polimerase
liadeninas confira estabilidade do RNAm durante
sua saída do nœcleo em direçªo ao ribossomo
onde ele serÆ traduzido. É interessante notar que
cauda de poliadeninas Ø característica própria
dos RNAs mensageiros, nªo estando presente
nos demais tipos de RNAs, transferidor ou ri-
bossômico. A Fig. 5.6 esquematiza o processo
de transcriçªo e amadurecimento do RNAm.
TRADU˙ˆO DO RNAm EM UMA SEQÜ˚NCIA
DE AMINO`CIDOS
Após ser processado e modificado, o RNAm
maduro estÆ pronto para sair do nœcleo e no ci-
toplasma chegar ao ribossomo, onde serÆ tra-
duzido em uma seqüŒncia de aminoÆcidos,
atravØs de leitura sucessiva dos códons que com-
pıem aquele RNAm. Neste processo estªo en-
volvidos o ribossomo, que Ø constituído por
proteínas enzimÆticas e por RNAs ribossômicos
(RNAr), alØm dos RNAs transferidores (RNAt).
O RNAt Ø constituído por uma fita de RNA com
cerca de 80 nucleotídeos, em forma de cruz, onde
DNA
IntronExon IntronExon
Exon
Exon
Intron
Intron Intron
IntronExon
Exon
Região
promotora
Transcrito primário
Sinal de
término
Exon Exon Exon
ExonExonExon
Remoção dos íntrons
(splicing)
Cauda de poli A
RNAm maduro
Cap
AAA...A
AAA...A
AAA...A
Cap
Cap
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EXPRESSˆO E TRADU˙ˆO DA INFORMA˙ˆO GENÉTICA
Cap. 5
na extremidade inferior existem trŒs nucleotídeos
chamados anticódon, os quais sªo complemen-
tares ao códon específico na cadeia de RNAm.
Do lado oposto, na extremidade superior, o RNAt
“carrega” o aminoÆcido correspondente àquele
anticódon. A funçªo do RNAr Ø auxiliar a liga-
çªo entre o RNAm e o RNAt.
Durante a traduçªo, como esquematizado
na Fig. 5.7, o ribossomo inicialmente se liga ao
primeiro códon (start codon) da molØcula de
RNAm (AUG), o qual especifica o aminoÆcido
metionina (este aminoÆcido pode ser posterior-
mente removido da cadeia de polipeptídeo). O
ribossomo se move ao longo da cadeia de RNAm
decodificando cada códon, promovendo a ligaçªo
ao RNAt ao RNAm atravØs da ligaçªo códon/an-
ticódon. Quando o RNAt se ligar ao RNAm, o
aminoÆcido Ø incorporado à cadeia de polipeptí-
deo nascente. Este processo ocorre sucessivamen-
te atØ o ribossomo atingir o códon de termino
(stop codon) na molecula de RNAm, quando a
traduçªo e formaçªo da cadeia de polipeptídeo
cessa. O polipeptídeo Ø entªo liberado para o ci-
toplasma, porØm antes deste peptídeo se tornar
Fig. 5.7 — Traduçªo do RNAm.
uma proteína funcional, ele Ø submetido a im-
portantes processos de “amadurecimento”, co-
nhecidos como modificaçıes pós-traduçªo,
conforme detalhado no Capítulo 6.
Em resumo, o processo de síntese protØi-
ca, o qual Ø iniciado atravØs da ativaçªo gŒni-
ca, Ø altamente sofisticado e submetido a um
rigoroso controle, pois dele depende o funciona-
mento normal da cØlula e, portanto, do organis-
mo. Como abordado neste capítulo, este processo
envolve inœmeros passos que podem ser suscetí-
veis a erros. AlØm disso, a maneira como uma
cØlula, um órgªo ou um indivíduo sintetizam suas
proteínas depende de uma sØrie de fatores, in-
cluindo os genØticos e ambientais.
BIBLIOGRAFIA
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