Fig. 1 Como visto anteriormente, o dogma central consiste na informação genética que pode ser transmitida hereditariamente e pode ser replicada. Além disso, ela também pode ser transcrita, sendo expressa na forma de RNA, e depois traduzida na forma de aminoácidos, ou proteínas. Esses processos ocorrem em todas as células vivas, lembrando que em células procariotas a maioria do DNA é transcrito diretamente para RNAm, enquanto eucariotas há um intermediário, o pré-RNA.

 

Fig. 2 A transcrição do DNA e a enzima responsável pelo processo. A transcrição é o processo por meio do qual a ordem de nucleotídeos (reconhecidos por suas bases nitrogenadas) é passada do DNA para o RNA, e é considerada o primeiro passo para a expressão gênica (a transformação da informação genética para um fenótipo, ou seja, uma característica da célula). A transcrição é realizada pela RNA polimerase (esquematizado na figura B), o complexo enzimático capaz de mover-se ao longo do DNA, desparear a dupla-fita e usar uma das fitas como molde. Assim, ela polimeriza uma cadeia de ribonucleotídeos complementar à fita-molde de DNA. Para isso, são utilizados não apenas fita-molde e enzima, mas também trifosfatos de ribonucleosídeos livres. A polimerização do RNA ocorre no sentido 5'-3', pareando as bases C com G, T (do DNA) com A e A (do DNA) com U. A transcrição envolve apenas certos trechos do DNA, os genes, cada um com sua diferente expressão. Na figura C, por exemplo, o Gene A é muito mais expresso do que o Gene B, fazendo com que a quantidade da proteína gerada pelo Gene A seja maior do que a do Gene B. Além disso, a transcrição e a tradução são processos que ocorrem durante toda a vida da célula, conforme a necessidade da transcrição do gene (não somente na divisão, como na replicação) e de sua proteína. É importante observar que, enquanto em procariotos existe apenas um tipo de RNA polimerase, os eucariotos possuem mais de uma como, por exemplo, RNA polimerase I para sintetizar RNAr; II para sintetizar RNAm e III para sintetizar RNAt, sendo estes os principais tipos de RNA polimerase.

 

Fig. 3 A transcrição é um processo que ocorre em três etapas: a iniciação, o alongamento e o término. A iniciação da transcrição do RNA começa na região promotora ou “promotor” (sequências específicas, localizadas a cerca de 10 a 35 nucleotídeos antes do sítio onde a transcrição é de fato iniciada e podendo se estender por mais de 2000 nucleotídeos antes do início da transcrição). Entre os promotores, os mais comuns são 5’ TATATT 3’ e 5' TTGACA 3’, conhecidos como “TATA box” (figura C). O promotor é reconhecido por fatores gerais de transcrição (especificamente o TFIID, representado em verde na figura A, é o mais complexo dos fatores, composto por 9 subunidades sendo, portanto, tão grande quanto a RNA polimerase), que se conectam na dupla-fita (figura A, letra b). Os demais fatores gerais de transcrição são recrutados para que a RNA polimerase atue, a qual se conecta juntamente aos fatores e à dupla-fita, formando então o complexo de iniciação de transcrição (figura A, letra d). A ordem exata em que os fatores se associam à enzima varia de acordo com o gene, in vivo. O TFIID fosforila a RNA polimerase, modificando sua estrutura e fazendo com que ela se desprenda dos demais fatores (permanecendo associada somente ao TFIID) para poder entrar na fase de alongamento da transcrição. Esta fase marca o início da polimerização da molécula de RNA, quando pelo menos dois ribonucleotídeos são colocados, o que estabelece a ligação da RNA polimerase com a fita e permite a continuação do alongamento. Somente uma das fitas do DNA é usada como molde, sendo denominada de “codificante” ou “ativa”. A RNA polimerase separa a dupla hélice do DNA no ponto inicial de transcrição com a ajuda do fator geral da transcrição TFIID (após o promotor), expondo as bases da fita-molde (somente do gene a ser transcrito, e não da fita de DNA toda), o que é mostrado em um esquema resumido na figura B e na figura D. À medida que a RNA polimerase se desloca sobre a fita e o RNA é sintetizado, o DNA é despareado à sua frente. Essa abertura da dupla-fita é a formação de supertorções do DNA, que são energicamente favoráveis já que reestabelece o enrolamento helicoidal das regiões que permanecem pareadas (ao invés de formar um super-enrolamento da dupla-fita, como na replicação); este movimento pode ser visto na figura D. Além disso, a enzima não corre sobre a fita, mas se move por saltos, fazendo pausas em certas sequências e transcrevendo outras mais rapidamente. No término da transcrição, o RNA recém-formado, que sai pelo canal de saída de RNA da enzima, vai se desligando do DNA que lhe serviu de molde. Ao final do gene, indicado por uma sequência específica, a transcrição é terminada e a RNA polimerase se desprende das fitas de DNA, além de liberar a molécula de RNA recém-formada (figura B, abaixo).

 

Fig. 4 Modificações no RNAm: capeamento e poliadenilação. Em eucariotos, logo após a transcrição e antes que a molécula de RNA seja traduzida, ela sofre modificações em suas extremidades: A extremidade 5’, formada no início da transcrição, sofre um capeamento (adição de um quepe) e a extremidade 3’, formada no término da transcrição, sofre uma poliadenilação (formando a cauda poliA). Essas modificações permitem que a célula verifique se as extremidades de um RNAm estão intactas (assim como a informação genética transcrita) e diferenciar o RNAm de outros RNAs, além de aumentar a estabilidade (meia-vida) do mRNA. O “cap” ou “quepe” consiste em um nucleotídeo guanina modificado (metilado) e “invertido” (destacado na figura A) formado assim que o RNAm transcrito emerge da RNA polimerase. Ele é formado por três enzimas que agem sucessivamente: uma fosfatase remove um fosfato da extremidade 5’, uma guanil-transferase adiciona um GMP invertido (extremidades 5’ com 5’) e uma metil-transferase adiciona um grupo metil a essa guanosina. Antes do RNAm tornar-se maduro, ocorre a poliadenilação: a formação da cauda poli-A pela enzima poli-A-polimerase, que adiciona cerca de 200 nucleotídeos de Adenina à extremidade 3’ do RNA (destacada na figura B). Esta extremidade possui a sequência de término da transcrição a qual é reconhecida por duas proteínas específicas, que se ligam a ela e “criam” a extremidade 3’, adicionando sequências específicas que, após serem clivadas pelas próprias proteínas, garantes um grupo OH- em 3’. O tamanho final da cauda é ditado por proteínas que se ligam à cauda conforme ela é sintetizada e garante estabilidade do RNAm. Assim, após sofrer splicing e modificações em suas extremidades, o pré-RNAm passa a ser um RNAm maduro. Essas modificações não acontecem em procariotos, como mostrado na figura B (topo).

 

Fig. 5 Modificações no pré-RNAm: processo de splicing. Este processo ocorre após o capeamento do pré-mRNA e antes a poliadenilação. À medida que a RNA polimerase move-se no gene, o pré-mRNA (o RNA recém-transcrito) sofre a remoção de seus íntrons (sequências não codificantes) no processo de splicing (figuras B e C) realizado por moléculas de RNA (snRNAs) e proteínas (RNPs) especializadas que formam o spliciossomo, capaz de reconhecer as sequências onde o splicing deve ser realizado e de juntar os éxons. No splicing, reações de transesterificações unem dois éxons, enquanto o íntron entre eles é removido como um “laço” (esquematizado na figura C). A presença desses íntrons possibilita que os diferentes éxons sejam recombinados, formando diferentes mRNAs e, com isso, diferentes proteínas, a partir de um único gene (figura D). A esse processo se dá o nome de splicing alternativo. O splicing é um processo que ocorre apenas em células eucariotas devido à existência de um intermediário, o pré-RNAm, e por existir o envoltório nuclear que separa o processo de transcrição da tradução (figura A). O produto final, o mRNA maduro, sai do núcleo e segue para o citoplasma para sua tradução em uma proteína. O processo de splicing alternativo permite que o genoma do ser humano, por exemplo, contenha 20.000 genes codificados no DNA e expressem de 80.000 a 100.000 diferentes mRNAs e portanto, proteínas. Em bactérias, por outro lado, um gene é igual a um único mRNA e, portanto, a uma única proteína.

 

Fig. 6 Os três principais tipos de RNAs envolvidos na transcrição e tradução. Estes RNAs localizam-se tanto no núcleo quanto no citoplasma e são constituídos por uma cadeia de RNA cujos nucleotídeos, com exceção do mRNA, interagem entre si, fazendo com que o RNA seja capaz de adquirir estruturas secundárias. O mRNA ou RNA mensageiro (visto nas figuras C e D) é uma fita simples de ribonucleotídeos cuja função é determinar a sequência de aminoácidos em uma proteína após a tradução de seus códons (sequência de três nucleotídeos específicos, representados na figura C) em sequência, e da mesma forma marca o início e o fim da tradução com os códons de início (AUG) e parada posição (UGA, UAG, UAA), respectivamente. Ele é formado de acordo com a necessidade da célula por aquela proteína específica, sempre que necessário. No núcleo ainda pode ser encontrado como pré-mRNA e, após sofrer modificações específicas, segue ao citoplasma onde se associará com o rRNA. O rRNA, também chamado de RNA ribossomal ou ribossômico (figura A) está presente em maior quantidade e é produzido no núcleo celular, especificamente no nucléolo (em eucariotos), e possui estrutura tridimensional. Os rRNAs, quando associados às proteínas, são chamados “unidade ribossomal” ou ribossomos, que agem como sítios de tradução, ou seja, são responsáveis pela síntese de proteínas a partir do código do mRNA e dos aminoácidos carregados pelos tRNAs. Os tRNAs ou RNA transportadores (figura B) são produzidos em menor quantidade. Ele é produzido no núcleo, sendo transportado diretamente ao citoplasma, onde atua. Em uma extremidade possuem um sítio de ligação ao aminoácido, por onde carregam um aminoácido específico ao códon do RNAm que irá ser incorporado na proteína a ser polimerizada. Na outra extremidade possuem um anticódon, que possui uma sequência complementar ao códon do mRNA e que pareia-se a ele, também para efetuar a ligação do aminoácido. A figura D mostra esses três tipos de RNA e como eles atuam em conjunto. Entre os vários outros tipos de RNAs estão o snRNA (small nuclear ou pequenos nucleares), que atuam  em processos nucleares, principalmente no splicing), e os RNAs não-codificantes, que atuam em diversos processos celulares, como a síntese de telômeros, inativação do cromossomo X e transporte de proteínas para o RE e regulação da expressão gênica.

 

Fig. 7 Código Genético. Em A observamos a estrutura básica dos aminoácidos, que como mostrado em B, possui 20 diferentes tipos de resíduos.  Portanto, como é possível uma sequência linear de nucleotídeos (RNA) com 4 diferentes letras (A, U, G, C) codificar para  20 diferentes tipos de aminoácidos para formar diversas proteínas?  A resposta é bastante simples e pode ser encontrada no código genético, que corresponde ao dicionário que a célula utiliza para traduzir a linguagem genética em linguagem proteica. Como mostrado em C apenas quatro letras não poderiam codificar todos os aminoácidos existentes, sendo assim, a célula utiliza uma sequência de três letras (três nucleotídeos), que representa um códon, e codifica um aminoácido específico. Deste modo existem até mais possibilidades de codificação que aminoácidos existentes. Através da combinação da sequencia de três nucleotídeos (códon) é possível formar 64 diferentes combinações. Como existem apenas 20 diferentes aminoácidos existirão casos onde um mesmo aminoácido será codificado por mais de um códon, tornando o código genético DEGENERADO.

 

Fig. 8  Características do Código Genético. A imagem representa informações de extrema importância no código genético. Um códon é capaz de codificar apenas um aminoácido (NÃO AMBIGUIDADE do código), porém, um aminoácido pode de ser codificado por diferentes códons. Por exemplo, o aminoácido Prolina (Pro ou P) pode ser codificado por 4 diferentes códons (CCA, CCC, CCG e CCU). Isso representa que o Código genético é DEGENERADO, com uma sequência de aminoácidos não se consegue determinar a sequência de RNAm original. Além disso é necessário resaltar outras características do código genético,  a UNIVERSALIDADE, que demonstra que os códons tem o mesmo significado na maioria dos seres vivos. Existe apenas um CÓDON DE INICIAÇÃO, o códon AUG, que possui dupla função: codifica a Metionina e inicia a leitura do código. Também existem três CÓDON DE TERMINAÇÃO, que não codificam para nenhum aminoácido, portanto possuem função única de finalizar a síntese de proteína, são os códons UAA, UAG e UGA.

 

Fig. 9 Fase de Leitura.  Por ser uma sequência linear de nucleotídeos (RNA) constituída por 4 letras diferentes, cada sequência de RNAm possui 3 fases de leitura ao agrupar diferentes códons e aminoácidos distintos em cada uma delas, como representadas na imagem A. O códon de início de tradução (AUG), codificando metionina, determina qual fase é a correta e desencadeia o inicio da síntese proteica. Em procariotos o códon de início de tradução é representado pelo primeiro AUG após sequências específicas de ligação do ribossomo, chamadas de RBS (sequencia de ligação ao ribossomo), como mostrado em B. E em eucariotos o códon de início de tradução é o primeiro AUG após o CAP, como mostrado em C. Portanto, a presença do primeiro sítio de iniciação da tradução (AUG) após esses domínios acima mencionados determina qual será a fase de leitura do RNAm.

 

Fig. 10 Tradução e sua maquinaria. Na imagem está ocorrendo a síntese de uma proteína, e como observamos, estão presentes as seguintes moléculas: aminoácidos ligados a RNAt (aminoacil tRNA), ribossomo e RNAm. O  RNAt funciona como interprete (adaptador) entre a “linguagem” do RNAm e a das proteínas, portanto,  é capaz de se ligar a um aminoácido (extremidade 3´) e reconhecer um códon através do seu anticódon. É o RNAm que carrega todas as informações presentes no gene que foram importadas do núcleo para o citosol e possui sua origem pelo processo de transcrição. O Ribossomo é a maquinaria responsável pela união dos diferentes aminoácidos, carregados e selecionados pelos RNAt, através de ligações peptídicas formando as proteínas.

 

Fig. 11 Ribossomo e Tradução. O Ribossomo, como destacado na imagem, possui duas subunidades (subunidade grande e pequena) e quatro sítios: A, P, E e o sítio de interação com RNAm.  A ligação da subunidade pequena do ribossomo ao início do RNAm representa o começo do processo de tradução da proteína. Esta subunidade percorre o RNAm até encontrar seu primeiro códon de iniciação (como já vimos, a sequência AUG). O RNAt iniciador reconhece o códon de iniciação pois possui o anticódon UAC e  transporta o aminoácido metionina. O complexo formado a partir da ligação do RNAt iniciador com o códon de iniciação recruta a ligação da subunidade grande do ribossomo. Agora o ribossomo se encontra completamente montado e fixado, e apresentando os quatro sítios, como já foi mencionado anteriormente. O complexo RNAt + aminoácido possui o nome de Aminoacil-tRNA e entra através do sitio A (sitío aminoacil-tRNA) do ribossomo. Este complexo pareia com as bases presentes no RNAm através do pareamento do anticódon do RNAt com o códon no RNAm, carregando consigo um aminoácido correspondente.  Com a continuidade da tradução este Aminoacil-tRNA é movido para o sítio P. Através do pareamento códon/anticódon um segundo aminoacil-tRNA entra pelo sítio A, neste momento o ribossomo catalisa a união dos aminoácidos (um presente no sítio P e outro presente no sítio A) através da formação de uma ligações peptídicas, produzindo um Peptidil-tRNA que se encontra no sítio A. Esse complexo (peptidil-tRNA) é então movido para o sitio P do ribossomo (sítio peptidil-tRNA) e o então vazio sítio A recebe uma nova molécula de aminoacil-tRNA. Ao entrar diversos Aminoacil-tRNA no sitio A e prosseguir a síntese proteica , RNAt vazios saem através do sítio E (de EXIT, saída) e aminoácidos recém ligados (cadeia polipeptídica em crescimento) saem do ribossomo por um orifício, como destacado na imagem em todos os passos da tradução. Este ciclo de entrada, ligação e saída se repete diversas vezes para promover a síntese de uma proteína completa composta por diferentes aminoácidos.

 

Fig. 12 Termino da Tradução. Vimos que a tradução se inicia com a ligação do RNAm à subunidade menor do ribossomo  a partir do reconhecimento do códon iniciador (AUG) pelo RNAt correspondente (anticódon UAC, com expressão do aminoácido metionina) e em seguida estabelece-se a ligação da subunidade maior. A síntese continua com as sucessivas ligações de aminoácidos e entrada e saída de RNAt dos sítios presentes no Ribossomo.  Também sabemos que a mesma molécula de RNAm pode ser traduzida simultaneamente por mais que um ribossomo através de Polirribossomos. Mas como este processo é finalizado? Assim que o RNAm apresenta o códon de terminação (UGA, UAA, UAG) nenhum RNAt é correspondente a essa sequência, portanto, um fator de liberação pareia com este sinal e assim que entra em contato com o sítio P no ribossomo provoca a dissociação da maquinaria e a consequente parada da Tradução, adquirindo uma proteína pronta e livre.

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