Em formação

S2019_Lecture_22_Reading_New_NB_Test - Biologia


Síntese proteíca

Introdução

O processo de tradução em biologia é a decodificação de uma mensagem de mRNA em um produto polipeptídico. Dito de outra forma, uma mensagem escrita na linguagem química dos nucleotídeos é "traduzida" para a linguagem química dos aminoácidos. Os aminoácidos são ligados linearmente por meio de ligações covalentes (chamadas ligações peptídicas) entre os terminais amino e carboxila dos aminoácidos adjacentes. O processo de decodificação e "ligação" é catalisado por um complexo de ribonucleoproteína chamado de ribossomos e pode resultar em cadeias de aminoácidos de comprimentos que variam de dezenas a mais de 1.000.

As proteínas resultantes são tão importantes para a célula que sua síntese consome mais energia da célula do que qualquer outro processo metabólico. Como a replicação e a transcrição do DNA, a tradução é um processo molecular complexo que podemos abordar usando as rubricas Energy Story e Design Challenge. Descrever o processo geral, ou etapas no processo, requer a contabilização da matéria e da energia antes e depois do processo e uma descrição de como essa matéria é transformada e a energia transferida durante o processo. Do ponto de vista do Desafio de Design, podemos - antes mesmo de nos aprofundarmos no que é ou não entendido sobre tradução - tentar inferir algumas das questões básicas que precisaremos responder a respeito desse processo.

Comecemos considerando o problema básico. Temos uma fita de RNA (chamada mRNA) e um monte de aminoácidos e precisamos projetar de alguma forma uma máquina que irá:

(a) decodificar a linguagem química dos nucleotídeos na linguagem dos aminoácidos,
(b) juntar aminoácidos de uma maneira muito específica,
(c) concluir este processo com precisão razoável, e
(d) fazer isso a uma velocidade razoável. Razoável, é claro que é definido pela seleção natural.

Como antes, podemos identificar subproblemas

(a) Como nossa máquina molecular determina onde e quando começar a trabalhar?
(b) Como a máquina molecular coordena a decodificação e as formações de ligação?
(c) de onde vem e quanto vem a energia para esse processo?
(d) como a máquina sabe onde parar?

Outras questões e problemas / desafios funcionais certamente surgirão à medida que nos aprofundarmos.

A questão, como sempre, é que mesmo sem saber nada específico sobre tradução, podemos usar nossa imaginação, curiosidade e bom senso para imaginar alguns requisitos para o processo sobre os quais precisaremos aprender mais. Compreender essas questões como o contexto para o que se segue é fundamental.

Uma ligação peptídica liga a extremidade carboxila de um aminoácido à extremidade amino de outro, expelindo uma molécula de água. O R1 e R2 designação refere-se à cadeia lateral do aminoácido os dois aminoácidos.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra original).

Máquinas de síntese de proteínas

Os componentes que entram no processo

Muitas moléculas e macromoléculas diferentes contribuem para o processo de tradução. Embora a composição exata dos "jogadores" no processo possa variar de espécie para espécie - por exemplo, os ribossomos podem consistir em diferentes números de rRNAs (RNAs ribossômicos) e polipeptídeos dependendo do organismo - as funções gerais da maquinaria de síntese de proteínas são comparáveis ​​das bactérias às células humanas. Nós nos concentramos nessas semelhanças. No mínimo, a tradução requer um modelo de mRNA, aminoácidos, ribossomos, tRNAs, uma fonte de energia e várias enzimas acessórias adicionais e pequenas moléculas.

Lembrete: Aminoácidos

Vamos simplesmente lembrar que a estrutura básica dos aminoácidos é composta de uma estrutura composta por um grupo amino, um carbono central (chamado de carbono α) e um grupo carboxila. Ligado ao carbono α está um grupo variável que ajuda a determinar algumas das propriedades químicas e reatividade do aminoácido.

Um aminoácido genérico.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Os 20 aminoácidos comuns.
Atribuição: Marc T. Facciotti (obra própria)

Ribossomos

UMA ribossomo é uma macromolécula complexa composta de rRNAs estruturais e catalíticos e muitos polipeptídeos distintos. À medida que começamos a tentar pensar sobre a contabilidade de energia na célula, é importante notar que os ribossomos não vêm "de graça". Mesmo antes de um mRNA ser traduzido, uma célula deve investir energia para construir cada um de seus ribossomos. No E. coli, existem entre 10.000 e 70.000 ribossomos presentes em cada célula a qualquer momento.

Os ribossomos existem no citoplasma em bactérias e arquéias e no citoplasma e no retículo endoplasmático rugoso em eucariotos. As mitocôndrias e os cloroplastos também têm seus próprios ribossomos na matriz e no estroma, que se parecem mais com os ribossomos bacterianos (e têm sensibilidades semelhantes às drogas), do que os ribossomos logo fora de suas membranas externas no citoplasma. Os ribossomos se dissociam em subunidades grandes e pequenas quando não estão sintetizando proteínas e se reassociam durante o início da tradução. coli, a subunidade pequena é descrita como 30S e a subunidade grande é 50S. Os ribossomos de mamíferos têm uma pequena subunidade 40S e uma grande subunidade 60S. A subunidade pequena é responsável pela ligação ao molde de mRNA, enquanto a subunidade grande se liga sequencialmente aos tRNAs. Cada molécula de mRNA é traduzida simultaneamente por muitos ribossomos, todos sintetizando proteínas na mesma direção: lendo o mRNA de 5 'para 3' e sintetizando o polipeptídeo do terminal N para o terminal C. A estrutura completa do mRNA / poli-ribossomo é chamada de polissomo.

A maquinaria de síntese de proteínas inclui as subunidades grandes e pequenas do ribossomo, mRNA e tRNA.
Fonte: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m.../ribosome.html

TRNAs

tRNAs são moléculas de RNA estruturais que foram transcritas de genes. Dependendo da espécie, 40 a 60 tipos de tRNAs existem no citoplasma. Servindo como adaptadores, tRNAs específicos se ligam a sequências no molde de mRNA e adicionam o aminoácido correspondente à cadeia polipeptídica. Portanto, os tRNAs são as moléculas que realmente “traduzem” a linguagem do RNA para a linguagem das proteínas.

Dos 64 possíveis mRNA códons—Ou combinações triplas de A, U, G e C, três especificam o término da síntese de proteínas e 61 especificam a adição de aminoácidos à cadeia polipeptídica. Destes 61, um códon (AUG) também codifica o início da tradução. Cada tRNA anticódon pode emparelhar bases com um dos códons de mRNA e adicionar um aminoácido ou encerrar a tradução, de acordo com o código genético. Por exemplo, se a sequência CUA ocorresse em um molde de mRNA no quadro de leitura adequado, ela se ligaria a um tRNA que expressa a sequência complementar, GAU, que estaria ligada ao aminoácido leucina.

A estrutura secundária dobrada de um tRNA. A alça anticódon e a haste aceitadora de aminoácidos são indicadas.
Fonte: http: //mol-biol4masters.masters.grkr...ansfer_RNA.htm

Aminoacil ARNt sintetases

O processo de síntese do pré-tRNA pela RNA polimerase III cria apenas a porção de RNA da molécula adaptadora. O aminoácido correspondente deve ser adicionado posteriormente, uma vez que o tRNA é processado e exportado para o citoplasma. Através do processo de "carregamento" do tRNA, cada molécula de tRNA é ligada ao seu aminoácido correto por um grupo de enzimas chamadas aminoacil tRNA sintetases. Existe pelo menos um tipo de aminoacil ARNt sintetase para cada um dos 20 aminoácidos; o número exato de aminoacil tRNA sintetases varia por espécie. Essas enzimas primeiro se ligam e hidrolisam ATP para catalisar uma ligação de alta energia entre um aminoácido e o monofosfato de adenosina (AMP); uma molécula de pirofosfato é expelida nesta reação. O aminoácido ativado é então transferido para o tRNA e o AMP é liberado.

O mecanismo de síntese de proteínas

Assim como com a síntese de mRNA, a síntese de proteínas pode ser dividida em três fases: iniciação, alongamento e término. O processo de tradução é semelhante em bactérias, arquéias e eucariotos.

Iniciação da Tradução

Em geral, a síntese de proteínas começa com a formação de um complexo de iniciação. A pequena subunidade ribossômica se ligará ao mRNA no sítio de ligação ribossomal. Logo depois, o tRNA da metionina se ligará ao códon de início do AUG (por meio da ligação complementar com seu anticódon). Este complexo é então unido por uma grande subunidade ribossômica. Este complexo de iniciação então recruta o segundo tRNA e, assim, a tradução começa.

A tradução começa quando um anticódon tRNA reconhece um códon no mRNA. A subunidade ribossômica grande se junta à subunidade pequena e um segundo tRNA é recrutado. À medida que o mRNA se move em relação ao ribossomo, a cadeia polipeptídica é formada. A entrada de um fator de liberação no site A encerra a tradução e os componentes se dissociam.

Iniciação bacteriana vs eucariótica

No E. coli mRNA, uma sequência a montante do primeiro códon AUG, chamada de Sequência Shine-Dalgarno (AGGAGG), interage com uma molécula de rRNA. Esta interação ancora a subunidade ribossômica 30S no local correto no modelo de mRNA. Pare por um momento para apreciar a repetição de um mecanismo que você encontrou antes. Nesse caso, conseguir que um complexo de proteína se associe - no registro adequado - a um polímero de ácido nucleico é realizado alinhando duas fitas antiparalelas de nucleotídeos complementares uma com a outra. Também vimos isso na função da telomerase.

Em vez de se ligar à sequência de Shine-Dalgarno, o complexo de iniciação eucariótica reconhece o cap 7-metilguanosina na extremidade 5 'do mRNA. Uma proteína de ligação à capa (CBP) auxilia no movimento do ribossomo para a capa 5 '. Uma vez no limite, o complexo de iniciação segue ao longo do mRNA na direção de 5 'para 3', procurando o códon de início de AUG. Muitos mRNAs eucarióticos são traduzidos do primeiro AUG, mas nem sempre é esse o caso. De acordo com Regras de Kozak, os nucleotídeos ao redor do AUG indicam se é o códon de início correto. As regras de Kozak afirmam que a seguinte sequência de consenso deve aparecer em torno do AUG dos genes de vertebrados: 5'-gccRccAUGG-3 '. O R (para purina) indica um local que pode ser A ou G, mas não pode ser C ou U. Essencialmente, quanto mais próxima a sequência estiver desse consenso, maior será a eficiência da tradução.

Alongamento de tradução

Durante o alongamento da tradução, o modelo de mRNA fornece especificidade. À medida que o ribossomo se move ao longo do mRNA, cada códon de mRNA fica "visível" e a ligação específica com o anticódon de tRNA carregado correspondente é assegurada. Se o mRNA não estivesse presente no complexo de alongamento, o ribossomo se ligaria aos tRNAs de forma não específica. Observe novamente o uso do emparelhamento de bases entre duas fitas antiparalelas de nucleotídeos complementares para trazer e manter nossa máquina molecular em registro e, neste caso, também para realizar o trabalho de "tradução" entre a linguagem dos nucleotídeos e dos aminoácidos.

A grande subunidade ribossômica consiste em três compartimentos: o local A liga tRNAs carregados de entrada (tRNAs com seus aminoácidos específicos anexados), o local P liga tRNAs carregados carregando aminoácidos que formaram ligações com a cadeia polipeptídica em crescimento, mas ainda não se dissociaram seu tRNA correspondente e o sítio E que libera tRNAs dissociados para que possam ser recarregados com outro aminoácido livre.

O alongamento prossegue com tRNAs carregados entrando no local A e, em seguida, mudando para o local P seguido pelo local E com cada "etapa" de códon único do ribossomo. As etapas ribossomais são induzidas por mudanças conformacionais que avançam o ribossomo em três bases na direção 3 '. A energia para cada etapa do ribossomo é doada por um fator de alongamento que hidrolisa o GTP. As ligações peptídicas se formam entre o grupo amino do aminoácido ligado ao tRNA do local A e o grupo carboxila do aminoácido ligado ao tRNA do local P. A formação de cada ligação peptídica é catalisada por peptidil transferase, uma enzima baseada em RNA que é integrada na subunidade ribossômica 50S. A energia para cada formação de ligação peptídica é derivada da hidrólise do GTP, que é catalisada por um fator de alongamento separado. O aminoácido ligado ao tRNA do sítio P também está ligado à crescente cadeia polipeptídica. À medida que o ribossomo atravessa o mRNA, o antigo tRNA do local P entra no local E, se desprende do aminoácido e é expelido. O ribossomo se move ao longo do mRNA, um códon por vez, catalisando cada processo que ocorre nos três locais. Com cada etapa, um tRNA carregado entra no complexo, o polipeptídeo torna-se um aminoácido a mais e um tRNA não carregado se afasta. Surpreendentemente, esse processo ocorre rapidamente na célula, o E. coli aparelho de tradução leva apenas 0,05 segundos para adicionar cada aminoácido, o que significa que um polipeptídeo de 200 aminoácidos poderia ser traduzido em apenas 10 segundos.

Discussão sugerida

Muitos antibióticos inibem a síntese de proteínas bacterianas. Por exemplo, a tetraciclina bloqueia o local A no ribossomo bacteriano e o cloranfenicol bloqueia a transferência de peptidil. Que efeito específico você espera que cada um desses antibióticos tenha na síntese de proteínas?

O Código Genético

Para resumir o que sabemos até este ponto, o processo celular de transcrição gera RNA mensageiro (mRNA), uma cópia molecular móvel de um ou mais genes com um alfabeto de A, C, G e uracila (U). A tradução do modelo de mRNA converte a informação genética baseada em nucleotídeos em um produto proteico. As sequências de proteínas consistem em 20 aminoácidos de ocorrência comum; portanto, pode-se dizer que o alfabeto da proteína consiste em 20 letras. Cada aminoácido é definido por uma sequência de três nucleotídeos chamada tripleto códon. A relação entre um códon de nucleotídeo e seu aminoácido correspondente é chamada de Código genético. Dados os diferentes números de “letras” no mRNA e “alfabetos” de proteínas, significa que há um total de 64 (4 × 4 × 4) códons possíveis; portanto, um determinado aminoácido (20 no total) deve ser codificado por mais de um códon.

Três dos 64 códons terminam a síntese de proteínas e liberam o polipeptídeo do mecanismo de tradução. Esses trigêmeos são chamados parar códons. Outro códon, AUG, também tem uma função especial. Além de especificar o aminoácido metionina, também serve como o códon de início para iniciar a tradução. O quadro de leitura para tradução é definido pelo códon de início AUG próximo à extremidade 5 'do mRNA. O código genético é universal. Com algumas exceções, virtualmente todas as espécies usam o mesmo código genético para a síntese de proteínas, o que é uma evidência poderosa de que toda a vida na Terra compartilha uma origem comum.

Esta figura mostra o código genético para traduzir cada tripleto de nucleotídeo, ou códon, em mRNA em um aminoácido ou um sinal de terminação em uma proteína nascente. (crédito: modificação do trabalho por NIH)
Redundante, não ambíguo

A informação no código genético é redundante. Vários códons codificam o mesmo aminoácido. Por exemplo, usando o gráfico acima, você pode encontrar 4 códons diferentes que codificam para Valina, da mesma forma, existem dois códons que codificam para Leucina, etc. Mas o código não é ambíguo, o que significa que se você recebesse um códon, Se você souber definitivamente para qual aminoácido está codificando, um códon codificará apenas para um aminoácido específico. Por exemplo, GUU sempre codificará para Valine e AUG sempre codificará para Metionina. Isso é importante, você será solicitado a traduzir um mRNA em uma proteína usando um gráfico de códons como o mostrado acima.

Rescisão de tradução

O término da tradução ocorre quando um códon de parada (UAA, UAG ou UGA) é encontrado. Quando o ribossomo encontra o códon de parada, nenhum tRNA entra no local A. Em vez disso, uma proteína conhecida como fator de liberação liga-se ao complexo. Essa interação desestabiliza a maquinaria de tradução, causando a liberação do polipeptídeo e a dissociação das subunidades do ribossomo do mRNA. Depois que muitos ribossomos completaram a tradução, o mRNA é degradado para que os nucleotídeos possam ser reutilizados em outra reação de transcrição.

Discussão sugerida

Quais são as vantagens e desvantagens de traduzir um único mRNA várias vezes?

Acoplamento entre transcrição e tradução

Como discutido anteriormente, as bactérias e arqueas não precisam transportar seus transcritos de RNA entre um núcleo ligado à membrana e o citoplasma. A RNA polimerase está, portanto, transcrevendo RNA diretamente no citoplasma. Aqui, os ribossomos podem se ligar ao RNA e iniciar o processo de tradução, em alguns casos, enquanto a transcipção ainda está ocorrendo. O acoplamento desses dois processos, e até mesmo a degradação do mRNA, é facilitado não apenas porque a transcrição e a tradução acontecem no mesmo compartimento, mas também porque ambos os processos acontecem na mesma direção - a síntese do transcrito do RNA acontece de 5 'a 3 'direção e tradução lê a transcrição na direção 5' para 3 '. Esse "acoplamento" da transcrição com a tradução ocorre tanto em bactérias quanto em arquéias e é, de fato, essencial para a expressão gênica adequada em alguns casos.

Múltiplas polimerases podem transcrever um único gene bacteriano enquanto numerosos ribossomos traduzem simultaneamente os transcritos de mRNA em polipeptídeos. Dessa forma, uma proteína específica pode atingir rapidamente uma alta concentração na célula bacteriana.

Classificação de proteínas

No contexto de um Desafio de Design de síntese de proteínas, também podemos levantar a questão / problema de como as proteínas chegam onde deveriam ir. Sabemos que algumas proteínas são destinadas à membrana plasmática, outras em células eucarióticas precisam ser direcionadas a várias organelas, algumas proteínas, como hormônios ou proteínas eliminadoras de nutrientes, são destinadas a ser secretadas pelas células, enquanto outras podem precisar ser direcionadas a partes do citosol para servir a papéis estruturais. Como isso acontece?

Uma vez que vários mecanismos foram descobertos, os detalhes desse processo não são facilmente resumidos em um ou dois parágrafos breves. No entanto, alguns elementos-chave comuns de todos os mecanismos podem ser mencionados. Em primeiro lugar, há a necessidade de uma "etiqueta" específica que possa fornecer algumas informações moleculares sobre para onde a proteína de interesse é destinada. Essa tag geralmente assume a forma de uma pequena cadeia de aminoácidos - um chamado peptídeo sinal - que pode codificar informações sobre onde a proteína deve terminar. O segundo componente necessário da máquina de classificação de proteínas deve ser um sistema para realmente ler e classificar as proteínas. Nos sistemas bacteriano e arqueado, geralmente consiste em proteínas que podem identificar o peptídeo sinal durante a tradução, ligar-se a ele e direcionar a síntese da proteína nascente para a membrana plasmática. Em sistemas eucarióticos, a classificação é necessariamente mais complexa e envolve um conjunto bastante elaborado de mecanismos de reconhecimento de sinal, modificação de proteínas e tráfego de vesículas entre organelas ou a membrana. Essas etapas bioquímicas são iniciadas no retículo endoplasmático e posteriormente "refinadas" no aparelho de Golgi, onde as proteínas são modificadas e empacotadas em vesículas ligadas por várias partes da célula.

Alguns dos vários mecanismos específicos podem ser discutidos por seu instrutor em classe. A chave para todos os alunos é apreciar o problema e ter uma ideia geral dos requisitos de alto nível que as células adotaram para resolvê-los.

Modificação de proteína pós-tradução

Após a tradução, os aminoácidos individuais podem ser modificados quimicamente. Essas modificações adicionam variação química e novas propriedades que estão enraizadas nas químicas dos grupos funcionais que estão sendo adicionados. Modificações comuns incluem grupos fosfato, grupos metil, acetato e amida. Algumas proteínas, normalmente direcionadas às membranas, serão lipidadas - um lipídio será adicionado. Outras proteínas serão glicosiladas - um açúcar será adicionado. Outra modificação pós-tradução comum é a clivagem ou ligação de partes da própria proteína. Os péptidos de sinal podem ser clivados, partes podem ser excisadas do meio da proteína ou podem ser feitas novas ligações covalentes entre a cisteína ou outras cadeias laterais de aminoácidos. Quase todas as modificações serão catalisadas por enzimas e todas alteram o comportamento funcional da proteína.

Resumo da Seção

O mRNA é usado para sintetizar proteínas pelo processo de tradução. O código genético é a correspondência entre o códon do mRNA de três nucleotídeos e um aminoácido. O código genético é “traduzido” pelas moléculas de tRNA, que associam um códon específico a um aminoácido específico. O código genético é degenerado porque 64 códons tripletos no mRNA especificam apenas 20 aminoácidos e três códons de parada. Isso significa que mais de um códon corresponde a um aminoácido. Quase todas as espécies do planeta usam o mesmo código genético.


Os atores na tradução incluem o modelo de mRNA, ribossomos, tRNAs e vários fatores enzimáticos. A pequena subunidade ribossômica se liga ao modelo de mRNA. A tradução começa no AUG inicial no mRNA. A formação de ligações ocorre entre aminoácidos sequenciais especificados pelo modelo de mRNA de acordo com o código genético. O ribossomo aceita tRNAs carregados e, à medida que avança ao longo do mRNA, catalisa a ligação entre o novo aminoácido e o fim do polipeptídeo em crescimento. Todo o mRNA é traduzido em "etapas" de três nucleotídeos do ribossomo. Quando um códon de parada é encontrado, um fator de liberação se liga e dissocia os componentes e libera a nova proteína.