Tradução (biologia) - Translation (biology)

Visão geral da tradução do RNA mensageiro eucariótico
Diagrama mostrando a tradução de mRNA e a síntese de proteínas por um ribossomo
Estágios de iniciação e alongamento da tradução, vistos por meio do zoom nas bases nitrogenadas do RNA, o ribossomo, o tRNA e os aminoácidos, com breves explicações.
As três fases da polimerase de iniciação da tradução se ligam à fita de DNA e se movem até que a pequena subunidade ribossômica se ligue ao DNA. O alongamento é iniciado quando a subunidade grande se anexa e a terminação finaliza o processo de alongamento.

Em biologia molecular e genética , tradução é o processo pelo qual os ribossomos do citoplasma ou retículo endoplasmático sintetizam proteínas após o processo de transcrição de DNA para RNA no núcleo da célula . Todo o processo é denominado expressão gênica .

Na tradução, o RNA mensageiro (mRNA) é decodificado em um ribossomo, fora do núcleo, para produzir uma cadeia de aminoácidos específica , ou polipeptídeo . O polipeptídeo posteriormente se dobra em uma proteína ativa e desempenha suas funções na célula. O ribossomo facilita a decodificação induzindo a ligação de sequências anticódon de tRNA complementares a códons de mRNA . Os tRNAs carregam aminoácidos específicos que são encadeados em um polipeptídeo conforme o mRNA passa e é "lido" pelo ribossomo.

A tradução ocorre em três fases:

  1. Iniciação : O ribossomo se reúne em torno do mRNA alvo. O primeiro tRNA é anexado ao códon de início .
  2. Alongamento : O último tRNA validado pela pequena subunidade ribossômica ( acomodação ) transfere o aminoácido que carrega para a grande subunidade ribossômica que o liga a um do tRNA previamente admitido ( transpeptidação ). O ribossomo então se move para o próximo códon do mRNA para continuar o processo ( translocação ), criando uma cadeia de aminoácidos.
  3. Terminação : quando um códon de parada é alcançado, o ribossomo libera o polipeptídeo. O complexo ribossomal permanece intacto e segue para o próximo mRNA a ser traduzido.

Em procariotos (bactérias e arquéias), a tradução ocorre no citosol, onde as subunidades grandes e pequenas do ribossomo se ligam ao mRNA. Nos eucariotos , a tradução ocorre no citoplasma ou através da membrana do retículo endoplasmático em um processo denominado translocação co-translacional . Na translocação co-translacional, todo o complexo ribossomo / mRNA se liga à membrana externa do retículo endoplasmático rugoso (RE) e a nova proteína é sintetizada e liberada no RE; o polipeptídeo recém-criado pode ser armazenado dentro do ER para transporte e secreção de vesículas futuras para fora da célula, ou imediatamente secretado.

Muitos tipos de RNA transcrito, como o RNA de transferência, o RNA ribossômico e o pequeno RNA nuclear, não são traduzidos em proteínas.

Vários antibióticos atuam inibindo a tradução. Estes incluem anisomicina , cicloheximida , cloranfenicol , tetraciclina , estreptomicina , eritromicina e puromicina . Os ribossomos procarióticos têm uma estrutura diferente daquela dos ribossomos eucarióticos e, portanto, os antibióticos podem ter como alvo específico as infecções bacterianas sem qualquer dano às células do hospedeiro eucariótico .

Mecanismos básicos

Ribossomo que traduz uma proteína secretada no retículo endoplasmático . Os tRNAs são coloridos em azul escuro.
Estrutura terciária do tRNA. Cauda CCA em amarelo, haste do aceitador em roxo, Laço variável em laranja, braço D em vermelho, braço Anticodon em azul com Anticodon em preto, braço T em verde.

O processo básico de produção de proteínas é a adição de um aminoácido de cada vez ao final de uma proteína. Esta operação é realizada por um ribossomo . Um ribossomo é composto de duas subunidades, uma pequena subunidade e uma grande subunidade. Estas subunidades vêm juntas antes da tradução do mRNA em uma proteína para fornecer um local para a tradução a ser realizada e um polipeptídeo a ser produzido. A escolha do tipo de aminoácido a ser adicionado é determinada por uma molécula de mRNA . Cada aminoácido adicionado é correspondido a uma subsequência de três nucleotídeos do mRNA. Para cada tripleto possível, o aminoácido correspondente é aceito. Os sucessivos aminoácidos adicionados à cadeia são combinados a sucessivos tripletos de nucleotídeos no mRNA. Deste modo, a sequência de nucleótidos na cadeia molde do ARNm determina a sequência de aminoácidos na cadeia de aminoácidos gerada. A adição de um aminoácido ocorre no terminal N do peptídeo e, portanto, a tradução é dita ser dirigida de carboxil para amino.

O mRNA carrega informações genéticas codificadas como uma sequência de ribonucleotídeos dos cromossomos para os ribossomos. Os ribonucleotídeos são "lidos" pelo mecanismo de tradução em uma sequência de tripletos de nucleotídeos chamados códons. Cada um desses trigêmeos codifica um aminoácido específico .

As moléculas de ribossomo traduzem esse código em uma sequência específica de aminoácidos. O ribossomo é uma estrutura de várias subunidades contendo rRNA e proteínas. É a "fábrica" ​​onde os aminoácidos são montados em proteínas. Os tRNAs são pequenas cadeias de RNA não codificantes (74-93 nucleotídeos) que transportam aminoácidos para o ribossomo. Os tRNAs têm um local para fixação de aminoácidos e um local denominado anticódon. O anticódon é um tripleto de RNA complementar ao tripleto de mRNA que codifica seu aminoácido de carga .

As aminoacil tRNA sintetases ( enzimas ) catalisam a ligação entre tRNAs específicos e os aminoácidos que suas sequências anticódon exigem. O produto desta reação é um aminoacil-tRNA . Em bactérias, este aminoacil-tRNA é transportado para o ribossomo por EF-Tu , onde os códons de mRNA são combinados por meio de emparelhamento de bases complementares a anticódons de tRNA específicos . Aminoacil-tRNA sintetases que pareiam incorretamente os tRNAs com os aminoácidos errados podem produzir aminoacil-tRNAs com carga incorreta, o que pode resultar em aminoácidos inadequados na respectiva posição na proteína. Essa "tradução incorreta" do código genético ocorre naturalmente em níveis baixos na maioria dos organismos, mas certos ambientes celulares causam um aumento na decodificação permissiva do mRNA, às vezes em benefício da célula.

O ribossomo tem dois locais de ligação para o tRNA. Eles são o local aminoacil (abreviado A), o local peptidil / local de saída (abreviado P / E). Com relação ao mRNA, os três locais são orientados 5 'para 3' EPA, porque os ribossomos se movem em direção à extremidade 3 'do mRNA. O sítio A liga o tRNA de entrada com o códon complementar no mRNA. O sítio P / E contém o tRNA com a cadeia polipeptídica em crescimento. Quando um aminoacil-tRNA se liga inicialmente ao seu códon correspondente no mRNA, ele está no local A. Então, uma ligação peptídica se forma entre o aminoácido do tRNA no local A e o aminoácido do tRNA carregado no local P / E. A cadeia polipeptídica em crescimento é transferida para o tRNA no local A. A translocação ocorre, movendo o tRNA no local P / E, agora sem um aminoácido; o tRNA que estava no local A, agora carregado com a cadeia polipeptídica, é movido para o local P / E e o tRNA sai e outro aminoacil-tRNA entra no local A para repetir o processo.

Depois que o novo aminoácido é adicionado à cadeia, e depois que o tRNA é liberado do ribossomo para o citosol, a energia fornecida pela hidrólise de um GTP ligada à translocase EF-G (em bactérias ) e a / eEF -2 (em eucariotos e arquéias ) move o ribossomo um códon para baixo em direção à extremidade 3 ' . A energia necessária para a tradução de proteínas é significativa. Para uma proteína contendo n aminoácidos, o número de ligações fosfato de alta energia necessárias para traduzi-la é 4 n -1. A taxa de tradução varia; é significativamente maior em células procarióticas (até 17-21 resíduos de aminoácidos por segundo) do que em células eucarióticas (até 6-9 resíduos de aminoácidos por segundo).

Mesmo que os ribossomos sejam geralmente considerados máquinas de processamento preciso, o processo de tradução está sujeito a erros que podem levar à síntese de proteínas errôneas ou ao abandono prematuro da tradução. A taxa de erro na síntese de proteínas foi estimada entre 1/10 5 e 1/10 3 aminoácidos incorporados incorretamente, dependendo das condições experimentais. A taxa de abandono prematuro da tradução, em vez disso, foi estimada em cerca de 10-4 eventos por códon traduzido. O aminoácido correto é covalentemente ligado ao RNA de transferência correto (tRNA) por aminoacil transferases. O aminoácido é unido por seu grupo carboxila ao 3 'OH do tRNA por uma ligação éster . Quando o tRNA tem um aminoácido ligado a ele, o tRNA é denominado "carregado". A iniciação envolve a pequena subunidade do ribossomo que se liga à extremidade 5 'do mRNA com a ajuda de fatores de iniciação (FI). Em bactérias e em uma minoria de arquéias, a iniciação da síntese de proteínas envolve o reconhecimento de uma sequência de iniciação rica em purinas no mRNA chamada sequência Shine-Delgarno. A sequência Shine-Delgarno se liga a uma sequência complementar rica em pirimidina na extremidade 3 'da parte do rRNA 16S da subunidade ribossômica 30S. A ligação dessas sequências complementares garante que a subunidade ribossômica 30S está ligada ao mRNA e está alinhada de modo que o códon de iniciação seja colocado na porção 30S do sítio P. Uma vez que o mRNA e a subunidade 30S estão devidamente ligados, um fator de iniciação traz o complexo iniciador tRNA-aminoácido, f-Met-tRNA, para o local 30S P. A fase de iniciação é concluída quando uma subunidade 50S se junta à subunidade 30, formando um ribossomo 70S ativo. A terminação do polipeptídeo ocorre quando o sítio A do ribossomo é ocupado por um códon de parada (UAA, UAG ou UGA) no mRNA. tRNA geralmente não pode reconhecer ou se ligar aos códons de parada. Em vez disso, o códon de parada induz a ligação de uma proteína de fator de liberação . (RF1 e RF2) que solicita a desmontagem de todo o complexo ribossomo / mRNA pela hidrólise da cadeia polipeptídica do centro de peptidil transferase do ribossomo Drogas ou motivos de sequência especial no mRNA podem alterar a estrutura ribossômica de modo que tRNAs quase cognatos são vinculados ao códon de parada em vez dos fatores de liberação. Em tais casos de 'leitura translacional', a tradução continua até que o ribossomo encontre o próximo códon de parada.

O processo de tradução é altamente regulado em organismos eucarióticos e procarióticos. A regulação da tradução pode impactar a taxa global de síntese de proteínas, que está intimamente ligada ao estado metabólico e proliferativo de uma célula. Além disso, um trabalho recente revelou que as diferenças genéticas e sua expressão subsequente como mRNAs também podem impactar a taxa de tradução de uma maneira específica do RNA.

Significado clínico

O controle translacional é crítico para o desenvolvimento e sobrevivência do câncer . As células cancerosas devem frequentemente regular a fase de tradução da expressão gênica, embora não seja totalmente compreendido por que a tradução é direcionada a etapas como a transcrição. Embora as células cancerosas frequentemente tenham fatores de tradução alterados geneticamente, é muito mais comum que as células cancerosas modifiquem os níveis dos fatores de tradução existentes. Várias das principais vias de sinalização oncogênica, incluindo as vias RAS – MAPK , PI3K / AKT / mTOR , MYC e WNT – β-catenina , acabam reprogramando o genoma por meio da tradução. As células cancerosas também controlam a tradução para se adaptar ao estresse celular. Durante o estresse, a célula traduz mRNAs que podem mitigar o estresse e promover a sobrevivência. Um exemplo disso é a expressão da AMPK em vários tipos de câncer; sua ativação desencadeia uma cascata que pode, em última instância, permitir que o câncer escape da apoptose (morte celular programada) desencadeada pela privação de nutrição. Futuras terapias contra o câncer podem envolver a interrupção da maquinaria de tradução da célula para combater os efeitos do câncer a jusante.

Modelagem matemática da tradução

Figura M0. O modelo básico e mais simples M0 de síntese de proteínas. Aqui, * M - quantidade de mRNA com sítio de iniciação da tradução não ocupado pelo ribossomo de montagem, * F - quantidade de mRNA com sítio de iniciação da tradução ocupado pelo ribossomo de montagem, * R - quantidade de ribossomos assentados em proteínas de síntese de mRNA, * P - quantidade de proteínas sintetizadas.
Figura M1 '. O modelo estendido de síntese de proteínas M1 com apresentação explícita de 40S, 60S e ligação de fatores de iniciação (IF).

A descrição do processo de transcrição-tradução, mencionando apenas os processos "elementares" mais básicos, consiste em:

  1. produção de moléculas de mRNA (incluindo splicing),
  2. iniciação dessas moléculas com a ajuda de fatores de iniciação (por exemplo, a iniciação pode incluir a etapa de circularização, embora não seja universalmente necessária),
  3. iniciação da tradução, recrutando a pequena subunidade ribossômica,
  4. montagem de ribossomos completos,
  5. alongamento, (ou seja, movimento de ribossomos ao longo do mRNA com produção de proteína),
  6. rescisão da tradução,
  7. degradação de moléculas de mRNA,
  8. degradação de proteínas.

O processo de construção de aminoácidos para criar proteínas na tradução é um assunto de vários modelos físicos por um longo tempo, começando a partir dos primeiros modelos cinéticos detalhados, tais como ou outros, levando em consideração aspectos estocásticos da tradução e usando simulações de computador. Muitos modelos de síntese de proteínas baseados na cinética química foram desenvolvidos e analisados ​​nas últimas quatro décadas. Além da cinética química, vários formalismos de modelagem, como Processo de Exclusão Simples Totalmente Assimétrico (TASEP) , Redes Booleanas Probabilísticas (PBN) , Redes de Petri e álgebra max-plus foram aplicados para modelar a cinética detalhada da síntese de proteínas ou alguns de seus estágios. Um modelo básico de síntese de proteínas que levou em consideração todos os oito processos 'elementares' foi desenvolvido, seguindo o paradigma de que " modelos úteis são simples e extensíveis". O modelo mais simples M0 é representado pelo mecanismo cinético de reação (Figura M0). Foi generalizado para incluir 40S, 60S e a ligação de fatores de iniciação (IF) (Figura M1 '). Foi estendido ainda mais para incluir o efeito do microRNA na síntese de proteínas. A maioria dos modelos nesta hierarquia pode ser resolvida analiticamente. Essas soluções foram usadas para extrair 'assinaturas cinéticas' de diferentes mecanismos específicos de regulação da síntese.

Código genético

Enquanto outros aspectos, como a estrutura 3D, chamada estrutura terciária , da proteína só podem ser previstos usando algoritmos sofisticados , a sequência de aminoácidos, chamada estrutura primária , pode ser determinada apenas a partir da sequência de ácido nucleico com o auxílio de uma tabela de tradução .

Esta abordagem pode não fornecer a composição de aminoácidos correta da proteína, em particular se aminoácidos não convencionais , como selenocisteína, forem incorporados à proteína, que é codificada por um códon de parada convencional em combinação com um grampo de cabelo a jusante (Sequência de Inserção SElenoCisteína, ou SECIS).

Existem muitos programas de computador capazes de traduzir uma sequência de DNA / RNA em uma sequência de proteína. Normalmente, isso é realizado usando o Código Genético Padrão, no entanto, poucos programas podem lidar com todos os casos "especiais", como o uso de códons de iniciação alternativos que são biologicamente significativos. Por exemplo, o códon de início alternativo raro CTG codifica para metionina quando usado como um códon de início e para leucina em todas as outras posições.

Exemplo: Tabela de tradução condensada para o Código Genético Padrão (da página da Web Taxonomia NCBI ).

 AAs    = FFLLSSSSYY**CC*WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVAAAADDEEGGGG
 Starts = ---M---------------M---------------M----------------------------
 Base1  = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGG
 Base2  = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGG
 Base3  = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG

A linha "Starts" indica três códons iniciais, UUG, CUG e o AUG muito comum. Também indica o primeiro resíduo de aminoácido quando interpretado como um início: neste caso, é tudo metionina.

Tabelas de tradução

Mesmo ao trabalhar com sequências eucarióticas comuns, como o genoma da levedura , é frequentemente desejável ser capaz de usar tabelas de tradução alternativas - nomeadamente para a tradução dos genes mitocondriais. Atualmente, as seguintes tabelas de tradução são definidas pelo Grupo de Taxonomia NCBI para a tradução das sequências no GenBank :

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Champe PC, Harvey RA, Ferrier DR (2004). Lippincott's Illustrated Reviews: Biochemistry (3rd ed.). Hagerstwon, MD: Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 0-7817-2265-9.
  • Cox M, Nelson DR, Lehninger AL (2005). Princípios de bioquímica de Lehninger (4ª ed.). São Francisco ...: WH Freeman. ISBN 0-7167-4339-6.
  • Malys N, McCarthy JE (março de 2011). "Iniciação da tradução: podem-se antecipar variações no mecanismo". Cellular and Molecular Life Sciences . 68 (6): 991–1003. doi : 10.1007 / s00018-010-0588-z . PMID  21076851 . S2CID  31720000 .

links externos