Biology · Livro 2 · Grades 10–12

Biologia do ensino médio

Biologia do ensino médio · Grades 10–12

14Do gene à proteína

Em 1961 um bioquímico alimentou um extrato de bactérias sem células com um RNA artificial feito apenas da letra U, repetida. O extrato fabricou uma proteína feita de um único aminoácido, a fenilalanina, repetido. Com esse único experimento foi lida a primeira palavra do código genético: UUU quer dizer fenilalanina. Em cinco anos as sessenta e quatro palavras eram conhecidas, e mostraram ser as mesmas palavras numa bactéria, num pé de trigo e num ser humano. Este capítulo segue o caminho que vai da sequência de nucleotídeos de um gene à sequência de aminoácidos de uma proteína — o caminho que toda característica do Capítulo 13 percorre.

14.1 Os genes fabricam proteínas

Proposição 14.1 (Um gene, uma proteína)

Um gene é expresso quando a célula usa a sequência dele para fabricar a proteína que ele codifica. A maioria das características depende de proteínas — enzimas, fibras estruturais, transportadores, receptores — e uma mutação muda uma característica mudando a proteína que o gene dela produz.

Evidências. Beadle e Tatum (1941) irradiaram esporos de um bolor do pão e recolheram mutantes que não conseguiam mais crescer em meio mínimo a não ser que uma substância específica, como o aminoácido arginina, fosse acrescentada. Cada mutante não tinha uma enzima da cadeia de reações que fabrica essa substância; cada defeito era herdado como um único gene; e mutantes bloqueados em etapas diferentes da mesma cadeia carregavam mutações em genes diferentes. Um gene, uma enzima — e, como o trabalho posterior generalizou, um gene, uma cadeia polipeptídica. ∎

Definição 14.2 (Proteína, sequência de aminoácidos)

Uma proteína é uma cadeia de aminoácidos, de algumas dezenas a vários milhares de unidades, tirados de um conjunto de vinte tipos. A sequência — a ordem dos aminoácidos — é o que o gene especifica; uma vez fabricada, a cadeia se dobra numa forma tridimensional definida, determinada por essa sequência, e a forma determina a função. Mude um aminoácido e o dobramento, e a função, podem mudar.

14.2 A transcrição: o gene copiado em RNA

Definição 14.3 (RNA mensageiro e transcrição)

O RNA (ácido ribonucleico) é uma cadeia de fita simples de nucleotídeos como os do DNA, exceto que o açúcar dele é a ribose e a base uracila (U) substitui a timina (T). A transcrição é a cópia da sequência de um gene numa molécula de RNA mensageiro (mRNA): a enzima RNA polimerase abre a dupla-hélice ao longo do gene, lê uma das fitas (a fita molde) e monta o RNA complementar, U diante de A, A diante de T, G diante de C e C diante de G. O mRNA tem a sequência da outra fita do gene, com U no lugar de T; ele sai do núcleo para o citoplasma.

A transcrição. A RNA polimerase abre a hélice, lê a fita molde e constrói um RNA mensageiro complementar a ela (U no lugar de T). Atrás da enzima a hélice se fecha de novo; o RNA se desprende.
A transcrição. A RNA polimerase abre a hélice, lê a fita molde e constrói um RNA mensageiro complementar a ela (U no lugar de T). Atrás da enzima a hélice se fecha de novo; o RNA se desprende.

Exemplo 14.4 (Um transcrito)

A fita molde 3’-TAC GGA CTT ATC-5’ dá o mRNA 5’-AUG CCU GAA UAG-3’. A outra fita do gene diz 5’-ATG CCT GAA TAG-3’: o mRNA é a sequência dessa fita com U no lugar de T, e é por isso que as sequências dos genes são escritas por convenção como essa fita, a fita codificadora.

14.3 O código genético

Definição 14.5 (Códon e código genético)

O mRNA é lido em grupos consecutivos de três nucleotídeos, os códons, a partir de um ponto de partida definido. O código genético é a correspondência entre os 64 códons possíveis e os 20 aminoácidos: 61 códons especificam um aminoácido, três (UAA, UAG, UGA) são sinais de parada que encerram a cadeia, e AUG, que especifica a metionina, serve também de códon de início. O código é degenerado — a maioria dos aminoácidos tem vários códons — e universal: a mesma tabela serve a todo organismo conhecido, com raras variantes menores.

segunda letra
primeiraUCAGterceira
UUUU PheUCU SerUAU TyrUGU CysU
UUC PheUCC SerUAC TyrUGC CysC
UUA LeuUCA SerUAA paradaUGA paradaA
UUG LeuUCG SerUAG paradaUGG TrpG
CCUU LeuCCU ProCAU HisCGU ArgU
CUC LeuCCC ProCAC HisCGC ArgC
CUA LeuCCA ProCAA GlnCGA ArgA
CUG LeuCCG ProCAG GlnCGG ArgG
AAUU IleACU ThrAAU AsnAGU SerU
AUC IleACC ThrAAC AsnAGC SerC
AUA IleACA ThrAAA LysAGA ArgA
AUG MetACG ThrAAG LysAGG ArgG
GGUU ValGCU AlaGAU AspGGU GlyU
GUC ValGCC AlaGAC AspGGC GlyC
GUA ValGCA AlaGAA GluGGA GlyA
GUG ValGCG AlaGAG GluGGG GlyG
O código genético, lido no mRNA. Cada códon é encontrado pela primeira letra dele (linha do bloco), pela segunda (coluna) e pela terceira (linha dentro do bloco). AUG é ao mesmo tempo a metionina e o sinal de início; três códons são de parada.

Proposição 14.6 (Como o código foi lido)

O significado de cada códon foi estabelecido experimentalmente.

Evidências. Nirenberg e Matthaei (1961) acrescentaram RNA sintético de um único nucleotídeo repetido a um extrato sem células que continha ribossomos, aminoácidos e as enzimas da síntese de proteínas: o poli-U rendeu uma cadeia de fenilalaninas, o poli-C uma cadeia de prolinas, o poli-A de lisinas. RNAs sintéticos de pares e de trios repetidos e, mais tarde, a ligação de trios isolados a ribossomos atribuíram os códons restantes até 1966. O comprimento de três letras tinha sido deduzido da aritmética (duas letras dão só 16 combinações, poucas demais para 20 aminoácidos; três dão 64) e confirmado por mutações: inserir um ou dois nucleotídeos num gene destrói a proteína dele, inserir três restaura uma proteína quase normal. ∎

Método 14.7 (Traduzir uma sequência)

  1. Escreva a fita codificadora (ou transcreva a fita molde): troque T por U para obter o mRNA.
  2. Encontre o primeiro AUG: ele é o início, e o quadro de leitura fica fixado a partir dele.
  3. Corte o mRNA em trios consecutivos a partir do AUG e leia cada um na tabela.
  4. Pare no primeiro códon de parada; os aminoácidos listados, em ordem, são a sequência da proteína.
  5. Para um mutante, repita e compare: mesma proteína (silenciosa), um aminoácido trocado (de sentido trocado), parada prematura (sem sentido), tudo mudado depois da mutação (deslocamento do quadro de leitura).

Exemplo 14.8 (Quatro mutações, quatro desfechos)

Fita codificadora ATG CCT GAA TTC TAG: mRNA AUG CCU GAA UUC UAG, proteína Met–Pro–Glu–Phe.

  • ATG CCC GAA TTC TAG: CCC continua sendo Pro — silenciosa.
  • ATG CCT GCA TTC TAG: GCA é Ala — Met–Pro–Ala–Phe, de sentido trocado.
  • ATG CCT TAA TTC TAG: UAA é parada — Met–Pro, sem sentido, uma proteína truncada.
  • ATG CCAT GAA TTC TAG: um A inserido desloca o quadro: AUG CCA UGA… Met–Pro–parada — deslocamento do quadro de leitura.

14.4 A tradução: a mensagem lida

Proposição 14.9 (A tradução)

A tradução acontece nos ribossomos, no citoplasma. Um ribossomo se liga ao mRNA no códon de início dele e avança ao longo dele, códon a códon. Cada códon é reconhecido por um RNA transportador (tRNA), um pequeno RNA que carrega, numa extremidade, o anticódon de três nucleotídeos complementar ao códon e, na outra, o aminoácido correspondente. O ribossomo une cada aminoácido trazido à cadeia em crescimento e libera o tRNA vazio; num códon de parada ele libera a cadeia terminada, que se dobra. Vários ribossomos leem um mesmo mRNA em sequência, e um mRNA rende centenas de cópias da proteína antes de ser degradado.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

A tradução. O ribossomo abriga dois códons; um tRNA cujo anticódon combina com cada códon traz o aminoácido dele, a cadeia é transferida para o recém-chegado, e o ribossomo avança um códon. Num códon de parada a cadeia é liberada.
A tradução. O ribossomo abriga dois códons; um tRNA cujo anticódon combina com cada códon traz o aminoácido dele, a cadeia é transferida para o recém-chegado, e o ribossomo avança um códon. Num códon de parada a cadeia é liberada.

Exemplo 14.10 (Velocidade e produção)

Um ribossomo acrescenta de 5 a 20 aminoácidos por segundo: uma proteína de 300 aminoácidos leva menos de um minuto. Os ribossomos se seguem uns aos outros num mRNA a cerca de 80 nucleotídeos de distância, de modo que uma mensagem de 900 nucleotídeos carrega uma dúzia deles ao mesmo tempo; ao longo da vida de algumas horas, um único mRNA produz mil moléculas de proteína. Uma célula de E. coli fabrica umas 20 00020\,000 moléculas de proteína por segundo; a precursora de uma hemácia, umas 5×1085 \times 10^{8} moléculas de hemoglobina ao longo da vida dela.

14.5 Um gene, várias mensagens

Proposição 14.11 (Maturação da mensagem nos eucariontes)

Nas células eucarióticas a sequência de um gene é interrompida por íntrons, segmentos que são transcritos mas depois recortados do RNA antes de ele deixar o núcleo; os segmentos conservados e unidos ponta a ponta, os éxons, formam o mRNA maduro. Muitos genes podem ser recortados de mais de um jeito, conservando conjuntos diferentes de éxons (o splicing alternativo), de modo que um gene rende vários mRNAs distintos e várias proteínas aparentadas: os 20 00020\,000 genes humanos codificam bem mais de 100 000100\,000 proteínas.

Demonstração. Admitido neste nível. ∎

Um gene eucariótico é transcrito inteiro, e depois os íntrons são removidos. Conservar todos os éxons, ou deixar um de fora, dá dois mRNAs e duas proteínas a partir do mesmo gene.
Um gene eucariótico é transcrito inteiro, e depois os íntrons são removidos. Conservar todos os éxons, ou deixar um de fora, dá dois mRNAs e duas proteínas a partir do mesmo gene.

Observação 14.12 (O fluxo da informação)

O DNA é transcrito em RNA, o RNA é traduzido em proteína, e a proteína faz a característica: a informação flui num sentido só. Uma proteína mudada nunca reescreve o gene, e é por isso que uma vida inteira de treinamento ou de queimaduras de sol não é herdada, e por que só as mutações do DNA (Capítulo 13) mudam o que a geração seguinte recebe. Os mesmos três passos correm em toda célula de todo organismo, no mesmo código: a universalidade do Capítulo 3, agora até a última palavra.

14.6 Exercícios

Exercício 14.1 ★

Dê três diferenças entre o DNA e o RNA.

Solução

Solução de Exercício 14.1.

O RNA é de fita simples, o açúcar dele é a ribose, e ele usa uracila no lugar da timina (ele também é de vida curta e deixa o núcleo).

Exercício 14.2 ★

Transcreva a fita molde 3’-TAC CGA AAA ATT-5’ em mRNA.

Solução

Solução de Exercício 14.2.

5’-AUG GCU UUU UAA-3’.

Exercício 14.3 ★

Traduza o mRNA AUG GGC AAA UGU UAA com a tabela do código.

Solução

Solução de Exercício 14.3.

Met–Gly–Lys–Cys, depois parada.

Exercício 14.5 ★

Por que o código precisa usar pelo menos três nucleotídeos por aminoácido?

Solução

Solução de Exercício 14.5.

Com 4 letras, palavras de duas dão 42=164^2 = 16 combinações, menos que os 20 aminoácidos; palavras de três dão 64, o que basta.

Exercício 14.6 ★★

Uma proteína tem 412 aminoácidos. Qual é o comprimento mínimo da parte codificadora do mRNA dela, códon de parada incluído, e do gene correspondente em pares de bases?

Solução

Solução de Exercício 14.6.

412×3+3=1239412 \times 3 + 3 = 1239 nucleotídeos; um gene de pelo menos 1239 pares de bases (mais num eucarionte, com íntrons).

Exercício 14.7 ★★

A fita codificadora ATG AAA GGC TGG TAA sofre mutação para ATG AAA GGC TGA TAA. Dê as duas proteínas e classifique a mutação.

Solução

Solução de Exercício 14.7.

Original: Met–Lys–Gly–Trp. Mutante: UGA é parada, logo Met–Lys–Gly: uma mutação sem sentido, que trunca a proteína.

Exercício 14.8 ★★

Mesma sequência de partida, mutada para ATG AAG GGC TGG TAA e para ATG AAA GGG CTG GTA A. Classifique cada uma e dê as proteínas.

Solução

Solução de Exercício 14.8.

O AAG continua sendo Lys: silenciosa, Met–Lys–Gly–Trp inalterada. A segunda é uma inserção de G que desloca o quadro: AUG AAA GGG CUG GUA A… Met–Lys–Gly–Leu–Val…, um deslocamento do quadro de leitura sem parada no fragmento.

Exercício 14.9 ★★

Explique por que uma substituição na terceira posição de um códon é muitas vezes silenciosa, usando a tabela.

Solução

Solução de Exercício 14.9.

Na maioria dos blocos da tabela, os quatro códons que compartilham as duas primeiras letras especificam o mesmo aminoácido (Pro, Thr, Ala, Gly, Val, Ser, Leu…): mudar a terceira letra não muda nada então. A degeneração do código está principalmente na terceira posição.

Exercício 14.10 ★★

O RNA poli-UC (UCUCUCUC…) dá uma proteína que alterna serina e leucina. Mostre que isso é compatível com um código de três letras e use o fato para atribuir dois códons.

Solução

Solução de Exercício 14.10.

Lido de três em três, UCU CUC UCU CUC… alterna dois códons, UCU e CUC, de modo que a proteína alterna dois aminoácidos — como se observou. Com um código de duas letras a mesma repetição daria um único códon e um único aminoácido. Como o poli-U dá Phe e, na tabela, UCU é Ser e CUC é Leu, o experimento atribui UCU a Ser e CUC a Leu (ou o inverso, resolvido por outros experimentos).

Exercício 14.11 ★★

Um gene humano de 30 00030\,000 pares de bases produz uma proteína de 500 aminoácidos. Explique a discrepância.

Solução

Solução de Exercício 14.11.

Só 1503 pares de bases são necessários à sequência codificadora; o resto são íntrons, transcritos e depois recortados do pré-mRNA, mais sequências reguladoras nas extremidades do gene.

Exercício 14.12 ★★★

Um medicamento bloqueia os ribossomos bacterianos, mas não os humanos. Explique por que ele pode ser um antibiótico, e o que a existência dele implica sobre os ribossomos dos dois grupos.

Solução

Solução de Exercício 14.12.

Bloquear a tradução mata a bactéria e deixa as células do paciente funcionando. A seletividade do medicamento implica que os ribossomos bacterianos e os humanos, embora façam o mesmo trabalho com o mesmo código, diferem o bastante em estrutura para uma molécula se ligar a um e não ao outro — uma diferença acumulada desde a separação deles.

Exercício 14.13 ★★★

Explique como o gene da água-viva do Capítulo 3 pôde ser lido por um camundongo, no vocabulário deste capítulo, e o que aconteceria se o camundongo usasse outro código.

Solução

Solução de Exercício 14.13.

A RNA polimerase do camundongo transcreveu o gene da água-viva, e os ribossomos e os tRNAs dele traduziram o mRNA com a mesma tabela de códons, de modo que foi fabricada a mesma sequência de aminoácidos e, portanto, a mesma proteína fluorescente. Com um código diferente, os códons seriam lidos como outros aminoácidos e a proteína seria uma cadeia sem sentido e sem fluorescência.

Exercício 14.14 ★★★

Uma mutação muda o tRNA cujo anticódon lê UAG, de modo que ele passa a carregar um aminoácido em vez de parar. Preveja o efeito dela sobre as proteínas da célula em geral, e sobre um gene mutante que carregue um UAG prematuro.

Solução

Solução de Exercício 14.14.

O UAG deixaria de interromper a tradução: toda proteína cujo gene termina em UAG seria estendida além do fim normal dela, muitas vezes perdendo a função — um prejuízo generalizado. Mas um gene truncado por um UAG prematuro passaria a ser lido até o fim, restaurando uma proteína de comprimento quase completo: a segunda mutação suprime a primeira.

Exercício 14.15 ★★★

Discuta por que um deslocamento do quadro de leitura perto do início de um gene é quase sempre pior que um perto do fim, e por que uma mutação de sentido trocado pode ser qualquer coisa entre inofensiva e fatal.

Solução

Solução de Exercício 14.15.

Um deslocamento do quadro embaralha tudo o que vem depois e em geral encontra uma parada em poucos códons: perto do início, praticamente nenhuma proteína correta é fabricada; perto do fim, a maior parte da proteína fica intacta e ainda pode se dobrar e funcionar. Uma mutação de sentido trocado muda um aminoácido: inofensiva se aquela posição tolerar a mudança, fatal se ela estiver no sítio ativo ou romper o dobramento — o efeito depende de qual aminoácido, e onde.

14.7 Problema: um gene lido de quatro maneiras

Problema 14.1

Problema de fim de semana — um gene curto transcrito, traduzido, mutado três vezes e cronometrado: do DNA aos aminoácidos, e os sessenta segundos que uma proteína leva

A fita codificadora de um gene curto diz:

ATG GCT TGG AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA

Parte I — Ler o gene.

  1. Escreva a fita molde.
  2. Escreva o mRNA transcrito a partir do gene.
  3. Traduza-o, códon a códon, e dê a sequência de aminoácidos da proteína.
  4. Quantos aminoácidos a proteína contém, e quantos nucleotídeos do mRNA são usados para especificá-los, parada incluída?
  5. Que códon começou a leitura, e o que fixa o quadro de leitura para todos os outros?

Parte II — Três mutantes.

  1. Mutante 1: ATG GCT TGG AAA CCG GAA TAC GGT CAT TTC TGA. Dê a proteína e classifique a mutação.
  2. Mutante 2: ATG GCT TGG AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA com o nono códon CAT substituído por CGT. Dê a proteína e classifique.
  3. Mutante 3: ATG GCT TGA AAA CCC GAA TAC GGT CAT TTC TGA. Dê a proteína e classifique. Que substituição única a produziu?
  4. Mutante 4: um T é inserido depois do sexto nucleotídeo: ATG GCT TTG GAA ACC CGA ATA CGG TCA TTT CTG A. Dê a proteína e classifique.
  5. Ordene os quatro mutantes do menos ao mais destrutivo para a proteína e justifique.

Parte III — Por que o código é o que é.

  1. Quantos códons especificam a leucina? E a serina? E o triptofano? Que aminoácido tem mais chance de ser trocado por uma substituição aleatória no códon dele, e qual tem menos?
  2. Calcule a fração de todas as substituições na terceira posição de um códon de leucina CUx que são silenciosas.
  3. Explique por que um código de duas letras não funcionaria, e por que um código de quatro não é necessário.
  4. O poli-U dá poli-fenilalanina e o poli-A dá poli-lisina. Que entradas da tabela esses dois experimentos estabelecem?
  5. O código é o mesmo na bactéria e num ser humano. Enuncie a consequência para a transgênese e a consequência para o parentesco.

Parte IV — Cronometrar a fábrica. Um ribossomo acrescenta 10 aminoácidos por segundo e os ribossomos se seguem uns aos outros a 80 nucleotídeos de distância ao longo de um mRNA; cada mRNA vive 2 horas.

  1. Quanto tempo um ribossomo leva para traduzir a proteína deste gene? E uma proteína de 600 aminoácidos?
  2. Quantos ribossomos conseguem ler ao mesmo tempo um mRNA de 1800 nucleotídeos?
  3. Se um novo ribossomo começa a cada 8 segundos, quantas cópias da proteína um mRNA rende ao longo da vida dele?
  4. Uma bactéria precisa de 20002000 cópias de uma enzima em 10 minutos. Quantos mRNAs do gene, transcritos ao mesmo tempo, são necessários?
  5. Enuncie o resultado: a proteína codificada pelo gene, a mutação entre as quatro que a aboliu, e o tempo de que um ribossomo precisa para construí-la.
Solução

Solução de Problema 14.1.

1. 3’-TAC CGA ACC TTT GGG CTT ATG CCA GTA AAG ACT-5’.

2. AUG GCU UGG AAA CCC GAA UAC GGU CAU UUC UGA.

3. Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–His–Phe, parada.

4. 10 aminoácidos; 33 nucleotídeos (11 códons, incluindo o de parada).

5. O AUG; a posição desse primeiro AUG fixa o quadro, e todo códon seguinte é lido em compasso a partir dele.

6. O CCG continua sendo Pro: silenciosa, proteína inalterada.

7. CGU é Arg no lugar de His: de sentido trocado, Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–Arg–Phe.

8. UGA é parada: Met–Ala, sem sentido. Uma única substituição de G por A no terceiro códon (TGG para TGA).

9. mRNA AUG GCU UUG GAA ACC CGA AUA CGG UCA UUU CUG A: Met–Ala–Leu–Glu–Thr–Arg–Ile–Arg–Ser–Phe–Leu…, sem parada no fragmento: deslocamento do quadro, com todo aminoácido depois do segundo trocado.

10. Mutante 1 (silenciosa, sem mudança) << mutante 2 (um aminoácido trocado, função possivelmente conservada) << mutante 4 (deslocamento do quadro, todos os aminoácidos errados menos dois) ≈\approx mutante 3 (sem sentido, um fragmento de dois aminoácidos: a proteína se foi).

11. Leu 6, Ser 6, Trp 1. O Trp, com um único códon, é trocado por qualquer substituição; a Leu ou a Ser, com seis, quase sempre não.

12. CUU, CUC, CUA e CUG são todos Leu: cada uma das 3 substituições possíveis na terceira posição é silenciosa — 100%.

13. Duas letras dão 16 códons, poucos demais para 20 aminoácidos mais uma parada; três dão 64, já mais que suficiente, de modo que quatro (256) seria desperdício.

14. UUU == Phe e AAA == Lys.

15. Um gene transferido entre espécies é lido de forma idêntica, de modo que a transgênese funciona; e um código compartilhado, herdado sem mudança, é evidência de que todos os organismos descendem de um ancestral comum que já o usava.

16. 10 aminoácidos: 1 s1\,\mathrm{s}. 600 aminoácidos: 60 s60\,\mathrm{s}.

17. 1800/80≈221800/80 \approx 22 ribossomos ao mesmo tempo.

18. 7200/8=9007200/8 = 900 cópias.

19. Um mRNA dá 600/8=75600/8 = 75 cópias em 10 minutos; são necessários cerca de 27 mRNAs.

20. A proteína Met–Ala–Trp–Lys–Pro–Glu–Tyr–Gly–His–Phe; o mutante 3, a única substituição de G por A que cria uma parada no terceiro códon, a aboliu; um ribossomo constrói os dez aminoácidos em cerca de um segundo.

Termos definidos neste capítulo

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