Biology · Livro 3 · Bachelor Year 1

Biologia universitária — 1.º ano

Biologia universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

19Expressão gênica: transcrição e tradução

Um gene de trinta mil pares de bases é lido em um quarto de hora numa cópia de trabalho, reduzido a duas mil letras, enviado para fora do núcleo, e traduzido por vinte e cinco ribossomos ao mesmo tempo numa proteína de quinhentos aminoácidos — um a cada quatro segundos, enquanto a cópia durar. A célula gasta mais energia nisso do que em qualquer outra coisa que faça. Este capítulo acompanha a informação do DNA à proteína: a cópia de um gene em RNA, a edição desse RNA nos eucariotos, o código que mapeia trincas de bases em aminoácidos, o ribossomo que o lê, e o que acontece com uma proteína depois de pronta.

19.1 Do gene à proteína

Proposição 19.1 (O fluxo da informação)

A informação genética flui do DNA ao RNA e à proteína. A transcrição copia uma fita de um gene num RNA de mesma sequência que a outra fita (com U no lugar de T); a tradução lê o RNA mensageiro de três em três bases e monta os aminoácidos correspondentes num polipeptídeo. Cada etapa usa o pareamento de bases: DNA com RNA na transcrição, mensageiro com RNA transportador na tradução. A sequência de uma proteína é, assim, uma transcrição da sequência do gene dela, e a mudança de uma base pode mudar um aminoácido — o elo entre mutação e fenótipo. A informação não flui de volta da proteína ao ácido nucleico; a única etapa inversa, o RNA copiado em DNA pelos retrovírus, não toca em proteína.

19.2 A transcrição

Definição 19.2 (RNA-polimerase, promotor, transcrição)

A RNA-polimerase sintetiza RNA sobre um molde de DNA, de 5′→3′5' \to 3', a partir dos quatro ribonucleosídeos trifosfatados, sem iniciador. Ela começa num promotor, uma sequência logo a montante do gene que ela reconhece e à qual se liga; nas bactérias uma subunidade chamada σ\sigma (sigma) faz o reconhecimento, em dois trechos conservados dez e trinta e cinco pares antes do início. A enzima abre cerca de quinze pares da hélice numa bolha de transcrição, copia a fita molde (lida de 3′→5′3' \to 5') num RNA idêntico em sequência à outra fita, a codificante, e avança a cerca de cinquenta nucleotídeos por segundo, refechando a hélice atrás de si; o RNA se desprende à medida que é feito. Ela para num terminador: nas bactérias, uma sequência autocomplementar cujo RNA se dobra num grampo que solta o transcrito. Muitas polimerases podem se seguir umas às outras ao longo de um gene, de modo que um transcrito pode ser iniciado a cada segundo.

A transcrição. A polimerase abre uma bolha, pareia ribonucleotídeos à fita molde e os une de 5' 3'; o RNA sai por um canal à medida que a enzima avança.
A transcrição. A polimerase abre uma bolha, pareia ribonucleotídeos à fita molde e os une de 5′→3′5' \to 3'; o RNA sai por um canal à medida que a enzima avança.

Proposição 19.3 (Transcrição e processamento do RNA nos eucariotos)

Os eucariotos têm três polimerases: a I para os grandes RNAs ribossômicos, a II para os RNAs mensageiros, a III para os RNAs transportadores e os pequenos. A polimerase II não reconhece sozinha o promotor dela: um conjunto de fatores gerais de transcrição se monta sobre ele (numa sequência TATA cerca de trinta pares a montante em muitos genes) e recruta a enzima, e proteínas reguladoras ligadas perto ou longe modulam a velocidade (Capítulo 20). O transcrito primário é processado no núcleo: um capuz de guanina modificada é acrescentado à extremidade 5′5', uma cauda de umas duzentas adeninas (a poli-A) à extremidade 3′3', e os íntrons são removidos por splicing — um complexo de pequenos RNAs e proteínas, o spliceossomo, reconhece o GU do começo de cada íntron e o AG do fim dele, corta e une os éxons. Só então o mensageiro maduro é exportado para o citosol. Muitos genes sofrem splicing de mais de uma maneira (o splicing alternativo), de modo que um gene rende várias proteínas; os vinte mil genes humanos produzem talvez cem mil.

Evidências. Sharp e Roberts (1977) hibridizaram um RNA mensageiro viral com o DNA do gene dele e observaram os híbridos ao microscópio eletrônico: o RNA pareava com o DNA em vários trechos, e entre eles o DNA formava alças não pareadas — os íntrons, presentes no gene e ausentes da mensagem. Genes bacterianos, tratados do mesmo modo, não davam alças. O tamanho do transcrito primário de um gene, medido no núcleo, corresponde ao gene; o tamanho do mensageiro citoplasmático corresponde apenas aos éxons. ∎

Do gene ao mensageiro num eucarioto: o gene inteiro é transcrito, depois os íntrons são recortados e os éxons unidos, um capuz e uma cauda poli-A são acrescentados, e a mensagem madura sai do núcleo.
Do gene ao mensageiro num eucarioto: o gene inteiro é transcrito, depois os íntrons são recortados e os éxons unidos, um capuz e uma cauda poli-A são acrescentados, e a mensagem madura sai do núcleo.

19.3 O código genético

Definição 19.4 (O código genético)

O código genético mapeia trincas de bases do mensageiro, os códons, em aminoácidos. Dos 64 códons, 61 especificam os vinte aminoácidos e três (UAA, UAG, UGA) são sinais de parada; o AUG especifica a metionina e é também o códon de início, de modo que todo polipeptídeo novo começa com metionina. O código é degenerado — quase todos os aminoácidos têm vários códons, que diferem sobretudo na terceira posição —, não sobreposto, lido sem pontuação num quadro de leitura fixado pelo códon de início, e quase universal, o mesmo em bactérias, plantas e animais, com pequenas variantes nas mitocôndrias: um gene humano posto numa bactéria é lido corretamente.

primeirasegunda baseterceira
baseUCAGbase
UPhe Phe Leu LeuSer Ser Ser SerTyr Tyr parada paradaCys Cys parada TrpU C A G
CLeu Leu Leu LeuPro Pro Pro ProHis His Gln GlnArg Arg Arg ArgU C A G
AIle Ile Ile MetThr Thr Thr ThrAsn Asn Lys LysSer Ser Arg ArgU C A G
GVal Val Val ValAla Ala Ala AlaAsp Asp Glu GluGly Gly Gly GlyU C A G
O código genético. Cada célula lista os quatro códons com a primeira e a segunda base dadas e a terceira base U, C, A, G nessa ordem. O AUG é metionina e o sinal de início; UAA, UAG e UGA são paradas. A terceira base muitas vezes não importa: o código é degenerado.

Proposição 19.5 (Como o código foi lido)

O código é um código de trincas não sobrepostas, e o significado de cada códon pode ser determinado quimicamente.

Evidências. Crick e Brenner (1961) fizeram mutações num gene de fago que acrescentavam ou removiam uma base: uma mudança dessas destruía a função do gene, e duas também, mas três inserções (ou três deleções) próximas umas das outras a restauravam — a mensagem é lida de três em três, a partir de um ponto de partida fixo, e uma inserção desloca o quadro de tudo o que vem depois. Nirenberg e Matthaei (1961) acrescentaram um RNA sintético só de uracilas a um extrato acelular de E. coli com os vinte aminoácidos: ele fabricou uma cadeia só de fenilalanina, de modo que UUU significa Phe; outros mensageiros sintéticos, e depois a ligação de trinucleotídeos isolados a ribossomos com os RNAs transportadores deles, atribuíram todos os sessenta e quatro até 1966. ∎

Exemplo 19.6 (Ler uma mensagem)

O mensageiro 5′5'-…GCAUGGCUUUCGGAUAA…-3′3' é lido a partir do AUG: AUG GCU UUC GGA UAA — Met-Ala-Phe-Gly-parada: um peptídeo de quatro resíduos. Apague o primeiro G depois do AUG e o quadro se desloca: AUG CUU UCG GAU AA… — Met-Leu-Ser-Asp…, uma proteína diferente e de comprimento diferente. Troque UUC por UUU e nada muda: os dois são Phe, uma mutação silenciosa.

19.4 A tradução

Definição 19.7 (O RNA transportador e as sintetases dele)

Um RNA transportador (Capítulo 11) é o adaptador entre o códon e o aminoácido: o anticódon dele, três bases numa alça, pareia de modo antiparalelo com um códon da mensagem, e a extremidade 3′3' dele carrega o aminoácido correspondente. O pareamento na terceira posição do códon é frouxo (a oscilação), de modo que uns quarenta tRNAs bastam para sessenta e um códons. Cada tRNA é carregado pela aminoacil-tRNA-sintetase própria dele, uma enzima que reconhece tanto o aminoácido quanto o tRNA e os une em duas etapas ao custo de um ATP (partido até AMP: duas ligações ricas em energia), revisando o aminoácido enquanto o faz. Essas vinte enzimas são onde o código é de fato implementado: o ribossomo não confere que aminoácido um tRNA carrega, apenas que o anticódon dele corresponde.

Definição 19.8 (O ribossomo)

O ribossomo é uma partícula de duas subunidades, cada uma de RNA ribossômico e proteínas (nas bactérias: uma subunidade pequena 30S e uma grande 50S, juntas 70S, 2.5 MDa2.5\,\mathrm{MDa}; os ribossomos eucarióticos são maiores, 80S). A subunidade pequena liga o mensageiro e o decodifica; a grande abriga os tRNAs e forma a ligação peptídica — o catalisador é o próprio RNA ribossômico. Três sítios de tRNA atravessam as duas subunidades: o A (aminoacil, onde entra o próximo tRNA carregado), o P (peptidil, que segura a cadeia em crescimento) e o E (saída).

O ribossomo: duas subunidades presas ao mensageiro, dois RNAs transportadores na fenda, e a cadeia em crescimento saindo por um túnel na subunidade grande.
O ribossomo: duas subunidades presas ao mensageiro, dois RNAs transportadores na fenda, e a cadeia em crescimento saindo por um túnel na subunidade grande.

Proposição 19.9 (O ciclo de alongamento)

A tradução começa quando a subunidade pequena encontra o códon de início — nas bactérias pelo pareamento de uma sequência do RNA ribossômico com um sítio logo a montante do AUG, e nos eucariotos ligando-se ao capuz e varrendo até o primeiro AUG — e o tRNA iniciador (de metionina) se acomoda no sítio P; a subunidade grande então se junta. Cada rodada de alongamento acrescenta um resíduo: um tRNA carregado cujo anticódon corresponde ao códon do sítio A é entregue por um fator de alongamento e conferido (um GTP); o RNA ribossômico da subunidade grande transfere a cadeia em crescimento do tRNA do sítio P para o aminoácido do tRNA do sítio A, formando a ligação peptídica; o ribossomo avança um códon (um segundo GTP), deslocando os tRNAs para P e E, e o vazio sai. Num códon de parada um fator de liberação entra no sítio A e a cadeia é hidrolisada e liberada. Os ribossomos bacterianos acrescentam de quinze a vinte resíduos por segundo, e os eucarióticos de dois a cinco; vários ribossomos leem uma mesma mensagem ao mesmo tempo, formando um polissomo.

Uma rodada de alongamento. Um tRNA carregado é admitido no sítio A quando o anticódon dele corresponde; o RNA ribossômico une a cadeia ao aminoácido dele; o ribossomo avança um códon, e o tRNA vazio sai. Dois GTP por resíduo, mais as duas ligações ricas em energia gastas para carregar o tRNA.
Uma rodada de alongamento. Um tRNA carregado é admitido no sítio A quando o anticódon dele corresponde; o RNA ribossômico une a cadeia ao aminoácido dele; o ribossomo avança um códon, e o tRNA vazio sai. Dois GTP por resíduo, mais as duas ligações ricas em energia gastas para carregar o tRNA.
Polissomos ao microscópio eletrônico: ribossomos enfileirados ao longo de um mensageiro, cada um fabricando a própria cópia da proteína.
Polissomos ao microscópio eletrônico: ribossomos enfileirados ao longo de um mensageiro, cada um fabricando a própria cópia da proteína.

Método 19.10 (Calcular a síntese de uma proteína)

  1. Comprimento: uma proteína de nn resíduos precisa de uma sequência codificante de 3n+33n + 3 nucleotídeos (incluído o códon de parada), dentro de um mensageiro mais longo pelas extremidades não traduzidas e, no gene, pelos íntrons.
  2. Tempo: divida nn pela velocidade de alongamento (15 to 20 15\text{ to }20\, por segundo nas bactérias, 2 to 5 2\text{ to }5\, nos eucariotos); a mensagem é lida por um ribossomo a cada 80 to 100 80\text{ to }100\, nucleotídeos, de modo que a produção por mensagem é de uma cadeia a cada (espaçamento / velocidade) segundos.
  3. Energia: quatro ligações fosfatadas ricas em energia por resíduo (duas para carregar o tRNA, dois GTP no ribossomo), mais a transcrição da mensagem a duas por nucleotídeo, repartida entre todas as cadeias que essa mensagem rende.
  4. Fidelidade: cerca de um aminoácido errado a cada 10410^4 códons; uma proteína de 500 500\, resíduos sai errada em algum ponto numa cópia em vinte — tolerável porque as proteínas são substituíveis e os erros não são herdados.

19.5 Depois da tradução

Proposição 19.11 (O que acontece com um polipeptídeo novo)

A cadeia se dobra à medida que emerge, com a ajuda das chaperonas (Capítulo 12). O destino dela está escrito na sequência dela: um peptídeo-sinal na extremidade N liga uma partícula de reconhecimento de sinal que interrompe a tradução, acopla o ribossomo ao retículo endoplasmático e enfia a cadeia no lúmen dele (Capítulo 6); outras sequências dirigem proteínas para as mitocôndrias, os cloroplastos, o núcleo ou os peroxissomos depois da síntese; uma proteína sem sinal fica no citosol. Muitas proteínas são modificadas: a metionina inicial é removida, açúcares são presos no RE e no Golgi, fosfatos são acrescentados e retirados por quinases e fosfatases, lipídios são presos, pedaços são cortados (a insulina é fabricada como uma cadeia só e cortada em duas; os zimogênios são cortados para serem ativados). E toda proteína acaba degradada: marcada com a pequena proteína ubiquitina e desdobrada e digerida pelo proteassomo, depois de uma vida de minutos (proteínas reguladoras) a meses (hemoglobina) — de modo que as proteínas presentes são aquelas que a célula está fabricando naquele momento.

Exemplo 19.12 (Os números de uma célula)

Uma E. coli em crescimento contém uns 20 00020\,000 ribossomos, cada um acrescentando vinte resíduos por segundo: 4×1054 \times 10^{5} resíduos por segundo, um milhão de proteínas de 300 300\, resíduos em uma hora — o próprio conteúdo dela, que é o que dobrar a cada hora exige. Metade da energia dela vai para a síntese proteica. Uma célula do fígado contém dez milhões de ribossomos e fabrica proteínas para semanas de uso, e não para a divisão; um plasmócito, que secreta anticorpo, dedica quase todos eles a uma única proteína e despeja duas mil moléculas por segundo.

19.6 Exercícios

Exercício 19.1 ★

Dê o RNA transcrito a partir da fita molde 3′3'-TACGGATTC-5′5', e a fita codificante.

Solução

Solução de Exercício 19.1.

RNA 5′5'-AUGCCUAAG-3′3'; fita codificante 5′5'-ATGCCTAAG-3′3'.

Exercício 19.2 ★

Liste as três modificações por que passa um transcrito primário eucariótico antes de deixar o núcleo.

Solução

Solução de Exercício 19.2.

Um capuz 5′5' (guanina modificada), uma cauda poli-A 3′3', e a remoção dos íntrons por splicing.

Exercício 19.3 ★

Usando a tabela do código, traduza 5′5'-AUGCCGAAAGUUUGA-3′3'.

Solução

Solução de Exercício 19.3.

AUG CCG AAA GUU UGA: Met-Pro-Lys-Val, e então parada.

Exercício 19.4 ★

Cite os três sítios de tRNA do ribossomo e o que acontece em cada um.

Solução

Solução de Exercício 19.4.

A: o tRNA carregado que chega é admitido e conferido. P: o tRNA que carrega a cadeia em crescimento; a ligação se forma entre a cadeia dele e o aminoácido do sítio A. E: o tRNA esvaziado a caminho da saída.

Exercício 19.5 ★★

Um mensageiro de 2400 2400\, nucleotídeos tem 150 150\, de região não traduzida 5′5' e 450 450\, de região não traduzida 3′3' mais poli-A. Quantos resíduos tem a proteína? Quanto tempo um ribossomo leva para fabricá-la a quatro resíduos por segundo, e quantos ribossomos podem ler a mensagem ao mesmo tempo, a um por 90 90\, nucleotídeos?

Solução

Solução de Exercício 19.5.

Codificantes 2400−600=18002400 - 600 = 1800 nucleotídeos: 599 resíduos (600 códons, um deles de parada). Tempo 599/4=150 s599/4 = 150\,\mathrm{s}. Ribossomos 1800/90=201800/90 = 20 ao mesmo tempo.

Exercício 19.6 ★★

Explique por que três inserções restauram o quadro de leitura de um gene enquanto uma ou duas não restauram, e com que se parece a proteína feita a partir da inserção tripla.

Solução

Solução de Exercício 19.6.

A mensagem é lida de três em três a partir de um início fixo; uma ou duas bases a mais deslocam todos os códons seguintes e o resto da proteína vira algaravia, em geral terminando numa parada prematura. Três bases a mais acrescentam um códon e restauram o quadro: a proteína tem um resíduo a mais e alguns errados entre as inserções, e muitas vezes ainda funciona.

Exercício 19.7 ★★

Uma mutação muda o códon CAG para UAG no meio de um gene de 300 300\, códons; outra muda CAG para CAA; uma terceira o muda para CGG. Dê o efeito de cada uma sobre a proteína.

Solução

Solução de Exercício 19.7.

CAG (Gln) para UAG (parada): a cadeia termina no resíduo 150, uma proteína truncada e quase certamente inativa (mutação sem sentido). CAG para CAA: continua Gln, silenciosa. CAG para CGG: Arg no lugar de Gln, uma substituição (mutação de sentido trocado) cujo efeito depende da posição.

Exercício 19.8 ★★

Explique por que a fidelidade da tradução repousa nas aminoacil-tRNA-sintetases, e não no ribossomo, e descreva um experimento que mostrou isso (uma cisteína presa ao tRNA dela é convertida quimicamente em alanina; onde a alanina vai parar?).

Solução

Solução de Exercício 19.8.

O ribossomo confere apenas o pareamento entre códon e anticódon; ele não consegue ver o aminoácido. Se a cisteína presa ao tRNA dela for convertida quimicamente em alanina, o ribossomo insere alanina onde quer que a mensagem diga cisteína: o que é lido é o tRNA, e não o aminoácido. Logo, a sintetase, que emparelha cada aminoácido com o tRNA certo, é a verdadeira tradutora.

Exercício 19.9 ★★

Calcule o custo em energia, em ligações ricas em energia, de uma proteína de 400 400\, resíduos, e a fração dele gasta no ribossomo.

Solução

Solução de Exercício 19.9.

400×4=1600400\times 4 = 1600 ligações; os dois GTP do ribossomo por resíduo são metade delas, e os dois das sintetases, a outra metade.

Exercício 19.10 ★★★

Nas bactérias os ribossomos começam a traduzir uma mensagem enquanto ela ainda está sendo transcrita; nos eucariotos eles não conseguem. Explique por quê (duas razões), e o que essa diferença torna possível nos eucariotos.

Solução

Solução de Exercício 19.10.

Nos eucariotos o transcrito é feito no núcleo e os ribossomos ficam no citosol, separados pelo envoltório; e o transcrito só é um mensageiro depois de ter sofrido splicing e recebido o capuz. A separação é o que torna possível o próprio processamento — o splicing alternativo, o controle da exportação, e uma verificação de que a mensagem está completa antes de ser lida.

Exercício 19.11 ★★★

Um gene de cinco éxons pode sofrer splicing incluindo ou pulando o éxon 3 (90 90\, nucleotídeos) e o éxon 4 (100 100\, nucleotídeos). Liste os mensageiros possíveis e diga quais deles conservam o quadro de leitura do éxon 5. O que isso mostra sobre o splicing alternativo?

Solução

Solução de Exercício 19.11.

Quatro mensageiros: com os dois éxons (190 nucleotídeos acrescentados), só com o 3 (90), só com o 4 (100), sem nenhum dos dois (0). O quadro se mantém se o comprimento acrescentado for múltiplo de 3: 0 e 90 o mantêm; 100 e 190 o deslocam, de modo que os mensageiros só com o éxon 4 ou com os dois éxons leem o éxon 5 fora do quadro e truncam a proteína. O splicing alternativo precisa respeitar o quadro, e é por isso que os éxons muitas vezes são múltiplos de três.

Exercício 19.12 ★★★

“O código é um acidente congelado: arbitrário, mas caro demais para mudar.” Discuta em um parágrafo: o que no código parece arbitrário, o que parece otimizado (a terceira posição, códons parecidos para aminoácidos parecidos), e por que uma mutação que mude a especificidade de uma sintetase é quase sempre letal.

Solução

Solução de Exercício 19.12.

Arbitrário: nada na química diz que UUU precise significar Phe; as atribuições são convenções mantidas pelas sintetases. Otimizado: a terceira posição é a mais degenerada, de modo que os erros e as mutações que caem ali são muitas vezes silenciosos, e os códons que diferem por uma base tendem a codificar aminoácidos parecidos, de modo que uma substituição costuma ser branda — o código minimiza o dano do erro. Congelado: uma sintetase que mudasse a especificidade dela alteraria de uma vez todas as proteínas da célula, aos milhares, no mesmo instante; quase nenhuma célula sobrevive a isso, e por isso o código não pode derivar e está fixado desde o ancestral comum de todos os seres vivos.

19.7 Problema: De um gene a uma proteína

Problema 19.1

Problema de fim de semana — um gene de trinta quilobases acompanhado até uma proteína de quinhentos resíduos: transcrição cronometrada, splicing pesado, ribossomos contados, energia e erros calculados, terminando no custo de uma proteína em ATP

Um gene humano ocupa 30 kb30\,\mathrm{kb} com oito éxons que somam 2000 2000\, nucleotídeos de mensageiro maduro, dos quais 1503 1503\, são codificantes (500 resíduos mais a parada). A polimerase II transcreve a 30 30\, nucleotídeos por segundo; os ribossomos alongam a 4 4\, resíduos por segundo e se espaçam a um por 80 80\, nucleotídeos; a meia-vida do mensageiro é de 2 h2\,\mathrm{h}. Custos: duas ligações ricas em energia por nucleotídeo transcrito, quatro por resíduo traduzido; tome uma ligação rica em energia como um ATP. Taxas de erro: 10−510^{-5} por nucleotídeo transcrito, 10−410^{-4} por códon traduzido.

Parte I — Transcrição e splicing.

  1. Quanto tempo uma polimerase leva para transcrever o gene?
  2. Que fração do transcrito primário é removida pelo splicing?
  3. Quantos nucleotídeos são transcritos para cada nucleotídeo de mensageiro maduro?
  4. Calcule o ATP gasto para transcrever um transcrito primário.
  5. Se uma polimerase partir a cada 10 s10\,\mathrm{s}, quantas polimerases estão sobre o gene ao mesmo tempo, e quantos mensageiros o gene produz por hora?
  6. Calcule o número de íntrons e o comprimento médio deles.
  7. O spliceossomo remove cada íntron em cerca de um minuto, em paralelo. É o splicing ou a transcrição que determina o tempo do gene ao mensageiro?
  8. Calcule o comprimento físico do gene e o do mensageiro maduro (0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} por nucleotídeo).

Parte II — Tradução.

  1. Quanto tempo um ribossomo leva para traduzir a proteína?
  2. Quantos ribossomos leem um mensageiro ao mesmo tempo?
  3. Quantas moléculas de proteína um mensageiro rende por hora?
  4. Ao longo da meia-vida de 2 h2\,\mathrm{h} dele, quantas ele rende no total (uma mensagem de meia-vida t1/2t_{1/2} rende, em média, t1/2/ln⁡2t_{1/2}/\ln 2 horas de produção plena)?
  5. Calcule o ATP gasto para traduzir uma proteína.
  6. Calcule o ATP gasto na transcrição por proteína, repartindo o custo do transcrito entre as proteínas da questão 12.
  7. Calcule o custo total de uma proteína e a fração dele devida à tradução.

Parte III — Erros.

  1. Calcule a probabilidade de um dado mensageiro carregar pelo menos um erro de transcrição nos 1503 1503\, nucleotídeos codificantes dele.
  2. Calcule a probabilidade de uma dada molécula de proteína carregar pelo menos um erro de tradução.
  3. Cerca de um quarto das mudanças de nucleotídeo é silenciosa e um terço das substituições de aminoácido é inofensivo. Que fração das moléculas de proteína produzidas é defeituosa?
  4. Um mensageiro defeituoso rende proteínas defeituosas por duas horas; uma proteína defeituosa é uma única molécula. Explique por que a célula pode se dar ao luxo de uma taxa de erro de tradução dez vezes a de transcrição, e as duas muito acima da de replicação.

Parte IV — O orçamento da célula. A célula fabrica 30003000 cópias dessa proteína por hora e, ao todo, 3×1093 \times 10^{9} resíduos de proteína por dia.

  1. Quantos mensageiros desse gene precisam estar presentes ao mesmo tempo (cada um rendendo o número da questão 11)?
  2. Quantos ribossomos ficam ocupados por essa proteína?
  3. Calcule o ATP diário que a célula gasta em toda a síntese proteica dela (quatro por resíduo) e, a 50 kJ/mol50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}, a potência em watts para uma célula de 2000 µm32000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}.
  4. Compare com a potência total da célula, se ela consumir 1×109 1 \times 10^{9}\, ATP por segundo.
  5. Um fármaco bloqueia o spliceossomo. Preveja o efeito dele sobre essa proteína e sobre uma proteína bacteriana.
  6. Enuncie o resultado: o custo em ATP de uma molécula da proteína, repartido entre tradução e transcrição, e o tempo do início da transcrição até a primeira proteína pronta.
Solução

Solução de Problema 19.1.

1. 30 000/30=1000 s30\,000/30 = 1000\,\mathrm{s}, cerca de 17 min17\,\mathrm{min}. 2. 28 000/30 000=93 %28\,000/30\,000 = 93\,\%. 3. 30 000/2000=1530\,000/2000 = 15. 4. 2×30 000=60 0002\times 30\,000 = 60\,000 ATP. 5. 1000/10=1001000/10 = 100 polimerases sobre o gene; 360 mensageiros por hora. 6. Sete íntrons, com média de 28 000/7=4000 28\,000/7 = 4000\, nucleotídeos. 7. A transcrição (17 min17\,\mathrm{min}); os íntrons sofrem splicing à medida que são feitos, e o último acrescenta só um minuto. 8. Gene 30 000×0.34 nm=10 µm30\,000\times 0.34\,\mathrm{nm} = 10\,\text{µ}\mathrm{m}; mensageiro 0.68 µm0.68\,\text{µ}\mathrm{m}. 9. 500/4=125 s500/4 = 125\,\mathrm{s}. 10. 2000/80=252000/80 = 25. 11. Uma cadeia termina a cada 80/4=20 s80/4 = 20\,\mathrm{s}: 180 por hora. 12. 2/ln⁡2=2.9 h2/\ln 2 = 2.9\,\mathrm{h} de produção plena: cerca de 520 proteínas. 13. 4×500=20004\times 500 = 2000 ATP. 14. 60 000/520=11560\,000/520 = 115 ATP por proteína. 15. Cerca de 2100 ATP, 95 %95\,\% deles na tradução. 16. 1−(1−10−5)1503≈1503×10−5=1.5 %1 - (1 - 10^{-5})^{1503} \approx 1503\times 10^{-5} = 1.5\,\%. 17. 1−(1−10−4)500≈5 %1 - (1 - 10^{-4})^{500} \approx 5\,\%. 18. Transcrição: 1.5%×0.75×0.67≈0.75%1.5\%\times 0.75\times 0.67 \approx 0.75\% dos mensageiros defeituosos, e portanto das proteínas; tradução: 5%×0.67=3.3%5\%\times 0.67 = 3.3\%; cerca de 4 %4\,\% das moléculas. 19. Um erro de proteína fica confinado a uma molécula, que logo é degradada; um erro de mensageiro é copiado em centenas de proteínas; um erro de replicação é herdado por todos os descendentes para sempre. O custo de um erro, e portanto a exatidão que vale a pena pagar, sobe a cada passo para trás. 20. 3000/180=173000/180 = 17 mensageiros presentes. 21. 17×25=42017\times 25 = 420 ribossomos. 22. 3×109×4=1.2×10103 \times 10^{9}\times 4 = 1.2 \times 10^{10} ATP por dia =2×10−14 mol= 2 \times 10^{-14}\,\mathrm{mol}, 1×10−9 J1 \times 10^{-9}\,\mathrm{J} por dia, ou seja, 1.2×10−14 W1.2 \times 10^{-14}\,\mathrm{W} — 6 fW6\,\mathrm{fW} por micrômetro cúbico. 23. 10910^9 ATP por segundo são 8.6×10138.6 \times 10^{13} por dia: a síntese proteica é um centésimo disso nessa célula de renovação lenta (numa bactéria em divisão ela é a metade). 24. Nenhum mensageiro maduro: os transcritos primários se acumulam no núcleo e a proteína desaparece à medida que os mensageiros dela se degradam, em poucas horas. A proteína bacteriana, cujo gene não tem íntrons, não é afetada. 25. Cerca de 2100 ATP por molécula — 2000 para a tradução, e cem para a parcela dela no transcrito; a primeira proteína depois de 1000 s1000\,\mathrm{s} de transcrição, um minuto de processamento e exportação, e 125 s125\,\mathrm{s} de tradução: cerca de vinte minutos.

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