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Introdução à expressão génica (dogma central da biologia molecular)

Como os genes no DNA podem dar instruções para produzir proteínas. O dogma da biologia molecular: DNA → RNA → proteína.

Visão geral: Expressão de genes

O DNA é o material genético de todos os organismos na Terra. Quando o DNA é transmitido de pais para filhos, pode determinar algumas das características das crianças (como a cor dos olhos ou a cor do cabelo). Mas como é que a sequência de uma molécula de DNA afeta realmente as características de um ser humano ou de outro organismo? Por exemplo, como é que a sequência de nucleótidos (As, Ts, Cs e Gs) no DNA das plantas de ervilha de Mendel determina a cor das suas flores?

Os genes especificam produtos funcionais (tais como proteínas)

Uma molécula de DNA não é apenas uma cadeia longa e aborrecida de nucleótidos. Em vez disso, está dividida em unidades funcionais chamadas genes. Cada gene fornece instruções para um produto funcional, ou seja, uma molécula necessária para realizar um trabalho na célula. Em muitos casos, o produto funcional de um gene é uma proteína. Por exemplo, o gene da cor da flor de Mendel fornece instruções para uma proteína que ajuda a fazer moléculas coloridas (pigmentos) em pétalas de flores.
Diagrama de como um gene pode ditar um fenótipo (caraterística observável) de um organismo. O gene da cor da flor que Mendel estudou consiste numa extensão de DNA encontrada num cromossoma. O DNA tem uma sequência particular; parte dela, mostrada neste diagrama, é 5'-GTAAATCG-3' (cadeia superior), emparelhada com a sequência complementar 3'-CATTTAGC-5' (cadeia inferior). O DNA do gene especifica a produção de uma proteína que ajuda a produzir pigmentos. Quando a proteína está presente e funcional são produzidos pigmentos e as flores de uma planta têm uma cor roxa.
Imagem baseada em dados experimentais reportados por Hellens et al.1 e numa figura semelhante em Reece et al.2.
Os produtos funcionais da maioria dos genes conhecidos são proteínas, ou, mais precisamente, polipéptidos. Um polipéptido é apenas mais uma palavra para uma cadeia de aminoácidos. Embora muitas proteínas consistam num único polipéptido, algumas são constituídas por múltiplos. Os genes que especificam os polipeptídos são chamados genes codificadores de proteínas.
Nem todos os genes especificam polipéptidos. Em vez disso, alguns fornecem instruções para construir moléculas funcionais de RNA, tais como os RNAs de transferência e RNAs ribosomais que desempenham papéis na tradução.

Como é que a sequência de DNA de um gene especifica uma determinada proteína?

Muitos genes fornecem instruções para a construção de polipéptidos. Como é que, exatamente, o DNA dirige a construção de um polipéptido? Este processo envolve duas etapas principais: transcrição e tradução.
  • Na transcrição, a sequência de DNA de um gene é copiada para produzir uma molécula de RNA. Esta etapa chama-se transcrição porque envolve a reescrita, ou transcrição, da sequência de DNA num "alfabeto" de RNA semelhante. Nos eucariontes, a molécula de RNA deve ser processada para se tornar um RNA mensageiro maduro (mRNA).
  • Na tradução, a sequência do mRNA é descodificada para especificar a sequência de aminoácidos de um polipéptido. O nome tradução reflete que a sequência nucleotídica da sequência do mRNA deve ser traduzida para a "linguagem" completamente diferente dos aminoácidos.
Esquema simplificado do dogma central, mostrando as sequências das moléculas envolvidas.
As duas cadeias de DNA têm as seguintes sequências:
5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'
A transcrição de uma das cadeias de DNA produz um mRNA cuja sequência é praticamente igual à outra cadeia de DNA. No entanto, devido a uma diferença bioquímica entre o DNA e o RNA, os Ts dos DNA são substituídos pelos Us no mRNA. A sequência de mRNA é:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
A tradução envolve a leitura dos nucleótidos do mRNA em grupos de três; cada grupo especifica um aminoácido (ou fornece um sinal de stop, indicando que a tradução está terminada).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG Metionina AUC Isoleucina UCG Serina UAA "Stop"
Sequência de polipéptidos: (N-terminal) Metionina-Isoleucina-Serina (C-terminal)
Assim, durante a expressão de um gene codificador de proteínas, a informação flui a partir do DNA RNA proteína. Este fluxo direcional de informação é conhecido como o dogma central da biologia molecular. Os genes não codificadores de proteínas (genes que especificam RNAs funcionais) são ainda transcritos para produzir um RNA, mas este RNA não é traduzido num polipéptido. Para qualquer tipo de gene, o processo de passar do DNA para um produto funcional é conhecido como expressão do gene.

Transcrição

Na transcrição, uma vertente do DNA que constitui um gene, chamada cadeia não codificadora, atua como modelo para a síntese de uma cadeia de RNA correspondente (complementar) por uma enzima chamada RNA polimerase. Esta cadeia de RNA é o transcrito primário.
As duas cadeias de DNA têm as seguintes sequências:
5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'
O DNA abre-se para formar uma bolha e a cadeia inferior serve de modelo para a síntese de uma cadeia complementar de RNA. Esta cadeia chama-se cadeia modelo. A transcrição da cadeia modelo produz um mRNA que quase corresponde à outra cadeia (cadeia de codificação) de DNA em sequência. No entanto, devido a uma diferença bioquímica entre o DNA e o RNA, os Ts do DNA são substituídos por Us no mRNA. A sequência do mRNA é:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
A transcrição primária contém a mesma informação sequencial que a cadeia não transcrita de DNA, por vezes denominada cadeia codificante*. Contudo, a transcrição primária e a cadeia de codificação do DNA não são idênticas, graças a algumas diferenças bioquímicas entre o DNA e o RNA. Uma diferença importante é que as moléculas de RNA não incluem a timina (T). Em vez disso, têm a base semelhante uracilo (U). Tal como a timina, o uracilo emparelha-se com a adenina.

Transcrição e processamento de RNA: Eucariotas vs bactérias

Nas bactérias, a transcrição primária do RNA pode servir diretamente como um RNA mensageiro ou mRNA. Os RNAs mensageiros recebem este nome porque atuam como mensageiros entre o DNA e os ribossomas. Os ribossomas são estruturas de RNA e proteínas no citosol, onde as proteínas são efetivamente produzidas.
Nos eucariotas (como os humanos), um transcrito primário tem de passar por algumas etapas extra de processamento para se tornar um mRNA maduro. Durante o processamento, são adicionadas "caps" às extremidades do RNA, e alguns segmentos do mesmo podem ser cuidadosamente removidos, num processo chamado splicing. Estas etapas não acontecem nas bactérias.
Célula eucariótica: A transcrição tem lugar no núcleo. A transcrição primária também passa por etapas de processamento no núcleo, a fim de se tornar um mRNA maduro. É, então, exportada para o citosol, onde pode associar-se com um ribossoma e dirigir a síntese de um polipéptido no processo de tradução.
Bactérias: A transcrição tem lugar no citosol. Devido a isto, o mRNA não tem de viajar para nenhum lugar antes de poder ser traduzido por um ribossoma. De facto, um ribossoma pode começar a traduzir um mRNA mesmo antes de ser totalmente transcrito (enquanto a transcrição ainda está em curso).
A localização da transcrição é, também, diferente entre os procariotas e os eucariotas. A transcrição eucariótica tem lugar no núcleo, onde o DNA é armazenado, enquanto que a síntese de proteínas ocorre no citosol. Devido a isto, um mRNA eucariótico tem de ser exportado do núcleo antes de poder ser traduzido num polipéptido. As células procarióticas, por outro lado, não têm um núcleo, pelo que realizam tanto a transcrição como a tradução no citosol

Tradução

Após a transcrição (e, nos eucariotas, após o processamento), uma molécula de mRNA está pronta para dirigir a síntese proteica. O processo de utilizar a informação de um mRNA para construir um polipéptido chama-se tradução.

O código genético

Durante a tradução, a sequência nucleotídica de um mRNA é traduzida na sequência de aminoácidos de um polipéptido. Especificamente, os nucleótidos do mRNA são lidos em tripletos (grupos de três) chamados codões. Há 61 codões que especificam os aminoácidos. Um codão é um codão de "start" que indica onde começar a tradução. O codão inicial especifica o aminoácido metionina, por isso a maioria dos polipéptidos começa com este aminoácido. Três outros codões "stop" assinalam o fim de um polipétido. Estas relações entre codões e aminoácidos são chamados o código genético.
].
A sequência de mRNA é:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
A tradução envolve a leitura dos nucleótidos do mRNA em grupos de três; cada grupo especifica um aminoácido (ou fornece um sinal de stop, indicando que a tradução está terminada).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG Metionina AUC Isoleucina UCG Serina UAA "Stop"
Sequência de polipéptidos: (N-terminal) Metionina-Isoleucina-Serina (C-terminal)

Passos da tradução

A tradução tem lugar dentro de estruturas conhecidas como ribosomas. Os ribossomas são máquinas moleculares cuja função é construir polipéptidos. Assim que um ribossoma se liga a um mRNA e encontra o codão de "start", viajará rapidamente pelo mRNA, um codão de cada vez. À medida que avança, vai construindo gradualmente uma cadeia de aminoácidos que reflete exatamente a sequência de codões no mRNA.
Como é que o ribossoma "sabe" qual é o aminoácido a adicionar por cada codão? Acontece que esta correspondência não é feita pelo próprio ribossoma. Em vez disso, depende de um grupo de moléculas especializadas de RNA chamado RNAs de transferência (tRNAs). Cada tRNA tem três nucleótidos que se destacam numa extremidade, que podem reconhecer (emparelhar com) apenas um ou alguns codõess em particular. Na outra extremidade, o tRNA transporta um aminoácido - especificamente, o aminoácido que corresponde a esses codões.
A tradução a ocorrer num ribossoma. O mRNA está ligado ao ribossoma, onde consegue interagir com a molécula de tRNA.
Nesta imagem, o mRNA tem a seguinte sequência:
3'-...AUG UAC AUC UCG GAU...-5'
Um tRNA ligado ao terceiro codão (5'-AUC-3') tem uma sequência complementar de 3'-UAG-5'. Tem uma cadeia de polipéptidos constituída por metionina e isoleucina, que está ligada ao tRNA pela isoleucina. À direita deste tRNA, outro tRNA está ligado ao próximo codão (5'-UCG-3'). Este tRNA tem, novamente, uma sequência complementar de nucleótidos (3'-AGC-5') e contém o aminoácido serina, que é o aminoácido especificado pelo codão do mRNA. A serina transportada por este tRNA será adicionada à cadeia crescente de polipéptidos.
Outros tRNAs transportadores de outros aminoácidos estão a flutuar no fundo. Um transporta Glu (ácido glutâmico) e tem uma sequência de nucleótidos na sua extremidade que é 3'-CUU-5'. O outro transporta Asp (ácido aspártico) e tem uma sequência de nucleótidos na sua extremidade que é 3'-CUA-5'.
Há muitos tRNAs a flutuar numa célula, mas apenas um tRNA que corresponde (emparelha com) ao codão que está atualmente a ser lido se pode ligar e entregar a sua carga de aminoácidos. Assim que um tRNA é ligado ao seu codão correspondente no ribossoma, o seu aminoácido será adicionado ao fim da cadeia de polipéptidos.
  1. O tRNA correspondente liga-se ao codão exposto no encaixe mais à direita do ribossoma.
  2. A cadeia de aminoácidos é transferida do tRNA no enxcaixe entral do ribossoma para o aminoácido do tRNA no encaixe mais à direita. Isto tem o efeito de adicionar o aminoácido ao fim da cadeia de aminoácidos.
  3. O ribossoma desloca-se sobre um codão. O tRNA anteriormente no encaixe central move-se para o encaixe mais à esquerda e sai do ribossoma. O tRNA anterioremente no encaixe da direita move-se para o do meio e continua a segurar a cadeia de aminoácidos. Um novo codão é exposto no encaixe mais à direita para um novo tRNA se ligar.
Este processo repete-se muitas vezes, com o ribossoma a descer o mRNA um codão de cada vez. Uma cadeia de aminoácidos é construída um a um, com uma sequência de aminoácidos que corresponde à sequência de codões encontrados no mRNA. A tradução termina quando o ribossoma atinge um codão de stop e liberta o polipéptido.

O que acontece a seguir?

Uma vez terminado, o polipétido pode ser processado ou modificado, combinado com outros polipéptidos, ou enviado para um destino específico dentro ou fora da célula. Em última análise, irá realizar um trabalho específico necessário à célula ou ao organismo - talvez como uma molécula de sinalização, elemento estrutural, ou enzima!

Resumo:

  • O DNA é dividido em unidades funcionais chamadas genes, que podem especificar polipéptidos (proteínas e subunidades de proteínas) ou RNAs funcionais (tais como tRNAs e rRNAs).
  • A informação de um gene é utilizada para construir um produto funcional num processo chamado expressão genética.
  • Um gene que codifica um polipéptido é expressado em dois passos. Neste processo, a informação passa do DNA RNA proteína, uma relação direcional conhecida como o dogma central da biologia molecular.
  • Transcrição: Uma cadeia de DNA do gene é copiado para RNA. Nos eucariotas, a transcrição de RNA deve ser submetida a etapas de processamento adicionais de forma a tornar-se num RNA mensageiro maduro (mRNA).
    • Tradução: A sequência nucleotídica do mRNA é descodificada para especificar a sequência de aminoácidos de um polipéptido. Este processo ocorre dentro de um ribossoma e requer moléculas adaptadoras chamadas tRNAs.
  • Durante a tradução, os nucleótidos do mRNA são lidos em grupos de três chamados codões. Cada codão especifica um aminoácido em particular ou um sinal de stop. Este conjunto de relações é conhecido como o código genético.

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