Biologia Molecular 3

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<p>Biologia Molecular</p><p>Aplicada à Biomedicina</p><p>Responsável pelo Conteúdo:</p><p>Profa. Me. Thaís de Oliveira Cardoso</p><p>Revisão Textual:</p><p>Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin</p><p>Revisora Técnica:</p><p>Prof.ª Dr.ª Gabriela Cavagnolli</p><p>Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Estrutura das Proteínas e Controle</p><p>da Expressão Gênica</p><p>• Compreender a importância das proteínas nos eventos celulares, de que maneira elas são</p><p>geradas e como exercem suas funções;</p><p>• Conhecer a importância da degradação das proteínas e o controle da expressão gênica.</p><p>OBJETIVOS DE APRENDIZADO</p><p>• Principais Conceitos sobre o Estudo de Proteínas e sua Estrutura;</p><p>• Enovelamento Proteico e Modificações Pós-Traducionais;</p><p>• Endereçamento Proteico;</p><p>• Complexo Proteossômico e a Necessidade de Degradação Proteica;</p><p>• Controle da Expressão Gênica.</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Principais Conceitos sobre o Estudo</p><p>de Proteínas e sua Estrutura</p><p>As proteínas representam mais da metade da massa total de uma célula e são</p><p>fundamentais para a manutenção e para o crescimento celular.</p><p>Do ponto de vista químico, as proteínas são as moléculas estruturalmente mais</p><p>complexas e funcionalmente mais sofisticadas que conhecemos. A forma de uma</p><p>proteína é especificada pela sua sequência de aminoácidos e cada um está ligado aos</p><p>aminoácidos adjacentes, por ligações peptídicas.</p><p>Existem 20 aminoácidos nas proteínas que são codificadas diretamente no DNA</p><p>de um organismo, cada um com propriedades químicas diferentes. Uma molécula de</p><p>proteína consiste em uma longa cadeia não ramificada desses aminoácidos.</p><p>Classificamos a organização na estrutura de uma proteína em quatro níveis.</p><p>A sequência de aminoácidos é conhecida como estrutura primária. Os trechos da</p><p>cadeia polipeptídica que formam α-hélices e folhas-β constituem a estrutura secun-</p><p>dária da proteína. A conformação tridimensional completa da cadeia polipeptídica</p><p>pode ser chamada de estrutura terciária e, caso formada por um complexo de mais</p><p>de uma cadeia polipeptídica, a estrutura completa é designada estrutura quaterná-</p><p>ria (Figura 1).</p><p>Estrutura</p><p>Primária</p><p>Estrutura</p><p>Secundária</p><p>Estrutura</p><p>Terciária</p><p>Estrutura</p><p>Quartenária</p><p>Sequência de</p><p>Aminoácido</p><p>Alfa</p><p>Hélice</p><p>Cadeia de</p><p>Polipeptídeo Complexos de Moléculas</p><p>de Proteínas</p><p>L</p><p>oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo</p><p>LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL</p><p>Figura 1 – Estruturas das proteínas</p><p>Fonte: Adaptado de Getty Images</p><p>Quando comparamos as estruturas tridimensionais de diversas moléculas de pro-</p><p>teínas diferentes, torna-se claro que, embora a conformação final de cada proteína</p><p>seja única, dois padrões de enovelamento são frequentemente encontrados dentro</p><p>delas, α-hélice e a folha β.</p><p>Os tipos de folhas β produzem estruturas bastante rígidas, mantidas por ligações</p><p>de hidrogênio que interligam às ligações peptídicas de cadeias vizinhas.</p><p>Uma α hélice é formada quando uma única cadeia polipeptídica se enrola sobre si</p><p>mesma para formar um cilindro rígido. As regiões de α-hélice são abundantes em prote-</p><p>ínas localizadas nas membranas celulares, como proteínas transportadoras e receptores.</p><p>8</p><p>9</p><p>A estrutura terciária refere-se à forma como a cadeia polipeptí dica está enovelada,</p><p>resultante das interações entre os grupos R dos aminoácidos que compõem a proteína.</p><p>A estrutura terciária contém interações hidrofóbicas, nas quais aminoácidos não</p><p>polares, grupos hidrofóbicos R, juntam-se no interior da proteína, deixando amino-</p><p>ácidos hidrofílicos no exterior para interagir com as moléculas de água do entorno.</p><p>Algumas proteínas são constituídas por várias cadeias polipeptídicas, também</p><p>conhecidas como subunidades. Quando essas subunidades se juntam, dão à proteína</p><p>sua estrutura quaternária, como, por exemplo, a hemoglobina.</p><p>Você já se perguntou por que a clara do ovo muda de transparente para opaca quando você</p><p>frita um ovo? Se sim, essa seção é para você! Disponível em: https://bit.ly/2DXeXAt</p><p>Estudos da conformação, da função, e da evolução das proteínas, revelaram a impor-</p><p>tância de um distinto nível de organização estrutural – o domínio proteico, que consiste</p><p>em uma subestrutura gerada em qualquer parte da cadeia polipeptídica e que pode se</p><p>enovelar independentemente do resto da proteína em uma estrutura compacta e estável.</p><p>Os diferentes domínios de uma proteína, geralmente, estão associados a dife-</p><p>rentes funções. Muitas das proteínas atuais podem ser agrupadas em famílias, nas</p><p>quais cada membro apresenta uma sequência de aminoácidos e uma conformação</p><p>tridimensional similar a todos os outros membros da família, porém, geralmente, têm</p><p>funções diferentes.</p><p>Quais são os tipos de estruturas das proteínas?</p><p>Quais são os padrões da estrutura secundária? Qual é a diferença entre esses padrões?</p><p>O que é domínio proteico?</p><p>Enovelamento Proteico e</p><p>Modificações Pós-Traducionais</p><p>No tópico anterior, vimos diferentes conformações das proteínas que didaticamen-</p><p>te se dividem em: primária, secundária, terciária e quaternária.</p><p>Portanto, após a síntese da cadeia polipeptídica de aminoácidos, ela sofrerá uma</p><p>série de interações por meio de forças de Van der Waals, energia livre de Gibbs, liga-</p><p>ções de hidrogênio e pontes dissulfeto, que levarão ao enovelamento em uma estrutura</p><p>3D, sendo que algumas proteínas iniciam seu enovelamento antes mesmo da tradução.</p><p>Ao se enovelar, as proteínas adquirem a conformação mais energeticamente fa-</p><p>vorável e, assim, “escondem” a maior parte de seus resíduos hidrofóbicos no interior</p><p>de sua estrutura tridimensional (Figura 2).</p><p>9</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Figura 2 – Como uma proteína se enovela em uma formação compacta</p><p>Fonte: Adaptado de ALBERTS, 2017, p. 114</p><p>A maioria das proteínas possui alta facilidade de se dobrar sozinha, mas, para</p><p>esse processo, elas contam com as chaperonas (Figura 3): proteínas que auxiliam o</p><p>dobramento e impedem que ele ocorra incorretamente.</p><p>No entanto, deve ficar claro que a estrutura tridimensional de uma proteína é</p><p>determinada por sua sequência de aminoácidos, sendo que as chaperonas apenas</p><p>tornam esse processo mais fidedigno.</p><p>Existem diversos tipos de chaperonas e, algumas delas, como última alternativa,</p><p>ao se ligarem a uma proteína enovelada incorretamente, liberam-na de tal forma que</p><p>permitem uma nova chance de enovelamento correto.</p><p>Figura 3 – A família de chaperonas moleculares hsp70</p><p>Fonte: Adaptado de ALBERTS, 2017, p. 356</p><p>Diversas proteínas são reguladas por modificações covalentes que podem alte-</p><p>rar seu local no interior da célula. Há algumas principais maneiras descritas pelas</p><p>quais as proteínas sofrem modificações após a tradução que alteram sua atividade,</p><p>tais como: fosforilação, adenilação, ubiquitilação, acetilação, metilação, glicosilação</p><p>e alquilação, entre outras.</p><p>10</p><p>11</p><p>A adição e a remoção de determinados grupamentos como um fosfato, por exem-</p><p>plo, pode ocorrer de acordo com a necessidade celular, o que é fundamental para a</p><p>versatilidade de uma célula permitindo, que ela se adapte às diferentes condições e</p><p>responda de forma rápida ao ambiente.</p><p>Imagine a dinâmica de como isso acontece de maneira admiravelmente incrível den-</p><p>tro da célula, com milhares de processos ocorrendo ao mesmo tempo de forma coorde-</p><p>nada, nos quais uma fosforilação pode ativar uma proteína ou de repente fazer com que</p><p>mude sua localização e, indo mais fundo, é esse conjunto de interações e modificações</p><p>que de forma mais complexa possibilitará a movimentação de um músculo, por exemplo!</p><p>Iremos detalhar um pouco algumas das modificações mais relevantes na maioria</p><p>das proteínas:</p><p>• Fosforilação: Adição de um grupo fosfato (PO4) (Figura 4), geralmente, em resí-</p><p>duos serina, treonina ou tirosina. Enzimas quinases adicionam um grupo fosfato</p><p>e enzimas fosfatases fazem a desfosforilação. É a principal modificação estuda-</p><p>da, sendo crucial em muitos processos celulares, muito presente</p><p>em receptores</p><p>e enzimas – efetuando sua ativação ou desativação;</p><p>• Glicosilação: Adição de cadeias polissacarídeas (Figura 4), ocorrendo em as-</p><p>paragina, serina e treonina. Entre outras funções, desempenha um importante</p><p>papel em mecanismos de adesão celular;</p><p>• Metilação; Adição de um grupo metil (CH3) que ocorre em arginina ou lisina.</p><p>É amplamente estudada em histonas, apresentando papel fundamental na regu-</p><p>lação gênica, atuando por mecanismos epigenéticos.</p><p>Figura 4 – Etapas da criação de uma proteína funcional</p><p>Fonte: Adaptado de ALBERTS, 201, p. 354</p><p>11</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Quais interações químicas levam ao enovelamento em uma estrutura 3D das proteínas?</p><p>Qual parte da proteína fica no interior de sua estrutura tridimensional?</p><p>Quais modificações após a tradução podem alterar a atividade das proteínas?</p><p>Endereçamento Proteico</p><p>Compreendemos o processo de produção de uma proteína, mas, após ser produ-</p><p>zida, como ela, partindo do ribossomo no citosol, consegue chegar exatamente ao</p><p>lugar/organela em que precisa atuar?</p><p>Lembre-se de que a proteína é minúscula diante do tamanho de toda a célula e,</p><p>algumas vezes, seu destino é extracelular.</p><p>Agora, pense como seria se jogassem você em uma cidade desconhecida, para</p><p>chegar a um destino ao qual você nunca foi – você precisaria de alguma coordenada</p><p>e/ou um mapa para chegar lá.</p><p>Da mesma forma, as proteínas precisam de coordenadas que indiquem aonde elas</p><p>devem ir e, nessa tarefa, a célula irá funcionar como um desenvolvido e sofisticado</p><p>sistema postal, utilizando identificadores e também entregadores especiais.</p><p>Vamos entender melhor como isso funciona?!</p><p>As sequências de aminoácidos podem conter sinais de endereçamento – sequência-</p><p>-sinal, com cerca de 15 a 60 aminoácidos, que direcionam o envio dessas proteínas.</p><p>Aquelas que não possuem esse sinal podem permanecer no citosol permanente-</p><p>mente ou terem sinais de endereçamento específico que as direcionem ao Retículo</p><p>Endoplasmático (RE), às mitocôndrias, aos cloroplastos (reino vegetal), aos peroxis-</p><p>somos e ao núcleo.</p><p>Visando a compreender como as proteínas chegam ao seu destino final, precisa-</p><p>mos detalhar os três principais mecanismos de transporte na célula:</p><p>• Transporte controlado por comportas: Feito através de complexos de poro</p><p>nuclear que funcionam como canais seletivos que realizam o transporte ativo de</p><p>determinadas proteínas ou outras moléculas. É possível, também, a ocorrência</p><p>de difusão livre no caso de micromoléculas;</p><p>• Translocação de proteínas: Translocadores de proteínas deslocam determina-</p><p>das proteínas do citosol para alguma organela, como o retículo endoplasmático,</p><p>por exemplo;</p><p>• Transporte vesicular: Vesículas de transporte atuam carregando uma proteína</p><p>de uma organela a outra que seja topologicamente equivalente, ocorrendo fusão</p><p>com a membrana da organela de destino.</p><p>A sequência-sinal é como se fosse um “código postal” que determina o agrupa-</p><p>mento específico de aminoácidos em uma ordem que fará com que a proteína que</p><p>possui esse código seja direcionada para uma localização celular específica.</p><p>12</p><p>13</p><p>No caso de proteínas destinadas ao RE, por exemplo, é comum uma sequência</p><p>sinal que possua cerca de 5 a 10 aminoácidos hidrofóbicos na sua região N-terminal.</p><p>A sequência sinal é tão fundamental que experimentos demonstraram a alteração</p><p>de localização celular de forma que uma proteína citosólica modificada por Engenharia</p><p>Genética colocando uma sequência-sinal de RE faz com que essa proteína seja redire-</p><p>cionada ao RE.</p><p>Existem receptores de endereçamento complementares que reconhecem essas</p><p>sequência-sinal.</p><p>Destino: Núcleo</p><p>Há um tráfego intenso de moléculas entre o citosol e o núcleo, que ocorre a partir</p><p>dos Complexos do Poro Nuclear (NPCs), sendo que pequenas moléculas se difun-</p><p>dem livremente.</p><p>Em contrapartida, moléculas grandes necessitam de um transporte ativo. A maio-</p><p>ria dos sinais de sinalização nuclear devem ser reconhecidos por receptores conheci-</p><p>dos como importinas para, assim, dar início à importação nuclear.</p><p>Esses receptores fazem ligação no sinal de localização nuclear da proteína e tam-</p><p>bém em sequências repetidas de fenilalanina e glicina (FG) presentes no canal de</p><p>nucleoporinas no centro do poro nuclear. As repetições FG criam uma via de trans-</p><p>porte alinhando o caminho ao longo dos NPCs.</p><p>Para que ocorra a importação, necessita-se de um gradiente energético de Ran-GDP/</p><p>Ran-GTP, que dirige o transporte nuclear na direção apropriada.</p><p>Os receptores de importação, a partir das ligações à repetição FG, entram no canal</p><p>e, atingindo o lado nuclear do complexo do poro, há a ligação de Ran-GTP a eles.</p><p>Caso os receptores estejam carregando uma proteína, a ligação de Ran-GTP faz</p><p>com que os receptores de importação liberem a proteína carregada.</p><p>O descarregamento da proteína só ocorrerá no lado nuclear, pois Ran-GDP no</p><p>citosol não se liga a receptores de importação e, portanto, a localização nuclear de</p><p>Ran-GTP direciona o processo de importação.</p><p>Interessantemente, os sinais de localização nuclear não são removidos e, assim, as</p><p>proteínas nucleares podem ser repetidamente importadas, como é necessário toda</p><p>vez que o núcleo se reorganiza após a mitose.</p><p>Destino: Mitocôndrias</p><p>As mitocôndrias são organelas que possuem seu próprio DNA. Entretanto, muitas</p><p>das suas proteínas são codificadas no núcleo celular e importadas do citosol.</p><p>Sabemos que essas organelas apresentam subcompartimentos. Então, uma ou</p><p>mais sequências-sinal devem dirigir as proteínas precursoras mitocondriais para o</p><p>seu subcompartimento adequado.</p><p>13</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>As sequências-sinal são necessárias e suficientes para a localização correta das</p><p>proteínas. Existem complexos proteicos que atuam como translocadores possibilitando</p><p>o movimento das proteínas através das membranas mitocondriais.</p><p>O complexo TOM transfere proteínas através da membrana externa, e dois com-</p><p>plexos TIM (TIM23 e TIM22) transferem proteínas através da membrana interna.</p><p>Inicialmente, ele transporta a sequência-sinal dessas proteínas para o espaço inter-</p><p>membrana e ajuda a inserir proteínas transmembrana na membrana externa.</p><p>Um dado importante é que as proteínas precursoras mitocondriais não se eno-</p><p>velam em sua estrutura nativa logo depois de serem sintetizadas, permanecendo</p><p>desenoveladas por meio de interações com outras proteínas no citosol. Proteínas</p><p>fundamentais nesse processo são chaperonas pertencentes à família hsp70.</p><p>O complexo TOM transporta, primeiramente, o sinal de localização mitocondrial</p><p>através da membrana externa para o espaço intermembrana, onde se liga ao com-</p><p>plexo TIM, abrindo o canal no complexo.</p><p>A cadeia polipeptídica é, então, translocada para o espaço da matriz ou inserida</p><p>na membrana interna. O transporte para a membrana mitocondrial interna e para o</p><p>espaço intermembrana ocorre por meio de diversas vias.</p><p>Transporte de proteínas para a mitocôndria. Disponível em: https://youtu.be/dleu35BRIRo</p><p>O foco desta Unidade é a célula animal, mas você sabia que a célula vegetal também tem</p><p>proteínas? O transporte dessas proteínas é endereçado para os cloroplastos, que são orga-</p><p>nelas que possuem seu próprio DNA.</p><p>Destino: Peroxissomos</p><p>O sinal de importação de proteínas dos peroxissomos consiste, sobretudo, de</p><p>uma sequência específica de três aminoácidos (Serina-Lisina-Leucina) localizados na</p><p>região C-terminal da proteína.</p><p>Os sinais de importação são primeiro reconhecidos pelos receptores solúveis de</p><p>proteínas no citosol.</p><p>Proteínas fundamentais que participam do processo de importação, o qual é movido</p><p>por hidrólise de ATP, são denominadas peroxinas. Um complexo de pelo menos seis</p><p>diferentes peroxinas forma uma proteína translocadora na membrana do peroxissomo.</p><p>Destino: Retículo Endoplasmático Rugoso (RER)</p><p>A maior parte das proteínas que são secretadas para o exterior celular são envia-</p><p>das inicialmente ao RER (Figura 5).</p><p>14</p><p>15</p><p>Essa importação para</p><p>o RER é co-traducional, ocorrendo antes da síntese com-</p><p>pleta da cadeia polipeptídica.</p><p>O ribossomo que está sintetizando a proteína está diretamente aderido à mem-</p><p>brana do RER, permitindo que uma ponta da proteína seja translocada para o RER</p><p>enquanto o restante da cadeia polipeptídica está sendo sintetizado.</p><p>Todas as proteínas, apesar do seu subsequente destino, são dirigidas para a mem-</p><p>brana do RER por uma sequência-sinal do RE, a qual inicia a sua translocação por</p><p>um mecanismo comum.</p><p>A sequência-sinal do RE leva à membrana do RE, sobretudo, por dois componen-</p><p>tes: uma partícula de reconhecimento de sinal (SRP, signal-recognition particle),</p><p>que circula entre a membrana do RE e o citosol e se liga à sequência-sinal, e um</p><p>receptor SRP na membrana do RE.</p><p>Figura 5 – Direcionamento de proteínas no RER e complexo de Golgi</p><p>Fonte: Adaptado de khan Academy</p><p>Direcionamento de proteínas: como as marcas moleculares são usados para direcionar pro-</p><p>teínas para diferentes partes da célula (e para o exterior da célula).</p><p>Disponível em: https://bit.ly/2ODuhoa</p><p>Para que locais as proteínas podem ser endereçadas?</p><p>Através de quais mecanismos de transporte na célula chega ao destino final?</p><p>Explique como ocorre o transporte das proteínas para o núcleo, mitocôndrias, peroxissomos</p><p>e retículo endoplasmático rugoso.</p><p>15</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Complexo Proteossômico e a</p><p>Necessidade de Degradação Proteica</p><p>Algumas proteínas podem falhar na tentativa de um enovelamento adequado e</p><p>precisam ser destruídas por mecanismo de proteólise.</p><p>O reconhecimento de alguma região hidrofóbica anormal na superfície de uma pro-</p><p>teína a direciona para uma protease complexa denominada proteassomo (Figura 6).</p><p>Figura 6 – Proteossomo</p><p>Fonte: Adaptado de ALBERTS, 2017, p. 359</p><p>O proteassomo atua quebrando as ligações peptídicas de forma que o substrato</p><p>só é liberado quando convertido em pequenos peptídeos.</p><p>A reação de desespiralização, direcionada por hidrólise de ATP, desnatura (ou de-</p><p>sestrutura) as proteínas-alvo conforme elas se movem através do quepe, expondo-as</p><p>para as proteases que revestem a região central do proteassomo (Figura 7).</p><p>Figura 7 – Uma proteína hexamérica de desnaturação</p><p>Fonte: Adaptado de ALBERTS, 2017, p. 359</p><p>Evidentemente, uma enzima tão eficiente e de poder tão destrutivo é altamente</p><p>regulada para que possa reconhecer entre uma proteína “correta” e uma “inadequada”,</p><p>de forma que apenas proteínas marcadas por ubiquitinação são destruídas.</p><p>16</p><p>17</p><p>A proteólise compete com o enovelamento. Caso uma proteína seja de enovelamento</p><p>muito lento, fica vulnerável à maquinaria proteolítica por mais tempo, acarretando que</p><p>um maior número de moléculas possa ser destruído antes que complete seu enove-</p><p>lamento adequado, enquanto uma proteína que se enovele rapidamente será pouco</p><p>exposta à proteólise e apenas poucas moléculas poderão ser atingidas e destruídas.</p><p>Proteínas que sofreram mutação ou algum erro em seus processos de transcrição,</p><p>splicing e tradução podem ser incapazes de se enovelar adequadamente.</p><p>Agora, imagine o que poderia acontecer se essa proteína de conformação inade-</p><p>quada fosse mantida?</p><p>Ela não só será incapaz de exercer sua função, como poderá gerar sérios da-</p><p>nos celulares.</p><p>Portanto, é crucial que o sistema de degradação proteolítico destrua essas proteí-</p><p>nas nocivas. Além disso, existe um sistema de vigilância baseado no RE que detecta</p><p>proteínas que falharam no correto processo de enovelamento ou de associação pro-</p><p>teica após entrarem no RE e, então, redireciona essas proteínas ao citosol para serem</p><p>degradadas pelo proteassomo.</p><p>Moléculas de proteínas nascentes podem ser, eventualmente, destruídas pelo sis-</p><p>tema ubiquitina-proteassomo, visto que, enquanto ainda não estão completamente</p><p>enovelada, estarão expostos sinais de degradação.</p><p>Uma outra atuação desse sistema de degradação proteolítica é de determinar o</p><p>tempo de vida das proteínas.</p><p>Vamos pensar, por exemplo, no caso de proteínas do ciclo celular que necessitam</p><p>de uma atuação rápida e depois precisam ser destruídas para que o ciclo prossiga,</p><p>sendo rapidamente acionado o sistema de degradação por proteassomo.</p><p>Alterações de estado de uma célula, reações ao ambiente tudo isso também envol-</p><p>verá a participação das vias proteolíticas.</p><p>Um dado muito interessante descoberto é de que as proteínas já possuem em si</p><p>próprias o sinal que as leva para a destruição, como se carregassem uma bomba</p><p>autodestruidora consigo.</p><p>Acontece que 80% das proteínas humanas são acetiladas no resíduo N-terminal e</p><p>essa modificação, por sua vez, é reconhecida por uma enzima denominada E3 que</p><p>direciona para a ubiquitinação da proteína e envio ao proteassomo para sua destruição.</p><p>Parece loucura, certo?</p><p>Entretanto, é um mecanismo sofisticado de autorregulação, de forma que, quando a</p><p>proteína está adequadamente enovelada, esta extremidade N-terminal está escondida.</p><p>Em decorrência desse mecanismo, quando uma proteína sofre danos, mutações</p><p>ou não consegue se enovelar corretamente, o sinal estará exposto e a proteína será</p><p>degradada pelo sistema ubiquitina-proteassomo.</p><p>17</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Pesquisadores estudam ubiquitina para combater o câncer e prevenir a zika.</p><p>Disponível em: https://bit.ly/3eHmqAl</p><p>O que é proteossoma?</p><p>Por que ocorre a degradação de algumas proteínas?</p><p>Explique o processo de desnaturação de uma proteína.</p><p>Controle da Expressão Gênica</p><p>Uma das grandes indagações que deve ser feita no estudo da Biologia Molecular</p><p>da célula é o que difere uma célula de outra se ambas possuem o mesmo material</p><p>genético? Como é determinado que uma célula da orelha não seja uma célula pan-</p><p>creática produtora de insulina?</p><p>A diferença está na expressão gênica de cada célula, a qual só irá expressar os genes</p><p>de acordo com sua função e localização. Claro que células de funções e localizações</p><p>diferentes também irão compartilhar genes em comum, muitos dos quais são essenciais</p><p>a todas as células, são os chamados genes de manutenção (housekeeping genes).</p><p>Entretanto, há moléculas de proteínas e RNAs que são encontradas apenas nas</p><p>respectivas células especializadas em que atuam e, mesmo com tecnologias sensí-</p><p>veis, não são encontradas em outros locais.</p><p>Não há dúvida alguma de que é fundamental o estudo aprofundado de como é</p><p>controlada essa expressão gênica, os fatores envolvidos e que mecanismos permitem</p><p>a seletividade da expressão de um gene.</p><p>As células devem estar prontas para mudanças ambientais repentinas de maneira</p><p>a responder com uma expressão proteica coerente. Os eucariotos, por exemplo, uti-</p><p>lizam-se frequentemente da fosforilação do fator de início da tradução eIF2 realizado</p><p>por proteínas-cinases específicas que respondem às alterações ambientais.</p><p>Dessa forma, a célula diminui a taxa total de síntese proteica em resposta a situ-</p><p>ações como a privação de nutrientes, as infecções por vírus e os aumentos súbitos</p><p>na temperatura.</p><p>O principal controle, para a grande maioria dos genes, é o controle transcricional,</p><p>visto que evita que a célula não sintetize intermediários supérfluos.</p><p>A transcrição de genes pode ser ativada e desativada por reguladores transcri-</p><p>cionais.</p><p>18</p><p>19</p><p>Regulação da Transcrição Gênica em</p><p>Procariotos e o Sistema Operon</p><p>Em procariotos, a partir de um único promotor, a RNA polimerase transcreve mais</p><p>de um gene em sequência, formando um longo RNA denominado RNA policistrônico.</p><p>O operon é esse conjunto de genes estruturais organizados em sequência contro-</p><p>lados por um único promotor.</p><p>A atividade de um único promotor pode ser regulada por vários reguladores trans-</p><p>cricionais diferentes.</p><p>No caso do Operon Lac, há a atuação tanto de um repressor quanto de um ati-</p><p>vador CAP.</p><p>Figura 8 – Operon Lac</p><p>Fonte: Adaptado de WATSON et al., 2015, p. 620</p><p>Operon Lac – Regulação gênica. Disponível em: https://youtu.be/7_FrhNHBSW4</p><p>A proteína ativadora bacteriana CAP precisa se ligar ao AMP cíclico (cAMP) antes</p><p>que</p><p>possa ligar-se ao DNA.</p><p>O LacZ é o primeiro gene do operon que codifica a enzima β-galactosidase res-</p><p>ponsável pela quebra de lactose em galactose e glicose.</p><p>A glicose é a principal fonte de carbono para as bactérias e, quando ausente, os</p><p>níveis de cAMP aumentam, por sua vez, CAP aciona a produção de enzimas que</p><p>digerem fontes alternativas de açúcares – incluindo a lactose.</p><p>Mas, não faz sentido algum induzir a expressão do operon Lac se não há lac-</p><p>tose disponível.</p><p>Na ausência de lactose, existe o repressor Lac que se liga a uma sequência regu-</p><p>ladora denominada operador Lac, inativando a expressão.</p><p>Com a presença de lactose, há aumento da concentração de alolactose, a qual se</p><p>liga ao repressor e libera o operador.</p><p>Esse mecanismo coordenado permite que o operon somente seja expresso quan-</p><p>do ocorrem as duas condições: ausência de glicose e a lactose deve estar presente.</p><p>Todos os reguladores transcricionais – repressores ou ativadores – devem estar</p><p>ligados ao DNA para exercerem os seus efeitos (Figura 9).</p><p>19</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Figura 9 – Expressão dos genes lac</p><p>Fonte: Adaptado de WATSON et al., 2015, p. 621</p><p>Regulação Gênica em Eucariotos</p><p>Uma célula pode controlar as proteínas que produz. Em eucariotos, a regulação é</p><p>bem mais complexa devido à estrutura da cromatina.</p><p>Além disso, existem proteínas contendo múltiplas subunidades denominadas</p><p>coativadores e correpressores que se associam ao DNA juntamente aos reguladores.</p><p>Esse controle ocorre em todas as etapas do DNA ao RNA, até a proteína (Figura 10):</p><p>• Controle transcricional: controlando quando e como um determinado gene</p><p>é transcrito;</p><p>• Controle do do processamento de RNA: controlando como o transcrito de</p><p>RNA é submetido a splicing ou é processado;</p><p>• Controle do transporte e da localização de RNA: selecionando quais mR-</p><p>NAs completos são exportados do núcleo para o citoplasma e determinando</p><p>onde no citoplasma eles ficam localizados;</p><p>• Controle traducional: selecionando quais mRNAs no citoplasma são traduzi-</p><p>dos pelos ribossomos;</p><p>• Controle da degradação do mRNA: desestabilizando seletivamente certas</p><p>moléculas de mRNA no citoplasma;</p><p>• Controle da atividade proteica: ativando, inativando, degradando ou comparti-</p><p>mentalizando seletivamente moléculas de proteína específicas após a sua produção.</p><p>20</p><p>21</p><p>Figura 10 – Seis etapas nas quais a expressão gênica eucariótica pode ser controlada</p><p>Fonte: Adaptado de ALBERTS, 2017, p. 373</p><p>Os reguladores transcricionais em eucariotos normalmente atuam em grupos e</p><p>reconhecem determinadas sequências que constituem pequenos trechos de DNA</p><p>denominados sequências reguladoras cis-atuantes.</p><p>Os ativadores transcricionais eucarióticos usam variados mecanismos, como</p><p>atrair coativadores incluindo enzimas modificadoras de histonas, complexos de re-</p><p>modelagem da cromatina dependentes de ATP e chaperonas de histonas, cada um</p><p>dos quais podendo alterar a estrutura da cromatina dos promotores.</p><p>Essas alterações fornecem um maior acesso ao DNA, facilitando, consequente-</p><p>mente, a transcrição. Além disso, mudanças locais da cromatina dirigidas por um</p><p>regulador transcricional possibilitam a ligação de reguladores adicionais.</p><p>É de conhecimento que sítios realmente muito distantes podem afetar a RNA-</p><p>-polimerase no promotor.</p><p>Como isso é possível?</p><p>Isso se deve à flexibilidade da hélice do DNA, que pode curvar-se, possibilitando</p><p>essa interação.</p><p>As sequências reguladoras cis-atuantes em que se ligam proteínas ativadoras da</p><p>transcrição eucariótica denominam-se estimuladores (enhancers).</p><p>Algumas proteínas ativadoras ligam-se em mais de um fator de transcrição geral e</p><p>aceleram sua associação em um promotor, que foi trazido para a proximidade desse</p><p>ativador com a estrutura do DNA, curvando-se e formando uma alça de DNA.</p><p>Um dos coativadores mais prevalentes é o Mediador, grande complexo proteico</p><p>de tamanho próximo ao da RNA-polimerase, que realiza uma importante atividade</p><p>mediando a associação no promotor dos ativadores transcricionais ligados ao DNA,</p><p>RNA-polimerase e fatores de transcrição gerais.</p><p>O momento e o local no qual cada gene é transcrito, assim como suas taxas de</p><p>transcrição sob diferentes condições, determina-se pelo conjunto particular de regu-</p><p>ladores transcricionais que se ligam à região reguladora do gene.</p><p>21</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Devemos observar que um único gene eucariótico, normalmente, é controlado</p><p>por diversos reguladores transcricionais ligados a sequências as quais podem estar</p><p>localizadas a centenas de milhares de pares de nucleotídeos do promotor.</p><p>Portanto, a compreensão de todos os fatores atuantes para determinar a expres-</p><p>são de um determinado gene é algo extremamente complexo repleto de participan-</p><p>tes e deve ser analisado de forma conjunta.</p><p>O que é o operon Lac?</p><p>Em que fases pode ocorrer a regulação gênica em eucariotos?</p><p>Qual é a função dos ativadores transcricionais?</p><p>22</p><p>23</p><p>Material Complementar</p><p>Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:</p><p>Livros</p><p>Biologia molecular da célula</p><p>ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 6.ed. Porto Alegre ArtMed, 2017.</p><p>Biologia celular e molecular</p><p>LODISH, H. et al. Biologia celular e molecular. 7.ed. Porto Alegre ArtMed, 2014.</p><p>Leitura</p><p>Direcionamento de proteínas</p><p>Como as marcas moleculares são usadas para direcionar proteínas para diferentes</p><p>partes da célula (e para o exterior da célula).</p><p>https://bit.ly/2ODuhoa</p><p>Introdução ao problema de enovelamento de proteínas: uma abordagem utilizando modelos</p><p>computacionais simplificados</p><p>https://bit.ly/46jGYdd</p><p>Proteólise ATP-Dependente de proteínas marcadas com Ubiquitina</p><p>https://bit.ly/3eNyctd</p><p>Visão geral: regulação gênica em eucariontes</p><p>Como diferentes genes são expressos em diferentes tipos de células.</p><p>https://bit.ly/39fS6fc</p><p>23</p><p>UNIDADE Estrutura das Proteínas e Controle da Expressão Gênica</p><p>Referências</p><p>ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 6.ed. Porto Alegre: ArtMed, 2017.</p><p>DE ROBERTIS, E.M. Biologia celular e molecular. 16.ed. Rio de Janeiro: Guanabara</p><p>Koogan, 2014.</p><p>LODISH, H. et al. Biologia celular e molecular. 7.ed. Porto Alegre: ArtMed, 2014.</p><p>WATSON, J. D. et al. Biologia Molecular do Gene 7.ed. Porto Alegre: Artmed, 2015.</p><p>ZAHA, A.; FERREIRA, H. B.; PASSAGLIA, L. M. P. Biologia Molecular Básica.</p><p>5.ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.</p><p>24</p>