Compartimentos intracelulares e transporte de proteínas

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Compartimentos intracelulares e transporte de proteínas
(Fundamentos da Biologia Celular – 4ª ed. – ALBERTS)
	Para que a célula funcione de modo eficaz, os diversos processos que ocorrem de maneira simultânea devem ser segregados. Um dos mecanismos, utilizados tanto por eucariotos quanto por procariotos é a agregação de diferentes enzimas utilizadas para catalisar determinada sequência de reação em um grande complexo proteico. Outro mecanismo, dessa vez utilizado em eucarióticos é o confinamento dos diferentes processos metabólicos em compartimentos delimitados por membranas.
	Organelas delimitadas por membranas – As principais organelas delimitadas por membranas de uma célula animal são: Núcleo, Mitocôndria, Aparelho de Golgi, Retículo Endoplasmático, Lisossomo, Endossomo e Peroxissomo. Estas organelas estão imersas no citosol, o qual é delimitado pela membrana plasmática. O núcleo é geralmente a organela mais proeminente da célula, sendo delimitado pelo envelope nuclear, que é uma membrana dupla, que possui poros, pelos quais o núcleo se comunica com o citosol. A membrana nuclear externa é contínua ao retículo endoplasmático (RE), que consiste num sistema de sacos e tubos de membrana conectados. Ele é o principal local de síntese de novas membranas na célula. Boa parte do RE possui ribossomos aderidos, sendo, portanto, chamado de RE rugoso. Esses ribossomos são responsáveis pela síntese de proteínas que são encaminhadas para a membrana do RE ou para seu lúmen. A outra parte do RE que não possui ribossomos aderidos é chamada RE liso, ele é escasso em algumas células, mas altamente desenvolvidos em outras para realizar funções específicas como síntese de hormônios esteroides em células da suprarrenal ou é local da detoxificação, realizada pelas células hepáticas. O Aparelho de Golgi é normalmente localizado perto ao núcleo e recebe proteínas e lipídeos do RE, modifica-os e despacha-os para outros locais da célula. Os lisossomos são pequenos sacos que contem enzimas digestivas que degradam organelas antigas, macromoléculas e partículas capadas por endocitose. Os endossomos são compartimentos que distribuem algumas moléculas ingeridas as reciclam de volta para a membrana plasmática. Já os peroxissomos são organelas que contêm enzimas utilizadas em reações oxidativas que degradam lipídeos e moléculas tóxicas. Por fim, as mitocôndrias são envoltas por membrana dupla e são o local da fosforilação oxidativa nas células animais. Muitas dessas organelas são mantidas em seus lugares devido a ligações que realizam com o citoesqueleto. São esses filamentos de citoesqueleto que fornecem vias para o movimento das organelas e para o direcionamento do tráfego de vesículas entre essas organelas. 
	Acredita-se que o precursor dos seres eucarióticos foram seres procarióticos simples. As membranas nucleares, do RE, do aparelho de Golgi, endossomos e lisossomos se originaram (provavelmente) pela invaginação da membrana plasmática. Essas organelas fazem parte do sistema de endomembranas. Essa teoria também explica a delimitação do núcleo por membranas. Já as mitocôndrias, por possuírem um pequeno genoma próprio, acredita-se ter sido incorporada a célula pela teoria endossimbionte.
	Distribuição de proteínas – Mesmo em células que não estão em divisão, as proteínas são produzidas continuamente. Essas proteínas recém sintetizadas devem ser entregues às organelas de forma precisa, desta forma, é necessário o endereçamento dessas proteínas para seu local correto para o funcionamento apropriado da célula. Algumas organelas (mitocôndrias, clorosplastos, peroxissomos e núcleo) recebem proteínas diretamente do citosol, já outras (aparelho de Golgi, lisossomos, endossomos, membrana nuclear interna) as proteínas são distribuídas a partir do RE. O destino de cada molécula proteica sintetizada pela célula depende de sua sequência de aminoácidos, a qual pode conter um sinal de distribuição que direciona à organela correta. As proteínas que não possuem tal sinal permanecem no citosol. Existe um problema para a importação de proteínas hidrofílicas uma vez que a membrana é formada basicamente de lipídeos, sendo, portanto, hidrofóbica. As proteínas que vão para o núcleo são transportadas pelos poros nucleares, que transportam ativamente macromoléculas específicas e permitem livre difusão de moléculas menores. Já as proteínas que tem como destino o RE, mitocôndrias e cloroplastos são transportados através de translocadores proteicos localizados nas membranas. Essas proteínas devem se desdobrar para atravessar o translocador. Por fim, as proteínas que são transportadas a partir do RE, através dos sistemas de endomembranas, são transportadas por vesículas de transporte, que se desprendem de um compartimento e se fundem ao seguinte.
	O sinal de distribuição típico das proteínas é denominado sequência-sinal e possui cerca de 15 a 60 aminoácidos de comprimento. Essa sequência geralmente é removida da proteína madura, após a distribuição ter sido executada. As sequências-sinal que especificam um mesmo destino podem varia, ainda que possuam a mesma função. 
	O envelope nuclear é formado a partir de duas membranas concêntricas, a membrana nuclear interna, que contém algumas proteínas que atuam como sítio de ligação para os cromossomos e outras fornecem informação para a lâmina nuclear, uma malha tecida de filamentos proteicos que se dispões sobre a face interna da membrana fornecendo o suporte estrutural para o envelope nuclear. Já a membrana nuclear externa tem uma composição semelhante à membrana do RE, com a qual é contínua. O envelope é perfurado por poros nucleares, que formam canais que permitem que as moléculas entrem e saiam do núcleo. É formado por um complexo de cerca de 30 proteínas, algumas dessas proteínas contêm regiões não estruturadas, as quais formam uma rede delicada que preenche o centro do canal impedindo a passagem de grandes moléculas, mas permitindo a passagem de pequenas moléculas hidrossolúveis de maneira não seletiva. A sequência-sinal que direciona proteínas do citosol para o núcleo consiste, geralmente, em uma ou duas sequências curtas rica em lisinas ou argininas carregadas positivamente. Esse sinal é reconhecido por proteínas citosólicas, os receptores de importação nuclear. Uma vez no poro nuclear, o receptor penetra-o ligando-se a sequências curtas repetidas de aminoácidos presentes nas proteínas que preenchem o poro. Esse receptor colide ao longo de uma sequência repetida para outra até entrar no núcleo, liberando sua carga e retornando ao citosol para ser reutilizado. Esse processo requer gasto energético, obtido através da hidrólise do GTP, mediada pela GTPase Ran. Os poros nucleares transportam as proteínas totalmente enovelada, e componentes ribossômicos como partículas associadas.
	No que se refere ao transporte para as mitocôndrias, as proteínas possuem uma sequência-sinal na região N-terminal. Isso é necessário pois, apesar de possuir genoma próprio e produzir algumas proteínas, a maioria das proteínas necessárias ao funcionamento das mitocôndrias é codificada por genes nucleares e importada do citosol. As proteínas são translocadas simultaneamente por ambas as membranas mitocondriais, em sítios especializados, onde estas membranas entram em contato uma com a outra. Cada proteína é desnaturada à medida que é transportada e a sequência-sinal é removida após a translocação se completar. As chaperonas existentes dentro da organela, ajuda a transportar a proteína pelas membranas e enovela-las, quando chegam ao interior mitocondrial. 
	Os peroxissomos estão presentes em todas as células eucarióticas e degradam várias moléculas, como toxinas, álcool e ácidos graxos. Alem disso, sintetizam alguns fosfolipídeos, incluindo os presentes na bainha de mielina. Eles adquirem boa parte de suas proteínas através de transporte seletivo a partir do citosol. Essas possuem uma sequência-sinal curta, de apenas três aminoácidos. Essa sequência é reconhecida por protepinas receptoras no citosol, das quais pelo menos umatransporta sua porteína carga por todo o caminho até o interior do peroxissomo antes de retornar ao citosol. A membrana do peroxissomo também tem um translocador de proteína que auxilia no transporte. Porém, para entrada no peroxissomo, não é necessária a desnaturação da proteína. Algumas proteínas de membrana chegam ao peroxissomo por meio de vesículas vindas do RE.
	Deiferente das outras organelas, o RE é um ponte de entrada para proteínas destinadas a outras organelas, além das destinadas ao próprio RE. As proteínas que tem como destino o aparelho de Golgi, endossomos, lisossomos e a superfície celular, são inicialmente transportadas ao RE a partir do citosol. Dois tipos proteicos são transportados ao RE: as proteínas hidrossolúveis são completamente translocadas pela membrana do RE e liberadas em seu lúmen. As futuras proteínas transmenbrânicas são translocadas apenas em parte pela membrana do RE e ficam nela embebidas. As sequências-sianl de RE, são um segmento de oito ou mais aminoácidos hidrofóbicos. A maioria das proteínas que entram no RE inicia sua rota por meio da membrana do retículo antes que a cadeia polipeptidica esteja totalmente sintetizada. Esse fato exige que os ribossomos fiquem ligados à membrana do RE, formando o chamado RE rugoso. Esses ribossomos aderidos sintetizam apenas proteínas que serão translocadas ao RE, já os ribossomos livres sintetizam as demais proteínas. Pelo fato da proteína ser translocada para o interior do RE a medida que é produzida, não é necessparia energia adicional para que esse processo ocorra.
	São necessários dois componentes proteicos para guiar as sequências-sinal para a membrana do RE: uma partícula de reconhecimento de sinal (SRP), que se liga ao ribossomo e à sequência-sinal quando emerge do ribossomo e um receptor de SRP integrado à membrada do RE. Essa ligação do ribossomo com a SRP desacelera a síntese proteica até que a SRP se ligue ao receptor. Quando ocorre essa ligação a SRP é liberada e o polipeptideo é conduzido através de um canal translocador. A sequência-sinal também funciona para abrir o canal tranlocador de proteína e fica ligada a ele enquanto o resante da cadeia é introduzida formando uma alça. Após ela é removida por uma peptidase-sinal transmembrânica, é clivada e repidamente degradada. 
	Já para as proteínas transmembrânicas, possuem um mecanismo mais complexo para sua translocação. No caso em que a proteína possui apenas um segmento transmembrânico, a sequência sinal N-terminal inicia a translocação, no entanto o processo é interrompido por uma sequência de parada de trasferência. É nesse ponto que o canal libera a cadeia polipeptídica no interior da bicamada lipídica. A sequência N-terminal é clivada, enquanto a sequência de parada permanece na membrana formando um segmento α-helicoidal que ancora a proteína na membrana. Em algumas outras proteínas é utilizada uma sequência-sinal interna para iniciar a transferência da proteína, essa sequência nunca é removida do polipeptídeo. Uma sequência interna de início de transferência serve para iniciar a translocação, que continua até que seja alcançada uma sequência de parada; as duas sequências hidrofóbicas são liberadas na bicamada, onde permanecem como α-hélices transmembrânicas. 
Transporte Vesicular – Geralmente as proteínas que entram no lúmen do RE tem com destino final o aparelho de Golgi, onde serão modificadas e distribuídas para outros locais. Esse transporte através do sistema de endomembranas é conduzido pelo brotamento contínuo e pela fusão de vesículas de transporte. O trasporte vesicular se estende para fora do RE em direção à membrana plasmática e dela para os lisossomos, fornecendo rotas de comunicação entre o interior da célula e seu meio. Esse sistema possui uma via secretória principal, que se inicia com a síntese proteica, a entrada da proteína no RE, e continua pelo aparelho de Golgia até a superfície celular. No Golgi há uma rota paralela que conduz ao longo dos endossomos até os lisossomos. Existe ainda uma via endocítica responsável pela ingestão e degradação de moléculas extracelulares que vai da membrana, por meio dos endossomos, para os lisossomos. 
Em geral as vesículas que brotam das membranas tem um revestimento proteico distinto na superfície citosólica, sendo chamadas vesículas revstidas. Depois de brotar, a vesícula perde seu revestimento, permitindo que a membrana interaja diretamente com a membrana a que vai se fundir. Esse revestimento serve tanto para ajudar a moldar a membrana em um broto quanto pra capturar moléculas para prosseguir o transporte. As vesículas revestidas por clatrina são as mais estudadas. Elas brotam do aparelho de Golgi na via secretória e da membrana plasmática pela via endocítica. Na membrana a vesícula se inicia com uma pequena invaginação revestida por clatrina. As moléculas de clatrina vão, então, se associando em rede de forma esférica na superfície citosólica da membrana e esse processo começa a dar formato de vesícula à membrana. Uma pequena proteína de ligação a GTP, a dinamina, associa-se como um anel ao redor da invaginação, provocando contração do anel e destaca a vesícula da membrana. Uma proteína chamada adaptina fixa o revestimento de clatrina à membrana e ajuda a selecionas as moléculas a serem transportadas. Elas ajudam a capturar moléculas de cargas específicas pela sua ligação aos receptores de carga que estão na membrana. Outra classe de vesículas, as revestidas por COP, está envolvida no transporte de moléculas entre o RE e o aparelho de Golgi, e de uma parte do Golgi para outra.
	Uma vez que a vesícula alcance seu alvo, ela tem que reconhecer e se ancorar na organela específica, somente após isso a vesícula pode fundir-se a membrana e liberar sua carga. Essa identificação depende de uma famíla de GTPases denominadas proteínas Rab. Essas proteínas estão presentes na superfície vesicular e são reconhecidas por proteínas de conexão na superfície da membrana-alvo. Um reconhecimento é fornecido por uma família de proteínas transmembrânicas, as SNAREs. Uma vez que a proteína de conexão tenha reconhecido uma vesícula para ligação de alta afinidade com sua proteína Rab, as SNAREs presentes na vesícula interagem com as SNAREs complemetares que estão na membrana-alvo, ancorando a vesícula. Essas SNAREs também tem função na catálise da fusão de membranas. Essa fusão não só permite a liberação do conteúdo vesicular, como também adiciona a membrana da vesícula à membrana da organela. 
Vias Secretórias – Algumas moléculas são encaminhadas a partir do RE, via aparelho de Golgi, para a superfície celular, onde sofrerão exocitose. Conforme a proteína passa de um compartimento para outro, ela é monitorada para verificar se foi corretamente enovelada e associada às suas parceiras apropriadas, de modo que apenas proteínas corretamente construídas cheguem à superfície celular. As associações incorretas são degradadas dentro da célula. A maioria das moléculas que entram no RE são quimicamente modificadas nesses compartimento. São formadas pontes dissulfeto pela oxidação das cadeias de cisteínas. Essas pontes ajudam a estabilizar a estrutura de proteínas que encontrarão enzimas de degradação e variações de pH. Muitas proteínas também são glicosiladas (adição de oligossacarídeos). Essa glicosilação serve para uma gama de funções: proteger da degradação, retê-la no RE para processamento, auxiliar no transporte (servindo como sinal), se presentes na superfície celular, fazem parte do glicocálice. Esse oligossacarídeo é anexado em bloco e não açúcar por açúcar.
	O aparelho de Golgi consiste num conjunto de sacos achatados, as cisternas. Ele possui duas faces distintas: a de entrada (cis), que é adjacente ao RE e a de saída (trans), que está voltada para a membrana plasmática. As proteínas que entram pela face cis podem mover-se adiante, ou, caso contenham um sinal de retenção no RE, ser direcionadas de volta. As proteínas que saem pela face trans tem como destino os lisossomos (via endossomos) ou a superfície celular. Muitasdas cadeias de oligossacarídeos inseridas no RE sofrem modificações no aparelho de Golgi. 
	A via constitutiva de exocitosse fornece à membrana plasmática lipídeos e proteínas recém-sintetizados permitindo que a membrana se expanda antes da divisão e renove lipídeos e proteínas nas células que não estão em divisão. Serve ainda para secreção de proteínas solúveis no meio extracelular. Essas proteínas podem permanecer ligadas à superfície, ser incorporadas na matriz extracelular, se difundir no líquido extracelular ou sinalizar outras células. Essa via opera continuamente em todas as células eucarióticas. Já na via regulada de exocitose, a célula produz grande quantidades de determinado produto que são armazenadas em vesículas secretórias para liberação posterior. 
Vias Endocíticas – as células estão continuamente capturando substâncias pelo processo de endocitose. O material ingerido é progressivamente circundado pela membrana, sendo invaginado e formando uma vesícula endocítica. Esse material endocitado pode ser digerido pelos lisossomos ou reciclado para a membrana plasmática. Existem dois tipos de endocitose: a pinocitose, que é a ingestão de líquidos e moléculas por pequenas vesículas (<150nm), e a fagocitose, que envolve a ingestão de partículas grandes (>250nm). A fagocitose é geralmente realizada por células especializadas que servem sobretudo para a defesa do organismo. Também é utilizada para limpeza de células mortas ou defeituosas e restos celulares. A pinocitose é um processo que ocorre em todas as células e sua taxa depende do tipo celular. A mesma quantidade de membrana que é adicionada a superfície por exocitose é removida por endocitose, de forma a manter o mesmo tamanho e volume celular.