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Esteffane Seitz- TXVI Compartimentos intracelulares e endereçamento de proteínas - A célula bacteriana consiste em um único compartimento intracelular envolto por membrana, já a célula eucariótica é subdividida em compartimentos funcionalmente distintos envoltos por membrana (Organelas). Cada organela possui proteínas específicas, sendo a maioria delas sintetizadas no citosol e depois entregue à organela específica Compartimentalização das Células • Todas as células eucarióticas têm o mesmo conjunto básico de organelas envoltas por membrana: • - Processos Bioquímicos vitais ocorrem dentro ou na superfície das membranas. Dessa forma, os sistemas de membranas intracelulares (organelas), além de proporcionar o aumento da área de membranas disponíveis para reações bioquímicas, formam compartimentos fechados separados do citosol funcionalmente especializados por conter proteínas e íons específicos que otimizam as reações bioquímicas que participam. Como a bicamada lipídica das membranas das organelas são impermeáveis a moléculas hidrofílicas, a membrana de cada organela necessita de proteínas de transporte e mecanismo que corroborem com a importação, incorporação e exportação de proteínas e metabólicos específicos. - As células eucariontes possuem compartimentos intracelulares comuns: 1. Núcleo: Contém o genoma e é o local principal de síntese de DNA e RNA, o qual está embebido no citoplasma (Citosol + Organelas) 2. Citosol: Sítio de síntese e degradação de proteínas 3. Retículo Endoplasmático (RE): Produz maioria dos lipídeos, reserva de íons Ca2+. É dividido em RE rugoso (Possui ribossomos na superfície, as quais são organelas não envoltas por membrana que sintetizam proteínas) e RE liso (Sem ribossomos). Por fim, envia proteínas e lipídeos ao Complexo de Golgi 4. Complexo de Golgi: Recebe lipídeos e proteínas do RE, modificando-os por realizar glicosilação e os destinam à locais específicos Esteffane Seitz- TXVI 5. Mitocôndrias: Produz o ATP (Respiração Intracelular) 6. Lisossomos: Contém enzimas digestivas responsável na degradação intracelular 7. Endossomos: Organela membranosa formada pelo processo de endocitose de algum material, o qual o transporta até os lisossomos 8. Peroxissomos: Contém enzimas usadas em reações oxidativas Obs 1: A abundância e forma das organelas envoltas por membrana são reguladas em função da necessidade da célula. As organelas são encontradas em posições específicas no citoplasma, essa distribuição depende da sua interação com o citoesqueleto • A origem evolutiva pode ajudar a explicar a relação topológica das organelas: - As células eucarióticas derivam de células muito simples. Nessas células, a membrana plasmática realiza todas as funções dependentes de membrana. As células eucarióticas atuas são muito maiores, logo o surgimento de membranas internas é um adaptação da célula a esse grande aumento de tamanho e ao mesmo tempo garantir mais superfície de membrana para sustentar funções vitais dependentes de membrana - As organelas derivam da invaginação e dobramento da membrana plasmática da célula ancestral, criando organelas delimitadas por membranas com o lúmen equivalente ao exterior da célula. Exceto as mitocôndrias, pois elas possuem próprio genoma e proteínas semelhantes aos das bactérias, o que sugere que evoluíram de bactérias engolfadas por outras células com quem realizava simbiose. Dessa forma, originando uma organela com uma membrana interna derivada da membrana plasmática da bactéria e um lúmen derivado do citosol bacteriano e uma membrana externa circundante como as bactérias que as originaram também possuíam, o que isola a mitocôndria do enorme tráfego vesicular • As proteínas podem mover-se entra os compartimentos de diferentes maneiras: • - Todas as proteínas são sintetizadas inicialmente nos ribossomos livres no citosol, exceto as proteínas sintetizadas nos ribossomos das mitocôndrias. Posteriormente, o seu destino depende da sua sequência de aminoácidos, a qual pode conter sinais de endereçamento que os direcionam a organelas ou para fora do citosol ou não tem sinais de endereçamento e permanecem no citosol como residentes • - 3 caminhos diferentes feitos pelas proteínas de um compartimento a outro: 1. Transporte controlado por comportas: Proteínas e moléculas de RNA Esteffane Seitz- TXVI movimentam entre citosol e o núcleo através de complexos do poro nuclear no envelope nuclear, os quais atuam como canais seletivos que medeia o transporte ativo de macromoléculas específicas e difusão livre de pequenas moléculas 2. Translocação de proteínas: Translocadores de proteínas transmembrana transportam proteínas específicas do citosol para lúmen do compartimento –alvo, mas antes disso a proteínas transportada precisa se desdobra para passar pelo translocador. Proteínas integrais da membrana usa os translocadores, mas são deslocados parcialmente através da membrana e incorporados a membrana plasmática 3. Transporte Vesicular: Intermediário de transporte entre compartimentos envolto por membrana IMPORTANTE: AMBAS AS FORMAS DE TRANSPORTE DE PROTEÍNAS É GUIADA POR SINAIS DE ENDERAÇAMENTOS NA PROTEÍNA TRANSPORTADA QUE SÃO RECONHECIDOS PELOS RECECPTORES DE ENCEREÇAMENTO COMPLEMENTARES AS SEQUÊNCIAS-SINAL E OS RECEPTORES DE ENDEREÇAMENTO DIRECIONAM PROTEÍNAS AOS DESTINOS CELULARES CORRETOS: - As sequências-sinal são frequentemente encontradas na porção N-terminal da cadeia polipeptídica e consiste em uma sequência de aminoácidos que especifica seu destino na célula. Essas sequências- sinal são reconhecidas pelos receptores de endereçamento complementares que guiam proteínas ao seu destino correto e permite descarregamento da carga transportada. Os rececptores atuam cataliticamente – depois de completar um ciclo, retorna à origem para ser reutilizado. Alguns receptores de endereçamento reconhecem várias classes de proteínas Obs: Em muitos casos, a peptidase- sinal removem a sequência-sinal da proteína quando a mesma está finalizada e o processo de endereçamento está completado A maioria das organelas não pode ser construída de novo: elas necessitam de informações presentes na própria organela: - Quando a célula vai se dividir, ela precisa duplicar as organelas, além dos seus cromossomos e dividir entre as células- filhas • Dessa forma, cada célula-filha herda um conjunto de membranas celulares especializadas, já que a célula não as produzem do zero, pois elas contém informações necessárias para sua montagem, logo a sua ausência impediria que elas sejam formadas novamente Esteffane Seitz- TXVI Transporte de proteínas para mitocôndrias e cloroplastos • As mitocôndrias e os cloroplastos são organelas de dupla membrana responsáveis pela síntese do ATP. Apesar de possuir o próprio DNA, ribossomos e componentes necessários à síntese de proteínas, a maioria de suas proteínas não codificadas no núcleo celular e importada do citosol a um subcompartimento organelar específico onde exercerá sua função. A mitocôndria possui diferentes subcompartimentos: Espaço da matriz, Espaço intermembrana que é contínuo com o Espaço das Cristas, os quais são delimitados pela membrana interna e externa. Cada subcompartimento nas mitocôndrias contém um conjunto distinto de proteínas. Novas mitocôndrias são produzidas pelo crescimento e fissão de uma preexistente, esse crescimento decorre da importação de proteínas do citosol que são translocadas por proteínas e como isso ocorre é o foco desse tópico A Translocação para dentro da mitocôndria depende de sequências- sinal e de translocadoresde proteína: - As proteínas mitocondriais são sintetizadas inicialmente como proteínas precursoreas mitocondriais no citosol, as quais são translocadas para um subcompartimento mitocondrial específico a partir do direcionamento proporcionado pela presença de sequências-sinal . Proteínas com sequência-sinal na região N-terminal é removida por uma peptidase após importação, porém as proteínas com sequência- sinal interna não são removidas. Proteínas receptoras específicas, que consiste em um complexo proteico, reconhecem a sequência específica de aminoácidos da sequência-sinal e atuam como translocadores de proteínas Obs: Os complexos TOM e TIM tem componentes que atuam como receptores e outros que formam o canal de translocação 1. Complexo TOM: Transfere proteínas através da membrana externa 2. Complexo TIM (TIM23 e TIM22): Transfere proteínas através da membrana interna 3. Complexo SAM: Incorpora proteínas PORINAS na membrana mitocondrial externa 4. Complexo OXA: Medeia inserção de proteínas da membrana interna que são importadas ou sintetizadas no interior das mitocôndrias Esteffane Seitz- TXVI As proteínas precursoras mitocondriais são importadas como cadeias polipeptídicas desenoveladas: - As proteínas precursoras mitocondriais não se enovelam depois de serem sintetizadas, elas continuam desenoveladas por meio de interações com outras proteínas no citosol, principalmente, as proteínas chaperonas conhecidas como proteínas de interação que impedem a agregação ou enovelamento espontâneo de proteínas precursoras antes de sua interação com o complexo TOM. As proteínas precursoras podem atravessam as membranas mitocondriais de uma só vez para entrar na matriz por meio da ação acoplada dos Complexos TOM e TIM, entretanto, cada um desse translocador pode atuar independemente * Cascatinha do Lelê: Sequências- sinal de proteínas precursoras mitocondriais se ligam aos receptores de importação do complexo TOM. Concomitantemente, as proteínas de interação são removidas e a proteína desenovelada é translocada pelo canal de translocação do complexo TOM e pelo TIM23 até a matriz mitocondrial onde a sequência-sinal é clivada por uma peptidase-sinal e degradada e a proteína mitocondrial madura é formada A hidrólise de ATP e um potencial de membrana dirigem a importação de proteínas para o espaço da matriz: - A importação de proteínas para a mitocôndria depende da hidrólise de 2 moléculas de ATP, um fora da mitocôndria e um no espaço da matriz. Além disso, depende do potencial de membrana da membrana mitocondrial interna * Cascatinha do Lelê: O reconhecimento das sequências-sinais da proteínas precursoras mitocondriais ocasiona a liberação das proteínas de interação, a qual necessita da hidrólise do ATP. A sequência-sinal passa pelo complexo TOM e liga ao complexo TIM e é translocado por intermédio dele devido o potencial de membrana que garante a existência de um gradiente eletroquímico que fornece energia para síntese do ATP e translocação da sequência-sinal. Tal potencial é originado pelo bombeamento de H+ da matriz para espaço intermembrana. As hsp70mitocondriais se ligam ao complexo TIM2 pelo lado da matriz e age como um motor que puxa as proteínas precursoras para o espaço da matriz, a mesma sofre uma modificação conformacional e libera a cadeia proteica por meio da hidrólise do ATP. Essa ligação e liberação fornece força motriz necessária para completar a importação de proteínas inicialmente inseridas no complexo TIM23 Bactérias e mitocôndrias usam mecanismo similares para inserir PORINAs em suas membranas externas: Esteffane Seitz- TXVI - A membrana mitocondrial externa e membrana externa das bactérias possuem muitas proteínas barril Beta denominadas porinas - permeáveis a íons inorgânicos e metabólicos (mas não a maioria das proteínas). * Cascatinha do Lelê: O Complexo TOM não pode integrar PORINAS na bicamada lipídica, mas elas translocam as porinas desenoveladas para o espaço intermembrana onde se liga temporariamente a proteínas chaperonas que impedem sua agregação. Ambas se ligam ao Complexo SAM na membrana externa, a qual a insere na membrana externa e auxilia seu enovelamento apropriado O transporte para a membrana mitocondrial interna e para o espaço intermembrana ocorre por meio de diversas vias: 1. Na via de translocação mais comum, apenas a sequência-sinal na região N-terminal entra no espaço da matriz, pois uma sequência hidrofóbica de aminoácidos colocada estrategicamente após a sequência- sinal atua como uma sequência de parada de transferência que impede sua translocação através da membrana interna. O restante da proteína atravessa a membrana externa pelo Complexo TOM para espaço intermembrana, sequência- sinal é clivada na matriz e sequência hidrofóbica libera a TIM23 e permanece ancorada a membrana interna 2. Complexo TIM23 transloca a proteína inteira para a matriz onde a sequência-sinal na extremidade N- terminal é removida pela peptidase na matriz, expondo a sequência hidrofóbica que atua como uma segunda sequência-sinal que guia a proteína ao Complexo OXA que a insere na membrana interna 3. Muitas proteínas permanecem ancoradas por meio de suas sequências-sinais hidrofóbicas, mas algumas são liberadas no espaço intermembrana por uma protease 4. Proteínas do espaço intermembrana que contêm resíduos de cisteína são importados pela formação de ponte dissulfeto covalente com a proteína Mia40, as quais quando importadas são liberadas em uma forma oxidade com pontes dissulfeto intracadeia. A Mia40 é reduzida e reoxidada ao transferir elétrons para cadeia transportadora de elétrons na membrana mitocondrial interna. 5. A mitocôndria é meio de reações bioquímicas, logo necessitam de enzimas metabólicas. Na membrana externa elas conseguem atravessa pelas porinas. Porém, a membrana interna não Existem esse tipo de proteína, o seu transporte é mediado por uma família de proteínas transmembrana de passagem múltipla que possuem sequências-sinal internas. Cascatinha do Lelê – Essa proteínas atravessam o Complexo TOM e Esteffane Seitz- TXVI são guiadas pelas chaperonas do espaço intermembrana ao Complexo TIM22 que a insere na membrana interna por meio de um processo dependente de um potencial de membrana Transporte de Moléculas entre o Núcleo e o Citosol - O Envelope Nuclear delimita o compartimento nuclear e encerra o DNA e consiste em 2 membranas penetradas pelos complexos do poro nuclear. Embora a membrana nuclear interna e externa sejam contínuas, possuem composição proteica distinta, a interna possui proteínas que atuam como sítios de ligação para cromossomos e lâmina nuclear e a externa (contínua com a membrana do RE) possui ribossomos que sintetizam proteínas, as quais vão para o espaço entre as membranas nucleares (espaço perinuclear), o qual é contínuo com o lúmen do RE.. O tráfego bidirecional entre citosol e núcleo ocorre continuamente, o qual depende de um transporte seletivo através do envelope nuclear Os complexos do poro nuclear perfuram o envelope nuclear: - Os complexos do poro nuclear (NPCs) perfuram o envelope nuclear em todas as células eucarióticas e é formada por 30 diferentes proteínas denominadas de nucleoporinas. O NPC pode transporta mil macromoléculas por segunda em diferentes direções ao mesmo tempo, não se sabe como não existe congestionamento e colisão. Cada NPC contém canais aquosos através dos quais pequenas moléculas solúveis em água podem difundir-se passivamente, já as grandes proteínas solúveis demoram muito passa atravessar ou nem conseguem atravessa, o que mantém diferença de composiçãode proteínas entre compartimento nuclear e citosol. O tamanho limite da proteína para passar depende da estrutura do NCP Sinais de localização nuclear direcionam as proteínas nucleares ao núcleo: - Proteínas nucleares como proteínas que entram transitoriamente no núcleo possuem sinais de localização nuclear (NLSs)- lisina e arginina, os sinais de endereçamento em outras proteínas nucleares não foram caracterizados. A localização exata do sinal na proteína nuclear não é importante e basta a exposição de um sinal de localização nuclear que um proteína ou um complexo inteiro é importado para núcleo. As partículas ligam-se as fibrilas (“tentáculos”) que se estendem das nucleoporinas de suporte para o citosol e atravessam o centro do NPC. As regiões não estruturadas das nucleoporinas que forma a barreira de difusão para grandes moléculas Esteffane Seitz- TXVI - O transporte macromolecular pelos NCPs e por proteínas de transmembrana são diferentes, pois por o transporte de NPCs ocorre através de um grande poro em vez de uma proteína transportadora específica associada a uma bicamada lipídica, desse modo como a abertura é maior, as proteínas nucleares podem ser transportadas para o núcleo enovelada, diferente do transporte que ocorre nas organelas em que a proteína precisa ser desenovelada Os receptores de importação nuclear ligam-se tanto a sinais de localização nuclear quanto a proteínas NPC: - O reconhecimento de sinais de localização acontece pelos receptores de importação nuclear (importinas), as quais se ligam e transportam proteínas-carga contendo sinal de localização nuclear específico, as vezes os sinais de localização nuclear das proteínas nucleares se ligam a esses receptores por intermédio de proteínas adaptadoras. Além de se ligar aos sinais de localização nuclear, os receptores de importação nuclear ligam-se a sequências FG nos domínios não estruturas do canal de nucleoportinas,também encontradas nas fibrilas citoplasmáticas e nucleares, Essa interação, porém, é fraca e permite que esses receptores se movimentem ao longo do poro nuclear pela associação e dissociação das sequências de FG nesse porto até chegar no núcleo, onde os receptores de importação se dissocia da sua carga e retorna ao citosol. Dissociação só ocorre no lado nuclear do NPC para garantir direcionalidade do processo de importação A exportação nuclear funciona como a importação nuclear, mas de modo inverso: - O sistema de exportação funcionam de forma similar em direções opostas. A exportação de moléculas do núcleo ocorre por meio de NPCs e baseiam nos sinais de exportação nuclear que são reconhecidas pelos receptores de exportação nuclear (exportinas) , as quais se ligam tanto ao sinal de exportação quanto às proteínas NPC e assim guiar sua carga através do NPC ao citosol onde ela é liberada A GTPase Ran impõe a direcionalidade no transporte através dos NPCs: - A importação e exportação nuclear depende da energia armazenada em gradientes de concentração das GTPase Ran . A GTPase Ran pode existir em 2 estados conformacionais, depende se ela está ligada ao GDP ou GTP, a conversão em sua forma ativa (Ran-GTP) depende da Ran-GEF – troca de GDP por GTP e em sua forma inativa (Ran-GDP) depende da Ran-GAP – induz hidrólise do GTP. Citosol possui mais Ran-GAP e , consequentemente, Ran-GDP e o núcleo possui mais Ran-GEF e , consequemente, Ran-GTP. Então, o gradiente dessas GTPases Ran é essencial para o transporte nuclear na direção apropriada. Continua no Papel Esteffane Seitz- TXVI O transporte através de NPCs pode ser regulado pelo controle do acesso à maquinaria de transporte: - Algumas proteínas possuem tanto sinal de localização quanto de exportação nuclear, logo trafegam continuamente entre núcleo e citosol (Proteínas vaivém) e através da regulação da taxa de importação e exportação a localização e ação de uma proteína pode mudar. Formas de regular: 1. Célula controla o transporte por meio da regulação dos sinais de importação e exportação – ligando e desligando-os por fosforilação e desfororilação de aminoácidos perto das sequências-sinal 2. Reguladores de transcrição estão ancorados no citosol pela ligação com proteínas citosólicas inibitórias ou com sinais de importação mascarados que impedem sua associação com receptores de importação nuclear até a chegada de um estímulo Exemplo do Item 2 – Colesterol: A proteína que regula os genes envolvidos no metabolismo do colesterol, uma vez que essa proteína é sintetizada e armazenada de forma inativa como uma proteína transmembrana no RE, até a falta de colesterol induzir o seu transporte do RE para o Aparelho de Golgi onde o seu domínio citosólico é clivado por proteases específicas e essa proteína é liberada no citosol e é importado ao núcleo e ativa a transcrição de genes para a síntese e captação do colesterol Obs: Exceto a mRNAs não são exportadas pelo sistema de GTPases. Embora, a Ran-GTP atua indiretamento na sua exportação (pois ele importa proteínas que se ligam a molécula de mRNA), a sua translocação através do NPC depende da hidrólise de ATP. Acredita-se que a direcionalidade depende de proteínas acessórias presas aos NPCs nucleares e fibrilas citoplasmáticas Durante a mitose, o envelope nuclear é desmontado: - A lâmina nuclear se localiza no lado nuclear da membrana interno do núcleo e consiste em uma classe de filamentos intermediários que dá forma e estabilidade ao envelope nuclear e medeia ligações estruturais do envelope com o DNA - Durante a mitose, o núcleo se desmonta e os NPCs e a lâmina nuclear se fragmenta, resultado da fosforilação de nucleoporinas pela Cdk ativada no início da mitose e pela ação da proteína motora dineína quebrando a barreira que separa o núcleo e o citosol. As proteínas nucleares que não estão aderidas a membranas ou cromossomos se mistura com as proteínas do citosol, as proteínas de membrana do envelope nuclear se difunde pela membrana do RE e as proteínas NPCs se ligam a Esteffane Seitz- TXVI receptores de importação nuclear que contribuem na montagem de NPCs no fim da mitose. Posteriormente na mitose, o envelope nuclear se reagrega na superfície dos cromossomos-filhos. A Ran-GTPase atua como marcador de posição da cromatina durante divisão celular, visto que a Ran-GEF permanece ligada à cromatina, de modo que as Rans próximas são ligadas a GTP, ao contrária das outras moléculas Rans que estão distribuídas no citosol que encontram-se na forma de Ran-GDP pela alta probabilidade de encontrar a Ran-GAP. As Ran-GTP libera NPC que se anexam a superfície cromossômica onde são incorporadas em novos NPCs. Concomitantemente, proteínas da membrana nuclear interna e laminas se desfoforilam e se ligam à cromatina e, por fim, as membrans do RE envolve os cromossomos até formam um firma envelope nuclear. Inicialmente, o núcleo recém-formado exclui basicamente todas as proteínas, mas os NPCs iniciam a reimportação de proteínas com sinais de localização Retículo Endoplasmático: - Encontrado em todos as células eucarióticas, os quais tem papel na biossíntese de lipídeos e proteínas, armazenamento de Ca2+ e é importante pois todos as proteínas que serão excretadas, inicialmente, são enviados ao RE O RE é estrutural e funcionalmente diverso: - Para satisfazer demandas diferentes da célula, o RE se especializa, sendo uma dela o RE rugoso. O RE é capaz de importar proteínas antes dela concluir sua síntese por os ribossomos que produzem tal proteína encontram-se na sua parede, de modo que transloca um ponta da proteína para o RE enquanto o resto da cadeia é sintetizada (Cotraducional), já asoutras organelas só importam as proteínas quando as mesmas estão produzidas (Pós-traducional) - RE rugoso ou RE liso (A partir dele que se desprendem vesículas que transportam proteínas recém- sintetizadas e lipídeos para o Complexo de Golgi). O RE atua no sequestro e armazenamento de Ca2+ do citosol (áreas do RE especializadas em determinadas funções) As sequências-sinal foram descobertas primeiro em proteínas importadas para o RE rugoso: - O RE captura proteínas selecionadas do citosol assim que elas são sintetizadas – Proteínas transmembrana e Proteínas solúveis em água. Algumas dessas proteínas ficam no RE, mas muitas são destinadas a outros compartimentos. Porém, o que todas tem em comum é a presença da sequência-sinal do RE que induz o seu transporte até o RE onde vai ser destinado ao compartimento-alvo Esteffane Seitz- TXVI Uma partícula de reconhecimento de sinal (SRP) direciona a sequência- sinal do RE para um receptor específico na membrana do RE rugoso: - A sequência-sinal do RE é guiado à membrana do RE pela SRP, a qual se liga ao receptor SRP na membrana do RE. Ela é capaz de se ligar a diferentes sequências-sinais por seu sítio de ligação ser uma grande cavidade coberta por metioninas *Cascatinha do Lelê: Uma das pontas da SRP se liga à sequência-sinal do RE que emerge do ribossomo, a outra ponta se bloqueia o sítio de ligação do fator de elongamento ocasionando a pausa na síntese proteica, o que vai da tempo suficiente para o ribossomo se ligar a membrana do RE antes da síntese proteica ser completada, garantido que a proteína não seja liberada no citosol. A ligação da sequência-sinal com o SRP induz que o SRP exponha um sítio de ligação para o receptor SRP. O SRP se liga ao receptor que transfere complexo ribossomo-SRP a um translocador proteico não ocupado na mesma membrana. SRP e o receptor SRP são liberados e o translocador transfere cadeia polipeptídica através da membrana Obs: A cadeia polipeptídica atravessa um canal aquoso no translocador conhecido como Complexo Sec61 – Translócon (Conjunto desses translocadores)
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