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Compartimentos intracelulares e endereçamento de proteínas BRUNA AGUIAR - UFAM Há 4 tipos de famílias distintas de células eucarióticas: 1. Núcleo e citosol: comunicam-se por meio dos complexos do poro nuclear; topologicamente contínuos (embora funcionalmente distintos) 2. Organelas envolvidas em vias secretoras e endocíticas – incluindo Retículo Endoplasmático (RE), Complexo de Golgi, endossomos, lisossomos, intermediários de transporte (vesículas), peroxissomos. 3. Mitocôndrias 4. Plastídios (em plantas, somente) Acredita-se que as primeiras células eucarióticas surgiram quando uma arqueia anaeróbica ancestral uniu-se com uma bactéria cerca de 1,6 bilhão de anos atrás. Sinais de endereçamento: Síntese de todas as proteínas começa em ribossomos no citosol, exceto as poucas proteínas que são sintetizadas nos ribossomos das mitocôndrias e dos plastídios. Seu destino subsequente depende da sua sequência de aminoácidos, que pode ou não conter sinais de endereçamento: ➔ Os que não possuem ficam como residentes permanentes no citosol. ➔ Muitos outros, que possuem, são destinadas do citosol ao núcleo, RE, mitocôndrias, plastídios ou aos peroxissomos, ainda a outros lugares da célula. Há três caminhos fundamentais diferentes pelos quais as proteínas se movem de um compartimento a outro (normalmente guiadas por sinais de endereçamento na proteína transportada reconhecidos pelos receptores de endereçamento complementares): 1. Transporte controlado por comportas: movimento através de poros nucleares, que se comportam como canais seletivos que auxiliam o transporte ativo de macromoléculas específicas, embora também permitam a difusão livre de pequenas moléculas. 2. Translocação de proteínas: translocadores de proteínas transmembrana transportam diretamente proteínas específicas através da membrana do citosol para um espaço topologicamente diferente. A proteína precisa desdobrar-se para passar pelo translocador. Exemplo: transporte inicial de proteína do citosol para o lúmen do RE ou para a mitocôndria; proteínas integrais utilizam os translocadores para se incorporarem à bicamada lipídica. 3. Transporte vesicular: intermediários de transporte envoltos por membrana. Vesículas de transporte esféricas que podem ser pequenas ou grandes. Para um lugar topologicamente equivalente a outro. As vesículas e os fragmentos de transporte são carregados com uma leva de moléculas derivados do lúmen de um compartimento à medida que se desprendem da sua membrana; o conteúdo é descarregado em um segundo compartimento por fusão com a membrana que o envolve. Exemplo: transferência de proteínas solúveis do RE ao aparelho de Golgi. Sequências-sinal: na porção N- terminal da cadeia polipeptídicas; na sequência de aminoácidos das proteínas; em geral um trecho de 15 a 60 resíduos. São reconhecidas pelos receptores de endereçamento complementares que guiam proteínas ao seu destino apropriado, onde os receptores descarregam suas cargas. Peptidas-sinal: removem a sequência-sinal da proteína finalizada, uma vem que o processo de endereçamento está completo; algumas são extensões internas de aminoácidos, aos quais permanecem como parte da proteína. Regiões-sinal: para importação nuclear e em transporte vesicular. Múltiplas sequências de aminoácidos internas que formam um arranjo específico tridimensional de átomos na superfície das proteínas. Porção N-terminal: em proteínas destinadas para transferência ao RE -> com 5 a 10 aminoácidos hidrofóbicos. Porção C-terminal: proteínas com sequência-sinal específicas de 4 aminoácidos nessa porção são residentes do RE. Aminoácidos carregados positivamente se alternam com aminoácidos hidrofóbicos: proteínas destinadas para mitocôndria. Proteínas com peptídeo-sinal de 3 aminoácidos: destinadas aos peroxissomos. Propriedades físicas, como a hidrofobicidade, parecem ser mais importantes no processo de reconhecimento de sinal do que a exata sequência de aminoácidos. Os receptores funcionam cataliticamente: depois de completar uma rodada de entrega, eles retornam ao seu ponto de origem para serem reutilizados. As informações necessárias à construção de organelas não residem exclusivamente no DNA que especifica as proteínas das organelas; a informação na forma de, pelo menos, uma proteína distinta preexistente na membrana da organelza também é necessária. Durante a divisão celular, organelas como o RE e as mitocôndrias são distribuídas a cada célula filha, então não podem ser feitas “de novo”. Envelope Nuclear: 2 membranas concêntricas com poros nucleares 1. Membrana nuclear interna: com proteínas que atuam como sítios de ligação para cromossomos e para a lâmina nuclear (malha proteica que fornece suporte estrutural para o envelope nuclear), assim como sítio de ancoragem para cromossomos e citoesqueleto citoplasmático. 2. Membrana nuclear externa: contínua com a membrana do RE, com ribossomos; proteínas sintetizadas nos ribossomos são transportadas para o espaço entre as membranas nucleares interna e externa (espaço perinuclear), o qual é contínuo com o lúmen do RE. ➔ Processo de importação e exportação pelo envelope nuclear são seletivos. Os complexos do poro nuclear (NPCs) perfuram o envelope nuclear em todas as células eucarióticas. Cada NPC é composto de um conjunto de cerca de 30 diferentes proteínas (nucleoporinas) -> grande tráfego total que passa por cada NPC (até mil macromoléculas por segundo). O transporte macromolecular pelos NPCs ocorre por um grande e expansível poro aquoso, ao invés de proteínas de transporte. Sinais de localização nuclear (NLSs) são responsáveis pela seletividade desse processo nuclear de importação. Em muitas proteínas nucleares, os sinais são uma ou duas sequências curtas ricas em aminoácidos carregados positivamente (lisina e arginina) e, supostamente, formam alças ou regiões na superfície da proteína. Receptores de importação nuclear (importinas): reconhecem sinais de localização nuclear para iniciar a importação. Proteínas citosólicas solúveis que se ligam tanto no sinal de localização nuclear da proteína-carga quanto nas sequências repetidas fenila- lanina-glicina (FG) nos domínios não estruturados do canal de nucleoporinas alinhados no centro do poro. Exportação nuclear Ocorre por meio de NPCS e é seletivo. Baseados nos sinais de exportação nuclear nas macromoléculas a serem exportadas e nos receptores de exportação nuclear complementares (exportinas). Receptores de transporte nuclear (carioferinas) Os sistemas de transporte de importação e de exportação funcionam de modo similar, mas em direções opostas: os receptores de importação ligam suas moléculas-carga no citosol, liberam-nas no núcleo e são então exportados ao citosol para serem reutilizados, enquanto os receptores de exportação funcionam e modo inverso. A GTPase Ran impõe a direcionalidade no transporte através dos NPCs: a importação de proteínas nucleares através dos NPCs concentra proteínas específicas no núcleo e isso aumenta a ordem da célula. A célula mantém esse processo de ordem pelo aproveitamento da energia armazenada em gradientes de concentração na forma de GTPase Ran monomérica: A Ran é um interruptor molecular (GDPase Ran e GTPase Ran) e varia entre dois estados: ➔ GDPase Ran: com proteína ativadora de GTPase (GAP, GTPase- activating protein) citosólica, que aciona a hidrólise de GTP e converte Ran-GTP em Ran GDP ➔ GTPase Ran: com fator de troca de guanina (GEF, guanine Exchangefactor) nuclear, que promeve a troce de GDP para GTP, então converte Ran GDP em Ran GTP. Ran-GAP: no citosol Ran-GEF: no núcleo, ancorado à cromatina ➔ As duas formas convencionais de Ran dirigem o transporte nuclear na direção apropriada. Importação Nuclear: O aclopamento de receptores de importação nuclear nas repetições FG no lado citosólico do NPC, por exemplo, ocorre somente quando esses receptores estão ligados à carga proteica apropriada. -> Receptores de importação entram no canal -> Se atingirem o lado nuclear do complexo de poro, Ran-GTP liga-se a eles -> Se chegarem carregados com moléculas-carga, a ligação de Ran-GTP faz os receptores de importação liberarem sua carga. Como Ran-GDP no citosol não se liga a receptores de importação (ou exportação), o descarregamento ocorre apenas no lado nuclear do NPC. A localização nuclear do Ran- GTP cria a direcionalidade do processo de importação. Depois de descarregar sua carga no núcleo, o receptor de importação vazio + Ran-GTP voltam ao citosol pelo complexodo poro. No citosol, Ran-GAP estimula Ran-GTP a hidrolisar seu GTP ligado, convertendo-o em Ran- GDP, o qual dissocia-se do receptor. O receptor então está pronto para outro ciclo de importação. Exportação Nuclear: Mecanismo similar, com exceção: o Ran-GTP no núcleo promove a ligação da carga ao receptor de exportação, ao invés de promover a dissociação da carga. Uma vez que o receptor de exportação de movimenta através do poro para o citosol, ele encontra Ran-GAP, que induz o receptor a hidrolisar seu GTP a GDP. Assim, o receptor de exportação libera sua carga e Ran-GDP no citosol -> Os receptores de exportação livres retornam ao núcleo para completar o ciclo. ________________________________ Proteínas vaivém: Taxa de importação > Taxa de exportação => proteína no núcleo Taxa de exp. > Taxa de imp. => proteína no citosol Assim, alterando a velocidade de importação ou de exportação, a localização da proteína pode mudar. O transporte de proteínas é fortemente controlado: ➔ Células controlam regulando a localização celular e os sinais de exportação – ligando e desligando-os, frequentemente por fosforilação de aminoácidos. ➔ Proteínas citosólicas inibem e ancoram os regulares de transcrição no citosol. O RNAm recém transcrito e o RNAr são exportados do núcleo como parte de um grande complexo ribonucleoproteico. Como os sinais de localização nuclear não são removidos, as proteínas nucleares podem ser repetidamente importadas, como é necessário toda vez que o núcleo se reorganiza após a mitose. Transporte de proteínas para mitocôndrias e cloroplastos São organelas delimitadas por uma dupla membrana, com DNA próprio. A maioria das suas proteínas é codificada no núcleo celular e importada no citosol. Mitocôndria: ➔ Subcompartimentos: espaço da matriz interna e espaço intermembrana, que é contínuo ao espaço das cristas. -> formados pelas duas membranas mitocondriais concêntricas (membrana interna, que envolve o espaço a matriz e forma extensas invaginações, as cristas, e não possui porinas; e a membrana externa, que está em contato com o citosol). Ela contém proteínas barril Beta em abundância (porinas), então é livremente permeável a íons inorgânicos e metabólitos (mas não à maioria das proteínas). Cloroplasto: ➔ Membrana interna e externa, que delimita o espaço intermembrana e o estroma (equivalente à matriz mitocondrial). ➔ Tilacoide (subcompartimento adicional circundado pela membrana tilacoide, que deriva da membrana interna). Cada um dos subcompartimentos nas mitocôndrias e nos cloroplastos contém um conjunto distinto de proteínas. Muitas proteínas dele são localizadas na membrana tilacoide. Novas mitocôndrias e cloroplastos são produzidos pelo crescimento de organelas preexistentes, seguidos de fissão. Seu crescimento depende da importação de proteínas do citosol, então é preciso que elas se locomovam para os locais adequados -> o movimento de proteínas através de membranas é chamado de translocação de proteínas. As proteínas importadas para as mitocôndrias em geral são captadas do citosol dentro de segundos ou minutos após sua liberação pelos ribossomos. Ao contrário da translocação de proteínas para o RE, que com frequência ocorre simultaneamente com a tradução pelo ribossomo ancorado na membrana do RE rugoso, proteínas mitocondriais são primeiro totalmente sintetizadas como proteínas precursoras mitocondriais no citosol e então translocadas para a mitocrôndria por um mecanismo pós-traducional. Complexos proteicos com várias subunidades atuam como translocadores de proteínas fazendo a mediação do movimento delas através das membranas mitocondriais. Complexo TOM: transfere proteínas através da membrana externa. É necessário à importação de todas as proteínas mitocondriais codificadas no núcleo. Inicialmente ele transporta a sequência-sinal dessas proteínas para o espaço intermembrana e ajuda a inserir proteínas transmembrana na membrana externa. As proteínas barril Beta (abundantes na membrana externa) são transferidas por um translocador adicional, o complexo SAM, que as auxilia no dobramento apropriado na membrana externa. O complexo TIM23 -> transporta algumas dessas proteínas para o espaço da matriz e auxilia na inserção de prot. Transmembrana na membrana interna. Complexo TIM22 -> medeia a inserção de uma subclasse de proteínas da membrana interna, incluindo a prot. Transportadora que transporta ADP, ATP e fosfato para dentro e fora da mitocôndria. Complexo TIM (TIM23 e TIM22) transfere proteínas através da membrana interna. Complexo OXA -> medeia a inserção de proteínas da membrana interna que são sintetizadas no interior das mitocôndrias. As proteínas precursoras mitocondriais não se enovelam em sua estrutura nativa logo depois de serem sintetizadas; em vez disso, elas permanecem desenoveladas por meio de interações com outras proteínas no citosol. Algumas dessas proteínas são proteínas chaperonas (da família hsp70) e outras são dedicadas a proteínas precursoras mitocondriais e ligam-se diretamente em suas sequências-sinal. As proteínas chaperonas da família hsp70 citosólica mantêm as prot. Precursoras em um estado desenovelado. Apenas as proteínas com uma sequêcia-sinal específica são translocadas, que em geral está localizada na região N-terminal e é clivada depois de ser importada ou internalizada e retida. O transporte direcional requer energia, então a importação de proteínas para a mitocôndria é sustentada pela hidrólise de ATP em dois sítios diferentes, um fora da mitocôndria e um no espaço da matriz. O bombeamento de H+ da matriz para o espaço intermembrana, dirigido pelo processo de transporte de elétrons na membrana interna mantém o gradiente eletroquímico (fornece a maior parte da síntese de ATP da célula e dirige a translocação das sequências-sinal carregadas positivamente por meio dos complexos TIM por eletroforese). Peroxissomos Com uma única membrana, não possuem DNA ou ribossomos. Todas as suas proteínas são codificadas no núcleo; eles obtêm muitas das suas proteínas por importação seletiva do citosol, embora algumas delas entrem em sua membrana por meio do RE. O mecanismo de importação de proteínas difere daquele de mitocôndrias e cloroplastos, no qual mesmo proteínas oligoméricas são importadas do citosol sem estarem desenoveladas. Contêm enzimas oxidativas, como catalase e urato oxidase. São os principais sítios de utilização de oxigênio. Costumamconter uma ou mais enzimas que empregam oxigênio molecular para remover átomos de hidrogênio de substratos orgânicos específicos em uma reação oxidativa que produz peróxido de hidrogênio (H2O2): RH2 + O2 -> R + H2O2 A catalase utiliza o H2O2 gerado por outras enzimas na organela para oxidar uma variedade de outros substratos (H2O2 + R’H2 -> R’ + 2H2O). Esse tipo de reação oxidativa é importante nas células do fígado e do rim, nas quais os peroxissomos detoxificam várias moléculas tóxicas que entram na corrente sanguínea. Quando há um excesso de H2O2 na célula, a catalase o converte em H2O: 2H2O2 -> 2H2O + O2 Nas células de mamíferos, a beta-oxidação ocorre nas mitocôndrias e nos peroxissomos. Uma sequência específica de três aminoácidos (Ser-Lys-Leu) localizados na região C -terminal de muitas proteínas dos peroxissomos atua como um sinal de importação. Outras proteínas peroxissômicas contêm uma sequência sinal próxima à região N-terminal. Várias proteínas distintas, chamadas de peroxinas, participam no processo de importação, que é movido por hidrólise de ATP. Síndrome de Zellweger: células com peroxissomos “vazios”, apresentam graves anomalias no cérebro, fígado e rins, e morrem logo após o nascimento. Retículo Endoplasmático Todas as células eucarióticas possuem. Seus túbulos e sacos são interconectados, e suas membranas são contíguas com a membrana nuclear externa; o compartimento que elas encerram, portanto, também é contíguo com o espaço entre as membranas nuclear externa e interna. Dessa forma, o RE e as membranas nucleares formam uma folha contínua envolvendo um espaço interno único (lúmen do Re ou espaço cisternal do RE), que costuma ocupar mais de 10% do volume da célula. Biossíntese de lipídios e proteínas para a maioria das organelas; sequestro do citosol armazenamento intracelular de Ca+2. Quase todas as proteínas que serão secretadas para o exterior celular são enviadas inicialmente ao lúmen do RE. As células de mamíferos começam a importação de proteínas para o RE antes da síntese completa da cadeia polipeptídica (processo contraducional) A importância de proteínas nas mitocôndrias, nos cloroplastos, no núcleo e nos peroxissomos é um processo pós-traducional. Quando os tecidos ou as células são rompidos por homogeneização, o RE se quebra em fragmentos e recompõe-se na forma de muitas pequenas vesículas denominadas microssomos. Eles representam pequenas versões autênticas do RE, ainda capazes de translocação de proteínas, glicosilação proteica, captação e liberação de Ca+2, bem como síntese de lipídeos. Neles, os ribossomos são encontradas na parte externa, então o interior é equivalente ao lúmen do RE. Há microssomos rugosos e lisos. O RE captura proteínas selecionadas do citosol assim que elas são sintetizadas: - Proteínas transmembrana: parcialmente translocadas através da membrana do RE e tornam-se “embutidas” nela - Proteínas solúveis em água: são totalmente translocadas através da membrana do RE e liberada no lúmen do RE. Partícula de reconhecimento de sinal (SRP) direciona a sequência- sinal do RE para um receptor específico na membrana do RE rugoso: as sequências-sinal do RE variam na sequência de aminoácidos, mas cada uma possui oito ou mais aminoácidos apolares no seu centro. Ao contrário da importação pós- traducional de proteínas em mitocôndrias e cloroplastos, proteínas chaperonas não são necessárias para capturas proteínas não enoveladas. O processo de transferência contraducional cria duas populações espacialmente separadas de ribossomos no citosol: - Ribossomos ligados à membrana: ligados ao lado citosólico da membrana do RE, estão empenhados na síntese de proteínas que estão sendo simultaneamente translocadas para o RE. - Ribossomos livres: não ligados a membranas, sintetizam todas as outras proteínas codificadas pelo genoma nuclear. Ambos são funcional e estruturalmente idênticos, diferem apenas às proteínas que estão sendo produzidas por eles em um dado momento. Uma vez que muitos ribossomos podem se ligar a uma única molécula de mRNA, um poliribossomo costuma ser formado. ________________________________ Complexo Sec61: 3 subunidades altamente conservadas desde bactérias até células eucarióticas. Em células eucarióticas, 4 complexos Sec61formam conjunto de translocadores (translócon). A translocação através da membrana do RE em geral ocorre durante a tradução (contraducionalmente). Algumas proteínas são importadas para o RE depois de completada sua síntese, demonstrando que o transporte nem sempre requer tradução em andamento. Para atuar na translocação pós- traducional, o translocador do RE necessita de proteínas acessórias que coloquem a cadeia polipeptídica no poro e sustentem o transporte. As proteínas que são transportadas para o RE por um mecanismo pós-traducional são primeiramente liberadas no citosol, onde se ligam a proteínas chaperonas, evitando o seu enovelamento por ligação. ________________________________ A integração de proteínas de membrana exige que algumas partes da cadeia polipeptídica sejam transportadas através da bicamada lipídica, enquanto outras não. - Proteínas Transmembrana de passagem única - Proteínas Transmembrana de passagem múltipla ________________________________ Muitas das proteínas no lúmen do RE estão em trânsito, enquanto outras residem lá normalmente em altas concentrações. - Proteínas residentes no RE contêm um sinal de retenção no RE de 4 aminoácidos na sua região C-terminal que são responsáveis por “segurá-la” no RE. Exemplos: proteína dissulfeto isomerase (PDI), que catalisa a oxidação de grupos sulfidrila (SH) livres nas cisteínas para formar ligações dissulfeto (S-S); proteína chaperona BiP, que, como outras chaperonas, a BiP reconhece proteínas enoveladas incorretamente, bem como subunidades proteicas que ainda não se agregaram aos seus complexos oligoméricos finais... para isso, ela liga-se à sequência de aminoácidos expostas. _______________________________ Cerca de metade das proteínas solúveis e ligadas à membrana que são processadas no RE são glicoproteínas que sofrem modificações nesse caminho. Muitas proteínas no citosol e núcleo também são glicosadas. ________________________________ Sinalização de proteínas mal enoveladas: existem 3 vias paralelas que executam a resposta à proteína desenovelada. Quase todas as principais classes de lipídios da célula são sintetizadas no RE. O principal fosfolipídio sintetizado é a fosfatidilcolina (lecitina), assim como a fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina e o fosfatidilinositol (PI). O translocador que media o movimento dos fosfolipídios no RE (que é cem mil vezes mais rápido do que o flip-flop da membrana plasmática) é o “embaralhador” (scramblase) que, de maneira não seletiva, equilibra fosfolipídeos entre os folhetos da bicamada lipídica. Na membrana plasmática, o translocador é a flipase. Resumo As proteínas que não se enovelam ou oligomerizam corretamente são transportadas de volta ao citosol, onde são desglicosiladas, piubiquitinadas e degradadas em proteassomos. Apenas as proteínas que portam uma sequência-sinal especial do RE são importadas para ele. A sequência-sinal é reconhecida pela partícula de reconhecimento de sinal (SRP). As proteínas solúveis passam completamente para o lúmen do RE. As prot. Transmembrana destinadas ao RE ou a outras membranas celulares são transportadas parcialmente através da membrana do RE e permanecem lá ancoradas por um oumais segmentos de alfa- hélice em sua cadeira polipeptídica que atravessam a membrana. A assimetria da inserção da proteína e da glicosilação no RE estabelece a assimetria das membranas de todas as outras organelas que o RE supre com proteínas de membrana. Glicosilação: adição de grupos de açúcares às proteínas. Marca a proteína para dar um destino a ela; sequência KDEL necessária para a proteína ficar no RE. Complexo de Golgi: Sulfatação de proteínas, lipídios e glicídios; fosforilação; glicosilação; polimerização de açúcares. Vias de degradação de proteínas: reutilização de proteínas; Complexo de Ubiquitinação -> marca a proteína como “envelhecida”, que precisa ser renovada. -> Protossomo recebe a proteína e faz sua clivação/degradação.
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