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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO DMFA – Área de Bioquímica e Biofísica Bioquímica - Prof. Marcos José Correia BIOSSÍNTESE DAS PROTEÍNAS Como já foi visto, a informação genética é armazenada na molécula de DNA. Deste é transcrita uma porção para uma molécula de mRNA (RNA mensageiro), que é sintetizada tomando o primeiro como molde. Uma vez transcrita para o RNA, um código genético é aplicado para traduzir a seqüência do mRNA em uma seqüência de aminoácidos de uma proteína. O transcrito é transportado do núcleo na forma de mRNA, que é lido e decodificado no ribossomo. Moléculas menores de RNA de transferência (tRNA), específicas para cada aminoácido, são utilizadas para coletar e transportar aminoácidos ativados, um por vez, para o ribossomo. Estes são constituídos por RNA ribossômicos (rRNA) e proteínas associados. No ribossomo, os aminoácidos são seqüencialmente unidos durante a síntese da cadeia polipeptídica de uma proteína. A seqüênica de aminoácidos, derivada da seqüência de bases do DNA, é especificada pelo código genético, utilizando as quatro base do RNA (A, U, G e C), em um arranjo de três em três (código de tripletes). No código de triplets, há 64 combinações possíveis, chamadas de códons, das quais três são sinais de terminação e as outras 61 combinações possíveis determinam os 20 aminoácidos, com uma certa redundância. No processo de tradução, o RNA mensageiro liga-se temporariamente ao tRNA. As moléculas de tRNAs levam seus aminoácidos até o ribossomo, sucessivamente, e laços peptídicos são sintetizados para unir os aminoácidos de modo covalente e formar a cadeia polipeptídica crescente. Um sinal de terminação no mRNA termina a cadeia protéica, que, então, é liberada do ribossomo. O CÓDIGO GENÉTICO A mensagem genética está contida em um código universal de tripletes, sem vírgulas e degenerado. Um código de tripletes significa que uma seqüência de três bases (códon ou trinca de bases) é necessária para especificar um aminoácido, sem haver superposição, isto é, sem que nenhuma base seja compartilhada entre códons consecutivos; o ribossomo move-se ao longo do mRNA de três bases a cada vez, e não de não de uma ou duas por vez. Se o ribossomo se movesse mais do que três bases de uma vez, isto significaria a presença de “vírgula entre os códons”. Uma vez que não há bases intervindo entre os códons, diz-se que o código não tem vírgulas. Em um código degenerado, mais de um triplete pode codificar o mesmo aminoácido. Existem 64 tripletes possíveis para as quatro base que ocorrem no RNA, e todos eles são utilizados para codificar codificar os 20 aminoácidos ou um dos três sinais de parada. Os 64 tripletes decorrem da combinação de 4 bases três a três, ou seja, uma combinação que resulta em 43 (=64) combinações. Um código universal é um mesmo código para todos os organismos. Esta universalidade foi observada em vírus, procariotos e eucariotos; as únicas exceções são as diferenças em alguns códons observados na mitocôndria. A origem evolucionária dessas diferenças não é conhecida até o momento. Os 64 códons têm significados conhecidos, sendo que 61 deles codificam para aminoácidos e os três restantes servem como sinais de terminação (Tabela 1). Dois aminoácidos, o triptofano e a metionina, têm apenas um códon cada, mas os demais apresentam mais de dois códons. Um único aminoácido pode ter seis códons, como é o caso da leucina, da serina e da arginina. Os códigos múltiplos de um único aminoácido não ocorrem ao acaso, ma tendem a ter uma ou duas bases em comum, como se vê na Tabela 1. As bases que são comuns em vários códons são usualmente a primeira e a segunda bases, como mais variações na terceirabase, que é designada como base “oscilante” (wobble) . Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 2 Tabela 1. O significado dos 64 códons Tripletes na seqüência 5’3’ do mRNA Base no terminal 5’ do códon Base no meio do códon Base no terminal 3’ do códon U C A G U Phe Phe Leu Leu Ser Ser Ser Ser Tyr Tyr Terminação Terminação Cys Cys Terminação Trp U C A G C Leu Leu Leu Leu Pro Pro Pro Pro His His Gln Gln Arg Arg Arg Arg U C A G A Ile Ile Ile Met (iniciação) Thr Thr Thr Thr Asn Asn Lys Lys Ser Ser Arg Arg U C A G G Val Val Val Val Ala Ala Ala Ala Asp Asp Glu Glu Gly Gly Gly Gly U C A G PAREAMENTO CÓDON-ANTICÓDON E POSIÇÃO OSCILANTE (WOBBLE) Um códon pareia suas bases com um anticódon complementar de um tRNA durante a incorporação de um aminoácido na síntese de proteínas. Alguns tRNAs ligam-se exclusivamente a um códon, mas vários deles podem reconhecer mais de um códon por causa de variações nos padrões possíveis de pontes de hidrogênio. Essa variação é chamada oscilante (Fig. 1), e aplica-se à primeira base de um anticódon, a que está na extremidade 5’, mas não à segunda ou à terceira bases (o RNA é sempre lido do terminal 5’ para o 3’). A primeira base (oscilante) de um anticódon faz ponte de hidrogênio com a terceira base do códon, no terminal 3’. A base da posição oscilante de um anticódon pode parear-se com várias bases diferentes no códon, não apena com a especificada pelo pareamento de Watson-Crick (Tabela 2). G C C C G G 5' 3' 5'3' base “oscilante” códon no mRNA anticódon no tRNA Figura 1. Pareamento do anticódon do tRNA com o códon no mRNA. Observa-se a base oscilante na extremidade 5’ do anticódon. Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 3 Tabela 2. Combinações de pareamento de bases com a posição “oscilante” Base no terminal 5’ do anticódon Base no terminal 3’ códon I * G U A C A, C, ou U C ou U A ou G U G I * = hipoxantina Há variações nas bases pareadas quando a posição oscilante está ocupada por A ou C. De acordo com a Tabela 2, quando a posição oscilante estiver ocupada pela uracila, ela poderá parear-se não só com a adenina, como também com a guanina, a outra purina. Quando a posição oscilante estiver estiver ocupada pela guanina, ela poderá parear-se com a citosina, e tabém com a uracila, a outra pirimidina. O nucleosídeo purínico inosina freqüentemente ocorre na posição oscilante em muitos tRNAs, e pode formar par com adenina, citosina e uracila. A adenina e a citosina não formam outros pareamentos além dos esperados com a uracila e a guanina, respectivamente. A hipótese da posição oscilante ajuda a entender o fenômeno da degeneração do código genético. Os códons degenerados para um certo aminoácido diferem na terceira base, a qual pareia-se com a base oscilante do anticódon. Desse modo, um número menor de tRNAs diferentes é necessário, já que um dado RNA pode parear-se com vários códons. Assim sendo, a célula não precisa gastar energia na síntese dos tRNAs necessários. Essas oscilações também reduzem os danos causados por possíveis erros de leitura. Por exemplo, se códon da leucina, CUU, for lido errado como CUC, CUA ou CUG durante a transcrição do mRNA, esses códons seriam sempre traduzidos como leucina durante a síntese protéica sem haver danos para o organismo. N N N N O H R N N N N O H R N N N N O H R N N N N N H H R N N N O H H R N N O O H R Pareamento adenina-hipoxantina Pareamento uracila-hipoxantina Uracila Hipoxantina Adenina Hipoxantina Citosina Hipoxantina Pareamento citosina-hipoxantina Figura 2. Possíveis pareamentos envolvendo a hipoxantina com a adenina, a citosina e a uracila. ETAPAS DA SÍNTESE PROTÉICA ATIVAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS – IMPORTÂNCIA DAS AMINOACIL-TRNA-SINTETASES Para que o aminoácido possa ser incorporado a uma cadeia polipeptídica, é preciso, como foi visto, que este se ligue covalentemente à extremindade 3’ de um tRNA. Este processo é mediado pelas aminoacil-tRNA-sintetases, enzimas de alta especificidade que reconhecem cada aminoácido e seu tRNA específico. Existem 20 aminonoacil- Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 4 tRNA-sintetases diferentes, cada uma específica para o reconhecimento de um par aminoácido/tRNA predeterminado. A formação do aminoacil-tRNA ocorre em duas etapas, ambas catalisadas pela mesma enzima. Primeiro, o aminácido forma uma ligação covalente com um nucleotídeo de adenina, produzindo um aminoacil-AMP. R CH C O O - NH2 tRNA R CH C O tRNA NH2 + ATP AMP + PPi Aminoacil-tRNA-sintetase E + ATP R CH C O O - NH2 + E: O H Adenina H OH H OH CH2 H OP O O O - R CH C O NH2 PPi Adenosina-3'-OH + RCHC O NH2 -oAdenosina-3'- AMP tRNA tRNA-aminoacil (A) (B) Figura 3. Formação do aminoacil-tRNA: (A) Reação mostrada de forma simplificada; (B) reação detalhada. Primeiro ocorre a ativação do aminoácido, catalisada pela aminoacil-tRNA-sintetase, com a formação do aminoacil-fosfoadenosina; em seguida, pela mesma enzima, o aminoacil é transferido por esterificação com a ogrupamento 3'-hidroxil da adenosina da extreminada 3' de um tRNA específico. O H Adenina H OH H OH CH2 H OP O O O - R CH C O NH2 E: + E INICIAÇÃO DA CADEIA POLIPEPTÍDICA Tanto nos eucariontes como nos procariontes, a síntese das proteínas se inicia com o códon do mRNA que especifica a metionina (AUG). Nos procariontes, este códon de início fica a cerca de 10 bases depois de uma seqüência de mRNA conservada durante a evolução, conhecida como seqüência de Shine-Dalgarno (Figura 4). Esta seqüência se pareia com seqüência complementar na extremidade 3’ do rRNA 16S, posicionando assim o códon de iniciação dentro do ribossomo. Os mRNAs eucariótiocos não têm uma seqüência de Shine-Dalgarno possa se parear com o rRNA. Em vez disso, a tradução geralmente começa no primeiro códon AUG da molécula de mRNA. . . . A A A A C C A G G A G C U A U U U U G C A A C A . . .A U G A U C A C U A G . . . mRNA rRNA 5' 3' U C C U C O códon de iniciação é reconhecido por um tRNA iniciador “carregado” com metionina. Este tRNA não reconhece outros códons de metionina que ocorrem em outra parte do Figura 4. Alinhamento de uma seqüência de Shine-Dalgarno com o rRNA 16S. A seqüência de Shine-Dalgarno, em rosa, no mRNA para a proteína ribossômica S12 faz pares com uma região complementar, em violeta, na extremidade 3’ do rRNA 16S, o que ajuda a posicionar o ribossomo no início da tradução. Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 5 mRNA. Em Escherichia coli, a metionina do tRNA iniciador é modificada pela transferência de uma formila do tetra-hidrofolato. Este radicala aminoacil passa a ser designado fMet, e o tRNA iniciador como tRNAf Met: CH3 S CH2 CH2 CH C ONHCH O O tRNAf Met N-Formil metionina-tRNAf Met fMet-tRNAf Met Em E. coli, são necessários três fatores de iniciação (IFs, initiation factors) chamados de IF1, IF2 e IF3. O IF3, juntamente com o IF1, liga-se à subunidade ribossômica menor, promoveno a dissociação das subunidades grande e pequena. O fMet-tRNAf Met liga-se à subunidade 30S (a menor) com a ajuda do IF2, uma proteína ligante de GTP. O IF1 bloquei o sítio A da subunidade ribossômica menor, forçando tRNA de inicação ligar ao sítio P, onde está o códon AUG (Figura 6). Uma fita de mRNA pode se ligar à subunidade 30S, antes ou depois de o tRNA estar ligado, o que indica que a interação códon-anticodon não é essencial para inicial a síntese protéica. O mRNA se enrola ao redor da subunidade 30S, passando por dois túneis, tal que apenas dois códons são totalmente expostos no espaço entre as subunidades grande e pequena (Figura 6). FI1 + FI3 FI1FI3 FI3FI1 30S 50S FI1FI3 30S 50S FI2 GTP tRNA f M et fMet FI2 GTP mRNA A U G FI1FI3 30S FI1 FI3 30S FI2 GDP+Pi 50S A U G Sítio P Sítio A mRNA 5' mRNA 5' O ALONGAMENTO DA CADEIA POLIPEPTÍDICA Figura 5. Formil-aminoacil-tRNA. Como a amina do resíduo de fMet contém uma radical, esta não pode formar ligação peptídica na ponte N, somente na extremidade carboxil. Em seguida, o grupo formil ou toda a unidade fMet pode ser removida. Figura 6. Resumo do início da biossíntese protéica em E. coli. Processo semelhante ocorre em eucariontes, onde as subunidades riobssômicas são 40S e 60S se associam após a ligação de Met-tRNAi Met . Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 6 Ligação do aminoacil-tRNA no sítio A Em cada ciclo da fase de alongamento da cadeia polipeptídica, um aminoacil-tRNA entra no sítio A do ribossomo. O tRNA de iniciação é o único que entra no sítio P sem primeiro se ligar ao sítio A. Os aminoacil-tRNAs são levados para o ribossomo em complexo com o Fator de Alongamento (EF; do inglês, elongation factor) que se liga também a um GTP. Em E. coli, conhecido como EF-Tu e que é uma das proteínas mais abundantes nessa bactéria, cerca de 100.000 cópias por célula, o suficiente para se ligar a todos as moléculas de aminoacil-tRNA. In vitro, uma molécula de aminoacil- tRNA pode se ligar por si mesma a um ribossomo, mas a EF-Tu aumenta a taixa de ligação in vivo. Como o EF-Tu reconhece qualquer aminoacil-tRNA, o que compreende mais de vinte moléculas diferentes, este deve reconhecer elementos comuns da estrutura do tRNA, que é a haste receptora e uma parte a alça TC. Uma reentrância muito conservada na proteína acomoda o grupamento aminoacil. Apesar das diferenças estruturais de cada um, todos os aminoacil-tRNAs ligam-se com a mesma intensidade à EF-Tu. Quando o tRNA encontra-se descarregado, a afinidade entre este último e a EF-Tu diminui sensivelmente. A seleção do aminocil-tRNA que vai entrar no sítio A é feito com base na combinação entre o seu anticódon e o códon do mRNA. As interações entre o rRNA 16S e o códon no mRNA, à medida que este faz par com o anticódon do tRNA, faz o mRNA dentro do ribossomo se dobrar num ângulo de 45o entre os códons A e P, permitindo uma justaposição dos dois tRNAs dentro do ribossomo. O pareamento incorrento de bases na primeira e segunda posições do códon gera uma distorção detectável numa hélice formada entre mRNA-tRNA. Pareamento de bases não padrão na terceira posição do códon não são monitorados por esses tipos de interação. A interação entre o rRNA sensor e o mRNA podem alterar a conformação da subunidade 30S de modo que esta se ligue mais fortemente ao tRNA ou transmita um sinal ao centro ativo da subunidade 50S. Ao mesmo tempo, a EF-Tu, que é uma proteína G, hidrolisa GTP a GDP + Pi. Esta reação altera a conformação da EF-Tu, que permite que esta saia do ribossomo deixando o aminoacil- tRNA livre para ocupar o sítio A na subunidade 50S. Se o anticódon do tRNA não estiver apropriadamente pareado com códon no ponto A, a aminoacil-tRNA se dissocia do ribossomo sem disparar as mudanças de conformação de 30S ou a hidrólise de GTP pelo EF-Tu. Como a ligação peptídica não pode se formar sem antes haver a hidrólise do GTP, o EF-Tu garante que a ligação peptídica não ocorroa a menos que o aminoacil-tRNA correto esteja posicionado no sítio A. A demora entre a ligação do aminoacil-tRNA e a hidrólise de GTP pelo EF-Tu é conhecida como revisão cinética, ou edição cinética. Este mecanismo evita a polimerização do aminoácido errado e limita a taxa de erro na tradução. EF-Tu GTP mRNA 5' EF-Tu GTP mRNA 5' EF-Tu GDP EF-Tu GTP Aminoacil-tRNA incorreto EF-Tu GTP mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' EF-Tu GTP Ribossomo com um tRNA mal pareado mRNA 5' Ribossomo pronto para a transpeptidação Formação da ligação peptídica Figura 7. Ação da EF-Tu no alongamento da tradução. O EF- Tu-GTP leva o aminoacil-tRNA para o sítio A do ribossomo. Se o anticódon do tRNA se parear como códon do mRNA, o EF- Tu hdrolisa a seu GTP e se dissocia do ribossomo, deixanod o aminoacil-tRNA no sítio. Se o anticódon e o códon estiverem mal pareados, o aminoacil-tRNA se dissocia antes que o EF- Tu hidrolise GTP Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 7 Quando o sítio A contiver um aminoacil-tRNA e o sítio P contiver um peptidil-tRNA (ou, antes da primeira ligação peptídica, fMer-tRNAf Met), a atividade de peptidil-transferase da subunidade 50S catalisa uma reação de transpeptidação na qual a amina do radical aminoacil do tRNA do sítio A ataca a ligação éster que liga o grupamento peptidil ao tRNA no sítio P. Esta reação aumenta o radical peptidil em um aminoácido na sua ponta C-terminal. Assim, uma cadeia polipetídica cresce no sentido NC. Não é necessária qualquer fonte externa de energia livre para a transpeptidação, porque a energia livre da ligação éster rompida é aproximadamente igual à da ligação peptídica formada. O centro ativo da peptidil transferase fica em uma região altamente conservada do subunidade 50S, e a ligação peptídica recém formada dista cerca de 18Å da proteína mais próxima. O que sugere que esta atividade no ribossomo é feita por ribozima (um RNA catalisador). A teoria é que uma Guanina (G2447) e uma Adenina (A2451) possam participar de um mecanismo de catálise ácido-básica. TRANSLOCAÇÃO Durante a transpeptidação, o grupamento peptidil para o tRNA no sítio A, e o tRNA no sítio P desacilado move-se para fora do ribossomo. O mRNA, que ainda faz pares de bases com o anticódon do peptidil-tRNA, avança pelo ribossomo em um códon. O ribossomo pode então receber outro aminoacil-tRNA para outra rodada de transpetidação. O movimenot do tRNA e do mRNA que permite que o próximo códon seja traduzido, é conhecido como translocação. Este processo requer uma proteína G chamada de fator G de alongamento (EF-G) em E. coli. O EF-G é muito semelhante ao complexo EF-Tu-tRNA e os locais de ligação para as duas proteínas no ribossomo é o mesmo, sugerindo que o complexo EF-G-GTP desloca fisicamente o peptidil-tRNA no sítio A, fazendo com que mude para o sítio P. A ligação de EF-G ao ribossomo também alarga o canal de ligação da subunidade 30S, facilitando a translocação do mRNA. A atividade GTPásica das proteínas G (EF-Tu e EF-G) permite que o ribossomo circule eficientemente por todas as etapas da tradução. Como a hidrólise do GTP é irreversível neste processo, os processos de transpeptidação e translocação ocorrem em um único sentido (Figura 9). As células eucarióticas contêm fatores de NH CH C NH CH C O tRNA R O R O ... O tRNA C CH :NH2 O R OH tRNA NH CH C NH CH C R O R O ... O tRNA C CH NH O R Sítio P Sítio A Sítio P Sítio A Figura 8. Reação da peptidil-transferase. O ataque do grupo nucleofílico da amina ao grupamento peptidil provoca a quebra da ligação do peptidil com o tRNA, e produz um tRNA livre no sítio P e um novo peptil-tRNA no sítio A. Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 8 alongamento que funcionam de modo semelhante a EF-Tu e EF-G. Estas proteínas Gsão continuamente recicladas durante a síntese de proteínas. Em alguns casos, proteínas acessórias ajudam a substituir o GDP ligado pelo GTP, preparando a proteína G para outro ciclo de reação. EF-Tu GTP mRNA 5' mRNA 5' EF-Tu GDP mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' GTP EF-G-GTP GTP GDP EF-G-GDP TERMINAÇÃO DA CADEIA POLIPETÍDICA (OU TÉRMINO DA TRADUÇÃO) A tradução termina quando o ribossomo encontra um códon de terminação (UAA, UAG ou UGA). Com um códon de terminação na posição A, o ribossomo não pode se ligar a um aminoacil-tRNA, mas liga-se a uma proteína conhecida como fator de liberação (RF, de release factor). Em bactérias tais como E. coli, existem três fatores de liberação RF1, RF2 e RF3. RF1 reconhece os códons de terminação UAA e UAG, e RF2 reconhece UAA e UGA. Em eucariontes, uma proteína chamada eRF1 reconhece todos os três códons de terminação. As RFs inclui estruturas que imitam um “anticódon” de terminação e a ponta aceptora de um tRNA. O RF reconhece especificamente o códon de terminação do mRNA, do mesmo modo que a EF-G, que é um outro imitador de tRNA. Experimentos de seqüência de mutagêneses nessas proteínas identificaram a seqüência de três aminoácidos que imitam um anticódon (p. ex, Pro-Ala-Tre em RFE1, e Ser-Pro-Fen em RF2) que interagem com a segunda e a terceira bases do códon de terminação. Um RF ancorado no sítio A do ribossomo estimula a transferência do grupamento peptidil do ponto P para a água (reação de hidrólise), a fim de que a cadeia polipeptídica possa ser liberada e saia do ribossomo. Em E. coli, um RF adicional (RF3), que se liga a GTP (portanto, é uma proteína G), promove a ligação de RF1 ou RF2 ao ribossomo. O eRF eucariótico é em si uma proteína G. A hidrólise do GTP ligado a RF3 permite que os fatores de liberação se dissociem, e também as subunidades ribossômicas, o mRNA e último tRNA (Figura 10). Figura 9. Ciclo de alongamento da cadeia peptídica Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 9 mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' U A G (U A A) (U G A) + RF3 GTP mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' U A G (U A A) (U G A) RF1 (RF2) RF3 GTP Peptidil-transferase H O2 mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' mRNA 5' U A G (U A A) (U G A) RF3 GTP RF3 GDP + + + + MODIFICAÇÕES SOFRIDAS PELA CADEIA POLIPEPTÍDICA APÓS A TRADUÇÃO No etágio final da síntese proteica, a cadeia polipeptídica nascente é dobrada e processada para assumir sua biologicamente ativa. Durante ou após sua síntese, o polipeptídeo assume progressivamente sua conformação nativa, com a formação das pontes de hidrogênio e de van der Waals, e com as interações iônicas e hidrofóbicas apropriadas. Desse modo, mensagem genética linear, ou unidimensional, do RNA é convertida na estrutura proteica tridimensional. Algumas proteínas recém produzidas, tanto procarióticas e eucarióticas, não atingem sua comformação biologicamente ativa final até terem sido alteradas por uma ou mais reações de processamento denominada modificações pós-translacionais, descritas a seguir. MODIFICAÇÕES AMINO-TERMINAIS E CARBOXIL-TERMINAIS. O primeiro resíduo inserido em todis polipeptídeos é a N-formilmetionina (em bactérias) ou metionina (em eucariotos). No entanto, o grupo formil, o resíduo Met amino-terminal, e frequentemente um amino-terminal a mais (e, em alguns casos, carboxi-terminal) podem ser removidos enzimaticamente na formação da proteína funcional final. Em até 50% das proteínas eucarióticas, o grupo amino do resíduo amino-terminal é acetilado após a translação. Os resíduos carboxil-terminais também são modificados algumas vezes. PERDA DE SEQUENCIA SINALIZADORA. De 15 a 30 resíduos na extremidade amino-terminal desempenham um papel no direcionamento da proteína ao seu destino final na célula. Tais sequencias sinalizadoras são removidas por último por peptidases específicas. MODIFICAÇÕES DE AMINOÁCIDOS INDIVIDUAIS. O grupo hidroxila de alguns resíduos Ser, Thr e Tyr de algumas proteínas são fosforiladas enzimaticamente pelo ATP; os grupos fosfatos adicionam cargas negativas a esses polipeptídeos. O significado funcional dessas modificações varia de uma proteína para outra. Por exemplo, a proteína do leite caseína tem muitos grupos fosfoserina que se ligam ao Ca2+. Cálcio, fosfato e aminoácidos são todos importantes para o lactente, de modo que a caseína proporcina eficientemente esses três nutrientes essenciais. Em outras circunstâncias, os ciclos de fosforilação- desfosforilação regula a atividade de muitas enzimas e de proteínas reguladoras. Figura 10. Terminação da cadeia polipeptídica. Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 10 Grupos carboxílicos extras podem ser adicionados a resíduos de glutamato de algumas proteínas. Por exemplo, a proteína da coagulação sanguínea protrombina contem uma quantidade de resíduos -carboxiglutamato na sua região amino-terminal, introduzidos por uma enzima que requer vitamina K. Esses grupos carboxilas se ligam ao Ca2+, que é necessário para dar início ao mecanismo de coagulação do sangue. Resíduos de monometil- e dimetilisina ocorrem em algumas proteínas do músculo e no citocromo c. A calmodulina da maioria das espécies contêm um resíduo de trimetilisina em uma posição específica. Em outras proteínas, os grupos carboxilas de alguns resíduos de glutamato sofrem metilação, removendo sua carga negativa. P O O - O - COO - C CH2 NH3 + H O COO - C CH2 NH3 + H O P O O - O - COO - C CH NH3 + H CH3 P O O - O - O Fosfoserina Fosfotreonina Fosfotirosina COO - C CH2 NH3 + H CH O - OC COO - COO - C CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 + CH3 NH3 + H COO - C CH2 CH2 CH2 CH2 NH + CH3 NH3 + H CH3 COO - C CH2 CH2 CH2 CH2 N + CH3 NH3 + H CH3 CH3 COO - C CH2 NH3 + H CH2 C O O CH3 Metilisina Dimetilisina Trimetilisina Metilglutamato (a) (b) (c) Fig. 11. Alguns resíduos de aminoácidos modificados. (a) Aminoácidos fosforilados; (b) aminoácido carboxilado e (c) alguns aminoácidos metilados. -Carboxiglutamato INCLUSÃO DE CADEIAS LATERAIS DE CARBOIDRATOS. As cadeias laterais de carboidratos são adicionadas covalentemente às glicoproteínas durante ou após a síntese do polipetídeo. Em algumas glicoproteínas, a cadeia lateral de carboidrato é adicionada enzimaticamente a resíduos de asparagina (Asn) (oligossacarídeos N-ligados). Muitas proteínas que funcionam em nível extracelular, assim como as proteoglicanas lubrificantes que recobrem as membranas mucosas, contem cadeias laterais de oligossacarídeos. ADIÇÃO DE GRUPOS ISOPRENILAS. Algumas proteínas eucarióticas são modificadas pela adição de grupos derivados do isopreno (grupos isoprenilas). Uma ligação tioéter é formada entre o grupo isoprenila e um resíduo de cisteína (Cys) da proteína. Os grupos isoprenilas são derivados de intermediados pirofosforilados da via de biossíntesedo colesterol, tais como o farnesil- Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 11 pirofosfato. Proteínas modificadas nesta via incluem as proteínas Ras, produzidas pelos oncogenes proto-oncogenes ras, e as proteínas G, e laminas, proteínas encontradas na matriz nuclear. O grupo isoprenilas ajuda a ancorar as proteína na membrana. A atividade transformadora (carcinogênica) do oncogene rasi perdida quando a isoprenilação da proteína Ras é bloqueada, um achado que estimulou o interesse em identificar inibidores dessa via de modificação postranslacional para uso em quimioterapia. P O O O CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 O - P O O - O - SH SH Proteína Ras Ras SH S CH2 CH3 CH3 CH3 CH3 Ras PP i Farnesil pirofosftato Proteína Ras farnesilada Fig. 12. Farnesilação de um resíduo de cisteína. A ligação tioéster é mostrada em vermelho. A proteína Ras é o produto da oncogênese ras. ADIÇÃO DE GRUPOS PROSTÉTICOS. Um grupo prostético, como já definido no texto sobre aminoácidos e proteínas, se refere a uma coenzima ou um íon metálico que está fortemente associado ou covalentementel ligado a uma proteína. Muitas proteínas procarióticas e eucarióticas requerem para sua atividade grupos prostéticos ligados covalentemente. Dois exemplos são a biotina da acetil-CoA carboxilase e o grupo heme da hemoglobina ou citocromo c. PROCESSAMENTO PROTEOLÍTICO. Muitas proteínas são inicialmente sintetizadas na forma de precursores polipeptídicos grandes e inativos, os quais são recortadas proteoliticamente para formarem suas formas menores, mas ativas. Como exemplos, tem-se a proinsulina, algumas proteínas virais e proteases como o quimotripsinogênio e o tripsinogênio. FORMAÇÃO DE LIGAÇÕES DISSULFETO CRUZADAS. Após o dobramento em suas conformações nativas, algumas proteínas formam pontes intra- e intercadeias entre resíduos de cistína (Cys). Nos eucariotos, ligações dissulfeto são comuns em proteínas que irão ser exportadas da célula. A ligação cruzada formada desse modo irá proteger a conformação nativa da molécula proteica da denaturação no meio extracelular, que pode diferir grandemente das condições intracelulares sendo geralmente oxidante. Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 12 INIBIÇÃO DA SÍNTESE PROTEICA POR ANTIBIÓTICOS E TOXINAS A síntese proteica é o alvo primário de muitos antibióticos e toxinas de ocorrência natural. Com algumas exceções, estes antibióticos inibem a síntes proteica em bactérias. As diferenças entre a síntese proteica das bactérias e a eucariótica, embora sutis em alguns casos, são suficientes para que a maioria dos compostos aqui apresentados sejam relativamente inofensivos às células eucarióticas. A seleção natural tem favorecido a evolução de compostos que exploram pequenas diferenças com o objetivo de afetar sistemas bacterianos seletivamente, de modo que essas armas bioquímicas sejam sintetizadas por alguns microrganismos e sejam extremamente tóxicos a outros. Como quase toda etapa na síntese proteica pode ser inibida especificamente por um ou outro antibiótico, essas substâncias têm se tornado importantes ferramentas no estudo da biossíntese proteica. A seguir, são descritos os antibióticos e toxinas inibidores da síntese proteica mais comuns. Puromicina, produzido pela Actinobactéria (Actinomycetes) Streptomyces alboniger, é um dos mais conhecidos antibióticos inibidores. Sua estrutura é muito parecida à terminação 3’ de um aminoacil-tRNA, impedindo que este se ligue ao sítio A do ribossomo, produzindo peptidil-puromicina. No entanto, como se assemelha apenas ao terminal 3’, não permite a translocação e se dissocia do ribossomo logo após se ligar ao terminal caroboxila do peptídeo. Isso termina prematuramente a síntese do polipeptídeo. Fig. 13. Puromicina (a) e peptidil puromicina (b). Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 13 Tetraciclina inibe a síntese proteica em bactérias bloqueando o sítio A no ribossomo, evitando a ligação dos aminoacil-tRNAs. Clorafenicol inibe a síntese proteica em ribossomos de bactérias, mitocôndrias e cloroplastos, bloqueando a peptidil transferase. OH O OH O OH CONH 2 OH OHCH3 N CH3 CH3 H NO2 CH OH CH CH2 OH NH C O CHCl 2 Tetraciclina Clorafenicol Cicloheximida, de modo recíproco, bloqueia a peptidil transferase da subunidade 80S dos ribossomos eucarióticos, mas não na subunidade ribossomal 70S bacteriana (ou mitocondrial ou cloroplástica). Estreptomicina, um trissacarídeo básico, causa erro de leitura do código genético (em bactérias) em concentrações relativamente baixas e inibe a iniciação em concentrações maiores. Fig. 14. Rompimento da formação da ligação peptídica pela puromicina. O antibiótico puromicina se assemelha à terminação de um tRNA carregado, permitindo que este se ligue ao sítio A do ribossomo e participe na formação da ligação com o peptídeo. O produto desta reação, ao invés de ser translocado para o sítio P, se dissocia do ribossomo, causando a terminação prematura da cadeia peptídica. Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 14 O CH3 CH3 CHOH CH2 N H OO O O OH OH CH2OH H3CN O O OH OH OH O NH C NH2 NH C NH NH2 Cicloheximida Estreptomicina Toxina diftérica (Mr 58.330) catalisa a ADP-ribosilação de um resíduo diftamida (uma hisitidina modificada) do fator de alongamento eucariótico eEF2, consequentemente inativando-o. Ricina (Mr 29.895), uma proteína extremamente tóxica do “feijão de castor” (Ricinus comunis L.), também conhecida como mamona, que inativa a subunidade 60S dos ribossomos eucarióticos pela depurinação de uma adenosina específica no rRNA 23S. ENDEREÇAMENTO DAS PROTEÍNAS Como a célula eucariótica é constituída de muitas estruturas, compartimentos e organelas, cada uma com funções específicas, que requerem diferentes tipos de proteínas e enzimas, as proteínas são sintetizadas com um endereçamento pré determinado. Proteínas destinadas à secreção, ou inclusão na membrana citoplasmática ou inclusão em lisossomos, compartilham as primeiras poucas etapas de uma via de síntese que começa no retículo endoplasmático. Proeteínas destinadas à mitocôndria, cloroplastos ou núcleo, usam três mecanismos separados. As proteínas destinadas ao citossol simplesmente permanecem onde são sintetizadas. O mais importante elemento da maioria dessas vias de endereçamento é uma curta sequência de aminoácidos chamada de sequência sinal, cuja função foi inicialmente postulada por Günter Blobel e cols. em 1970. A sequência sinal direciona a proteína à sua localização adequada na célula e, em muitas proteínas, é removida durante o transporte ou após a proteína alcançar seu destino final. Nas proteínas determinadas ao transporte para mitocôndrias, cloroplastos, ou RE, a sequência sinal está localizada na ponta amino-terminal do polipeptídeo recém sintetizado. A degradação seletiva das proteínas que a célula não necessita mais também é determinada amplamente por um conjunto de sinais incorporado à estrutura proteica. Modificações Postradução de Proteínas Eucarióticas O sistema de endereçamento mais tipificado começa no RE. A maioria das proteínas lisossomais, de membrana ou secretadas têm uma sequência sinal amino-terminal que as marca para translocação ao lumen do RE; centenas dessas sequências sinal já foram determinadas. A extremidade carboxila da sequência sinal é definida por um ponto de clivagem, onde a ação de protease remove a a sequência após a proteína ser introduzida no RE. As sequencias sinal variam de 13 a 36 resíduos de aminoácidos, mas todas têm a seguinte características: 1) Cerca de 10 a 15 resíduos de aminoácidos hidrofóbicos; 2) Um ou mais resíduos de aminoácidos carregados positivamente; Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 15 3) Uma sequência curta, próxima ao terminal carboxila (ponto de clivagem), que é relativamente polar, tipicamente de resíduos de aminoácidos de cadeias laterais curtas (especialmente Ala) na posição próxima ao ponto de clivagem. Tipo de proteína Seqência sinalizadora Virus da influenza humana A Preproinsulina humana Hormônio de crescimento bovino Promelitina da abelha Proteína de cola da Drosophila Met Lys Ala Lys Leu Leu Val Leu Leu Tyr Ala Phe Val Ala GlyAsp Gln – Met Ala Leu Trp Met Arg Leu Leu Pro Leu Leu Ala Leu Trp Gly Pro Asp Pro Asp Pro Ala Ala AlaPhe Val – Met met Ala Ala Gly Pro Arg Thr Ser Leu Leu Ala Phe Ala Leu Leu Cys Leu Pro Trp Thr Gln Val Val GlyAla Phe – Met Lys Phe Leu Val Asn Val Ala Leu Val Phe Met Val Val Ty Ile Ser Tyr Ile Tyr Ala Ala Pro – Met Lys Leu Leu Val Val Ala Val Ile Ala Cys Met Leu Ile Gly Phe Ala Asp Pro Ala Ser GlyCys Lys – Fig. 15. Translocação para o RE direcionado sequência de sinal amino-terminal de algumas proteínas eucarióticas. O core hidrofóbico (amarelo) é precedido por um ou mais resíduos de aminoácidos básicos (azul). Os resíduos de aminoácidos polares de cadeia lateral curta precedem, à esquerda, o ponto de clivagem, indicado pela seta vermelha Como demonstrou George Palade, a sequencia sinalizadora ajuda, por si só, a direcionar o ribossomo para o RE, de acordo com as etapas de 1 a 8, na Fig. 16: (1) A via de endereçamento começa com a iniciação da síntese proteica em ribossomos livres. (2) A sequência sinal aparece logo no processo de síntese, porque esta se localiza na extremidade amino que, como foi visto, é sintetizada primeiro. Fig. 16. Direcionamento de proteínas eucarióticas, através da sinalização apropriada, para o RE. Este processo envolve o ciclo SRP, translocação e quebra do polipeptídeo nascente. O SRP é complexo em forma de bastão contendo um RNA de 300 nucleotídeos (7SL-RNA) e seis diferentes proteínas (Mr 325.000, combinadas). Uma subunidade de proteína SRP liga-se diretamente à sequência sinalizadora, inibindo o alongamento por bloqueio estereo dos aminoacil-tRNAs e inibindo a peptidil transferase. Uma outra subunidade liga-se e hidrolisa GTP. O receptor SRP é um heterodímero de subunidades α (Mr 69.000) e β (M.r 30.000), ambas se hidrolisam multiplas moléculas de GTP durante o processo Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 16 (3) Logo quando emerge do ribossomo, a sequencia sinal, e o próprio ribossomo, são reconhecidos pela partícula reconhecedora de sinal (SRP); a SRP então se liga a um GTP e pára o alongamento do polipeptídeo quando este está com cerca de 70 aminoácidos de comprimento e a sequência sinal se emerge completamente do ribossomo. (4) A SRP ligada ao GTP agora direciona o ribossomo (ainda ligado ao mRNA) e o polipeptídeo incompleto ao receptor de SRP-GTP localizado na face citossólica do RE; o polipeptídeo nascente é entregue ao complexo de translocação de peptídeo no ER, que pode interagir diretamente com o ribossomo. (5) A SRP se dissocia do ribossomo, acompanhada pela hidrólise de GTP tanto na SRP como no receptor de SRP. (6) O alongamento do polipeptídeo é então retomado, com o complexo de translocação, dirigido por ATP, introduzindo a cadeia polipeptídica em crescimento no lúmen do RE. (7) A sequência sinal é removida pela sinal peptidase no lumen do RE. (8) Completada a síntese da cadeia polipeptídica, o ribossomo é dissociado e reciclado. Glicosilação de Proteínas Após a remoção das sequências sinalizadoras, os polipeptídeos são dobrados, as ligações dissulfeto são formadas, muitas proteínas são glicosiladas para formar glicoproteínas. Em muitas glicoproteínas a ligaçao com os seus oligossacarídeos é feito através do N amídico de um resíduo de asparagina (Asn). Apesar dos tipos de oligossacarídeos serem variados, a via através da qual este se formam tem um primeira etapa em comum. Um núcleo de oligossacarídeo com 14 resíduos, por exemplo, é montado de uma forma gradual, transferido de uma molécula dolicol fosfato doadora para determinados resíduos de Asn na proteína. A transferase que executa este processo está localizada no lúmen do RE, e por isso não pode catalizar a glicosilação de proteínas citoplasmáticas. Após a transferência, o núcleo de oligossacarídeo é “aparado” de diferentes maneiras em diferentes proteínas, mas todos os oligossacarídeos N-ligados retêm um núcleo de pentassacarídeo derivado do oligossacarídeo original de 14 resíduos. Alguns antibióticos interferem em um ou mais etapas da glicosilação das proteínas. O mais bem caracterizado é a tunicamicina, que mimetiza a etrutura da UDP-N-acetilglicosamina e bloqueia a primeira etapa do processo. N NH O O O OH OH CH2OH NH CH3 O O NH OH O OH CH2 O CHOH OH OH C CH CH O (CH2)n CH CH3 CH3 Uracila N-Acetilglucosamina Tunicamina Cadeia lateral de acil graxo Tunicamicina Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 17 Roteiro de Estudo 1. O código genético: verificar o conceito de código genético, a relação entre o sistema de trincas (tripletes) de bases e os aminoácidos correspondentes. 2. Procurar entender a relação entre a base oscilante no anticódon e os diferentes códons no mRNA para um mesmo aminoácido. Verificar a diferença entre pareamento oscilante e pareamento de Watson-Crick. 3. A partir da compreensão dos conceitos abordados nos itens anteriores, entender a razão dos 64 códons possíveis. 4. Ver, no processo de ativação dos aminoácidos, o papel da aminoacil-tRNA- sintase, a importância da conformação do tRNA e a especificidade desta enzima para a fidelidade da síntese protéica. 5. Verificar o processo de iniciação da cadeia polipeptídica: a importância dos fatores de iniciação; importância do códon de iniciação; a importância da subunidade 30S; procurar ver como se situam os códons dentro do ribossomo após concluída a etapa de iniciação. 6. Como agem os fatores de iniciação e a importância do GTP nesse processo. 7. Procurar entender como, após concluída a etapa de iniciação, como são adicionados os aminoácidos seguintes, determinados pela código genético; Fig. 17. Síntese do núcleo oligossacarídico das glicoproteínas. As primeiras etapas (1 e 2) ocorrem na face citossólica do RE. (3) A translocação leva o oligossacarídeo incompleto através da membrana e (4) e a conclusão do núcleo ocorre dentro do lúmen. O precursor que contribui com os resíduos adicionais de glicose e manose são derivados de dolicol fosfato. Na primeira etapa da construção da porção conjugada do N-oligossacarídeo da glicoproteína (5 e 6), o núcleo oligossacarídeo é transferido do dolicol fosfato para um resíduo Asparagina da proteína de dentro do lúmen do RE. O núcleo oligossacrídeo é então modificado no ER e em vias do complexo de Golgi, que diferem para diferentes proteínas. Os 5 resíduos de açúcar marcados em bege (após etapa 7), são mantidos na estrutura final de todos os oligossacarídeos N-conjugados. (8) O dolicol livre pirofosfatado é translocado novamente de modo que o grupo pirofosfato fique na face citossólica do RE, então, (9) o um fosfato é removido hidroliticamente para regenerar o dolicol fosfato. Bioquímica - Prof. Marcos José Correia 18 entender como atuam os fatores de alongamento (EF ou EF-Tu em E. coli) no processo de alongamento da cadeia; a importância do GTP como fator controlador do processo. 8. Entender como a peptidil-transferase realiza a formação da ligação peptídica, promovendo o crescimento da cadeia. 9. Após o a transferência do grupamento peptidil para um aminoácido recem adicionado à cadeia, o ribossomo é deslocado em um códon. Procure entender como ocorre esse processo, conhecido como translocação, e a importância do fator de translocação (EF-G), como este atua, o papel do GTP como fator controlador do processo. 10. Procure entender o processo de terminação da síntese protéica: verifique o papel de dos códons de termiação; como atuam os fatores de terminação (RF1, RF2 e RF3) no processo de terminação e como é induzia a hidrólise da ligação peptidil-tRNA para a liberação da cadeia peptídica. 11. Os fatores: FI2 (de iniciação), EF-Tu (de alongamento), EF-G (de translocação) e RF3 (de liberação) são denominados genericamente de proteínas G. Explique o motivo dessa denominação. 12. Procure entender o que é tradução, o que são modificações pós trandução, e o que é translocação de um polipeptídeo. 13. Procure entender as seguintes modificações que podem ocorrer numa proteína e suas respectivas implicações à sua funcionalidade: a) Modificações amino- e carboxiterminais; b) Perda da sequência sinalizadora c) Modificações de (resíduos) aminoácidos individuais (fosforilação, carboxilação, metilação); d) Glicosilação; e) Adição de isoprenilas; f) Adição de grupos prostéticos; g) Processamento proteolítico; h) Formação de pontes dissulfetos. 14. Procure entender o que é endereçamento de proteína levando em consideração: a) O que define endereçamento da proteína e importância para sua funcionalidade b) O que é sequência sinalizadora; c) A relação entre sequência sinalizadora e a membrana do RE; d) O que é uma partícula reconhecedora de sinal (SRP); e) De que consiste o complexo de translocação e como é provida a energia a este processo.