Função protéica (ou nanobiotecnologia sem criador) Prof. Dr. Francisco Prosdócimi.
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Função protéica(ou nanobiotecnologia sem criador)
Prof. Dr. Francisco Prosdócimi
• Aula baseadano livro do Lehninger(Nelson e Cox)
• Capítulo 5
• The cell– Cap 11
Hormônios protéicos
• Hormônios que são proteínas– Prolactina– Hormônio de crescimento (GH, HGH)– Hormônio adenocorticotrófico (ACTH)– Vasopressina– Oxitocina– Insulina– Somatostatina, etc.
• Todos esses hormônios viajam no sangue e precisam ser reconhecidos e incorporados em células específicas que são identificadas e reconhecidas através de receptores protéicos ligados às membranas celular
Cascatas de regulação
• Proteínas viajam no sangue até encontrar receptor de membrana
• Interações proteína-proteína e proteína-ligante regulam o metabolismo celular
• Acionadas por proteínas de membrana
• Reconhecem modificações no meio externo e modificam o ambiente intracelular em resposta
A estrutura dinâmica das proteínas
• Ligação reversível a outras moléculas: ligantes– Permite resposta rápida a
modificações ambientais e condições metabólicas
• Sítio de ligação: interage com o ligante– Complementar em tamanho,
forma, carga e afinidade à água
• A estrutura definida da proteína é como uma foto, na realidade a proteína opera de forma dinâmica
O Ligante e o encaixe induzido
• O sítio de ligação discrimina entre diferentes moléculas, ou seja, a interação é específica
• Uma proteína pode ter sítio de ligação para diversas moléculas
• Proteínas são flexíveis, vibram, “respiram”
• Mudanças conformacionais (alostéricas) são essenciais para a função protéica
• Encaixe induzido: adaptação estrutural da proteína que se liga firmemente a ele
Teoria do caos e estrutura de proteínas
• Novas teorias dizem que o modelo chave-e-fechadura está refutado
• A proteína fica em um estado de movimentação dinâmica razoavelmente caótico – É o substrato induz a mudança
conformacional na proteína
• Complementaridade interativa: é como se a chave moldasse a fechadura ao encontrar com ela – ou vice-versa
Modificações conformacionais• Em uma proteína contendo várias subunidades, uma mudança
conformacional em uma delas normalmente afeta a conformação das demais
• As ligações com os ligantes podem ser reguladas por meio de interações específicas (fosforilação, glicosilação, etc.) ou por ligação a outros ligantes
• Nas enzimas, os ligantes são chamados substratos e o sítio de ligação é chamado sítio catalítico ou sítio ativo
• Palavras-chave: ligação, especificidade e mudança conformacional
Proteínas de ligação ao O2
• A mioglobina e a hemoglobina são provavelmente as proteínas mais estudadas do mundo– Primeiras a terem estrutura 3D
conhecida– Reação reversível de ligação ao O2
• Por que uma proteína?– O2 é pouco solúvel em solução
aquosa (sangue)
Como ligar e transportar O2
• O problema: nenhuma cadeia lateral de aminoácido é adaptada a ligar uma molécula de oxigênio– Sabe-se que metais de transição (Ferro e
cobre) ligam-se bem ao O2, mas... – Ferro livre gera espécies reativas de
oxigênio
• Grupo prostético: composto associado permanentemente a uma proteína e que contribui para sua função
• O grupo heme: anel de protoporfirina, seis ligações
A mioglobina
• 154 aa; 16700 Kda
• Encontrada no tecidomuscular de mamíferos– Em focas e baleias guarda
O2 para mergulhos longos
• Globina (prot. globular)– 8 α-hélices – 78% dos resíduos
• Ligações proteína-ligantes são descritas por expressões de equilíbrio
>gi|44955888|ref|NP_976312.1| myoglobin [Homo sapiens] MGLSDGEWQLVLNVWGKVEADIPGHGQEVLIRLFKGHPETLEKFDKFKHLKSEDEMKASEDLKKHGATVLTALGGILKKKGHHEAEIKPLAQSHATKHKIPVKYLEFISECIIQVLQSKHPGDFGADAQGAMNKALELFR KDMASNYKELGFQG
P + L PL
Hemoglobina
• Proteína tetramérica quase esférica com 4 grupos heme– 2 cadeias alfa– 2 cadeias beta
• <50% de similaridade na cadeia primária!!– Estrutura 3D muito
similar
Eritrócitos• Eritrócitos são células altamente
especializadas em transportar O2– Perderam núcleo, mito, retículo– Vivem 120 dias– 34% de seu peso total é de
hemoglobina
• Hemoglobina está 96% saturada no sangue arterial e 64% no sangue venoso
• o CO tem mais afinidade à hemoglobina do que o O2
Proteínas alostéricas
• Hemoglobina possui 2 tipos de estados conformacionais: T(enso) e R(elaxado)
• A ligação do O2 à subunidade da hmb no estado T desencadeia mudança para o estado R
• Em proteínas alostéricas, como a Hmb, a interação com um ligante altera as propriedades de ligação a outros sítios da mesma proteína
A hemoglobina também carrega o CO2
• Liga CO2 de forma inversamente proporcional quando relacionado à ligação com o oxigênio
• CO2 liga-se como grupo carbamato ao grupo amino do aminoácido que está no N-terminal
• Os carbamatos formam pontes salinas adicionais que auxiliam na estabilização do estado T e provem liberação do O2
A ligação do O2 à hmg é regulada por BPG
• 2,3 bisfosfoglicerato• Presente em alta concentração nos
eritrócitos• Uma molécula ligada para cada
hemoglobina – estabiliza o estado T– Dificulta a ligação do O2 à hmg
• Quantidade de O2 liberada nos tecidos é ~40% da quantidade máxima transportada no sangue – regulado com altitude
• Excesso de BPG => hipoxiaFuncionamento inadequado do pulmão
• Feto tem hemoblogina que é mais afim de O2 do que a da mãe
Anemia falciforme• A mutação homozigota (aa) de um
único nucleotídeo que codifica para a cadeia B da hemoglobina faz com que a forma da hemácea seja modificada– Não há cura, transporte ineficiente de
O2
• Por outro lado, o heterozigoto (Aa) possui maior resistência à malária já que o Plasmodium não consegue infectar tão bem as hemáceas falciformes– Qual o tipo de tratamento que se dá à
doenças genéticas?
Interações protéicas moduladas por energia química (ATP)
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
Citoesqueleto• Rede de filamentos protéicos que
se prolongam no citoplasma
• Rede estrutural da célula– Define formato e organização geral
do citoplasma
• Responsável pelos movimentos celulares– Transporte interno de organelas– Transporte de cromossomos na
mitose
• Estrutura dinâmica– Organizado e desorganizado
(divisão celular)
Composição do citoesqueleto
• Formados por três tipos principais de filamentos arranjados em conjunto e associados a organelas e à membrana por proteínas acessórias– Filamentos de Actina– Filamentos intermediários– Microtúbulos
• Funções– Motilidade celular, transporte de
organelas, divisão celular e outros tipos de transporte celular
FA FI MT
Filamentos do citoesqueleto• Cada tipo de filamento do
citoesqueleto é um polímero construído a partir de subunidades menores (monômeros)
• Podem difundir-se rapidamente pelo citoplasma
• Proteínas acessórias associam-se ao citoesqueleto
• Os polímeros do citoesqueleto são mantidos por ligações fracas (não covalentes)
Actina• Proteína globular, principal proteína do
citoesqueleto– 20% das proteínas totais de uma célula– Leveduras: um gene; Mamíferos: 6 genes
• Uma das proteínas mais conservadas sendo 90% idêntica desde os fungos até os mamíferos• Usada frequentemente como controle negativo
• Quando polimerizada forma filamentos do citoesqueleto
• Participa da contração muscular, mobilidade celular, divisão celular, citocinese, movimentação de vesículas e organelas, sinalização celular, estabilização e manutenção das junções celulares, formato celular
• Interage com as membranas celulares
Filamentos de Actina
• Microfilamentos formam feixes ou redes tridimensionais com propriedades de géis semi-sólidos
• O arranjo e a organização dos filamentos, as ligações entre feixes e redes e estruturas celulares são regulados pela ligação com uma variedade de proteínas de associação com a actina
• Os filamentos são particularmente abundantes junto à membrana plasmática– Suporte mecânico e forma celular– Movimento da superfície celular
Microfilamentos de actina• Cada monômero de actina faz
uma rotação no filamento, que apresenta estrutura de hélice de dupla cadeia
• Possui uma polaridade que será importante para a definição do movimento da miosina
• Polimeriza espontaneamente em condições fisiológicas– Polimerização reversível
(dinâmica)• Extremidade positiva cresce de 5
a 10 vezes mais rápido do que a negativa
Organização dos filamentos
• Feixes de actina– Filamentos ligados em agrupamentos paralelos– Proteínas empacotadoras de actina
• Redes de actina– Arranjo ortogonal
Feixes paralelos
• Responsáveis pelas microvilosidades das membranas
Redes de actina
• Filamentos de actina ligados por proteínas filaminas
• Ligações ortogonais– Malha tridimensional
frouxa
• Sustentação da superfície da célula
Adesão celular
• Responsáveis pelo contato com células adjacentes• Fibras de estresse– Fibras de actina que promovem adesão celular
• Fibras de alfa-actinina ligam cateninas e caderinas• Contato célula-célula– Junções de adesão
Projeções de membrana
• Microvilosidades intestinais• Estruturas de resposta a estímulo– Formadas por formação e retração de feixes de actina
• Pseudópodos• Microespículas
Resumo: filamentos de actina
• A: Microvilosidades • B: feixes contráteis citoplasmáticos• C: Protrusões em forma de lâmina e em forma de dedo• D: Anel contrátil durante a divisão celular
Actina, miosina e o movimento celular
• Filamentos de actina estão associados a proteínas miosinas, responsável por movimentos celulares
• A miosina é motor molecular– Converte ATP em energia mecânica– Gera força e movimento
• Responsável pela contração muscular, divisão celular, movimentações celulares
Miosinas• Reconhecidas originalmente como
ATPases presentes em músculos lisos e estriados
• Conservadas na cabeça (liga actina e hidrolisa ATP), mas variáveis na cauda (interação com moléculas)
• Genoma humano possui aproximadamente 40 genes diferentes para miosinas
• Forma define a velocidade com a qual se deslocam nos feixes de actina
Contração muscular• Especialização das células musculares• Músculo como modelo para o estudo
do movimento em nível celular e molecular
• Músculos– Estriado esquelético: movimentos
voluntários– Estriado cardíaco: bombeia sangue do
coração– Liso: movimentos involuntários do
estômago, intestino, útero e vasos sanguíneos
Músculo esquelético
• São feixes de fibras musculares• Citoplasma composto de miofibrilas
– Filamento espessos de miosina – Filamentos finos de actina
• Sarcômeros– Cadeia de unidades contráteis
Sarcômeros• Proteínas titinas
– Ligam miosina da linha Maté o disco Z
• Modelo do filamento deslizante (1954)– Contração do sarcômero– Aproximação dos discos Z– Banda A não sofre alteração– Bandas I e H desaparecem– Deslizamento dos filamentos de
actina
Linha M
O modelo do filamento deslizante
• As cabeças globulares da miosina ligam-se à actina– Ligação entre filamentos finos e
espessos
• A miosina movimenta seus domínios globulares sobre os filamentos de actina em direção ao terminal positivo
Modelo da ponte pênsil
• Além de ligar-se à actina, as regiões globulares da miosina ligam-se e hidrolisam o ATP, que fornece a energia para a realização do deslizamento
• Deslizamento dos feixes de miosina sob os feixes de actina
Miosinas não-convencionais
• Não formam filamentos• Envolvidas em outros tipos de movimentos celulares– Transporte de vesículas e organelas– Fagocitose, emissão de pseudópodos
• Caudas se ligam a organelas• Movimentação sob o
esqueleto de actina
Microtúbulos• Cilindros ocos de 25nm de
diâmetro
• Estruturas dinâmicas em constante processo de organização e desorganização
• Definem a forma da célula
• Promovem locomoção, transporte intracelular de organelas e separação dos cromossomos durante a mitose
Tubulina
• Proteína globular• Arranjos das formas
alfa e beta formam osmicrotúbulos
Estrutura dos microtúbulos
• Formado por dímeros de tubulinasalfa e beta
• Formados por 13 filamentoslineares organizados em volta docentro do túbulo
• Assim como os filamentos de actina são estruturas polares– Extremidade positiva: crescimento rápido– Extremidade negativa: crescimento lento
• A polaridade interfere na direção do movimento ao longo do microtúbulo
Instabilidade dinâmica• Tubulina ligada a GTP é incorporada ao microtúbulo• A adição de tubulina-GTP ocorre mais rápido do que a
hidrólise do GTP -> formação de cap GTP• Na falta de moléculas de GTP ligadas a tubulina, a
hidrólise ocorre de forma mais rápida e o complexo é despoli-merizado
• Remodelamento dos microtúbulos é impor-tante na mitose
Microtúbulos, drogas e câncer• Drogas que se ligam à
tubulina, como a colchicina e a colcemida inibem a polimerização de microtúbulos
• Inibem assim a divisão celular (mitose)
• Outras drogas que se ligam aos microtúbulos são também utilizadas no tratamento de câncer, como vincristina e vimblastina
Centríolo, centrossomo e organização dos microtúbulos
• Microtúbulos se estendem a partir de um centro organizador de microtúbulos– O centrossomo se localiza
junto ao núcleo
• Durante a mitose os centrossomos formam os fusos mitóticos, responsáveis pela separação dos cromossomos nas células filhas
Centrossomos
• Formados por um par de centríolos organizados perpendicularmente, circundados pelo material peri-centriolar
• Centríolo: estrutura cilíndrica formada por 9 tripletes de microtúbulos
• Funções de organizaçãodos microtúbulos pelocentrossomo
Organização dos microtúbulos na mitose
• Organização do fuso mitótico: responsável pela separação dos cromossomos homólogos
• Centríolo e componentes do centrossomo são inicialmente duplicados
• Os dois centrossomos são então localizados em cada um dos lados do núcleo
• Na mitose ocorre despolimerização e retração geral dos microtúbulos
Microtúbulos motores e movimentos
• Responsáveis por movimentos celulares, transporte intracelular, posicionamento de vesículas e organelas, separação dos cromossomos, batimento de cílios e flagelos
• Assim como no caso da actina a movimentação é realizada por proteínas motoras que usam a energia do ATP
• Cinesinas e dineínas fazem aqui o papel da miosina
Cinesinas e dineínas
• Movem-se em direções opostas ao longo dos microtúbulos– Cinesina: move-se para a extremidade positiva– Dineína: extremidade negativa
• Cerca de 100 diferentes cinesinas em humanos
Transporte de organelas
• Neurônios com metros de comprimento precisam ter moléculas transportadas para o axônio
• Vesículas secretoras vindas do Golgi são transportadas ao longo dos microtúbulos aos axônios
Separação dos cromossomos mitóticos
• Ocorre durante a anáfase• Anáfase A– Movimento dos cromossomos em
direção ao polo do fuso
• Anáfase B
Separação dos polos do fuso
Cílios e Flagelos
• Projeções de membrana formadas por microtúbulos e responsáveis pelo movimento de células eucarióticas
• Flagelos de bactérias são protéicos (não tubulina)
• Estrutura emaxonema (9+2)
Sistema imunológico
Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
Proteínas e imunologia• A maioria das interações proteína-ligante não envolve
grupo prostético• Discriminação efetiva do ligante é na forma de sítio de
ligação proteína-proteína• Resposta imunológica– A distinção molecular entre “próprio” e “não-próprio”– Teoria de rede– O sistema homeostático bioquímica é altamente sensível
e desenvolvido através das reações entre ligantes e proteínas
Sistemas imunológicos• Imunidade celular
– Células hospedeiras infectadas por vírus, parasitas e tecidos estranhos
– Linfócitos T• Parasitas possuem receptores de células Tc• Células T auxiliares produzem proteínas
sinalizadoras (citocinas)
• Imunidade humoral– Infecções bacterianas e virais, proteínas
estranhas– Anticorpos ou imunoglobulinas (Ig)– 20% das proteínas do sangue são Igs
produzidas pelos linfócitos B
Proteínas imunológicas• Proteínas de reconhecimento
altamente específicas (humanos teem 108 anticorpos com especificidades diferentes)– Receptor de célula T– Anticorpo produzido por célula B
• Antígeno: molécula que induz resposta imunológica– Epitopo: determinante antigênico,
região da molécula reconhecida
• Imunoglobulinas (ig’s): formadas por 4 cadeias polipeptídicas, sendo 2 pesadas e 2 leves
Imunoglobulinas• Ligação específica entre
antígeno e anticorpo• Imunoglobulinas podem ser
encontradas em monômeros, dímeros, trímeros, multímeros
• Marcação do patógeno para engolfamento por macrófagos
Ligação antígeno-anticorpo• Firme e específica• É a base para procedimen-tos
analíticos importantes• Anticorpo
– policlonal: reconhecido por várias células B diferentes
– Monoclonal: reconhecidos pela mesma população de células B
• Anticorpo pode ser ligado a uma resina cromatográfica para separação de uma proteína específica
• Exames sorológicos: detecta presença e quantidade do antígeno
• Immunoblot
Conclusões• As proteínas teem inúmeras funções celulares• A estrutura da proteína é altamente relevante para que ela tenha uma função celular• O contato proteína-proteína regula muitas funções intra e intercelulares (receptores
de membrana)• As proteínas mudam de conformação quando encaixadas a um ligante
– A ligação reversível da proteína ao ligante é importante na regulação do metabolismo– Sítios de ligação podem ligar diferentes moléculas, algumas com mais afinidade do que o
ligante desejado
• Proteínas interagem para a formação do citoesqueleto e contração muscular, gastando energia química
• Polimeração e despolimerização de complexos poliméricos acontecem em todo o instante nas células
• Proteínas podem ligar moléculas indiretamente -- através de grupos prostéticos• Há um controle dos ligantes mais comuns dentro de um organismo e a presença de
novas moléculas desconhecidas aciona o sistema imune
• Aula baseadano livro do Lehninger(Nelson e Cox)
• Capítulo 5
• The cell– Cap 11