Mecanismos de ajuste às variações dos meios externo e interno, mantendo

constantes os meios intra e extracelular do organismo, dentro de

limites pouco variáveis e compatíveis com a alta eficiência da

maquinaria celular.

Tendência dos organismos vivos em manter constante o meio interno.

Quando o organismo não consegue manter a homeostase : doença

Ácidos nucléicos e proteínas: moléculas mais importantes nos processos vitais.

Ácidos nucléicos: informação genética

Proteínas: reações enzimáticas

Permitem controlar a atividade das enzimas , adequando-as às necessidades do organismo.

Importante: compreensão das doenças

bases para a terapêutica

Qualitativas e quantitativas nos genes

Nos processos de replicação do DNA

Na transcrição do DNA para RNA

Na tradução do mRNA em proteína

Após a tradução

Constante qualitativa e quantitativamente

Alterações qualitativas: mutações (espontâneas ou provocadas)

Alterações quantitativas: amplificação gênica (ex: tumor; neuroblastoma)

Doenças hereditárias (células germinativas: ovócitos e espermatozóides)

Exemplo: Hemofilia B, distrofia muscular

Transmissão do defeito gênico: direção vertical

Doenças não-hereditárias (células somáticas)

Exemplo: vários tipos de câncer

Transmissão do defeito gênico: direção horizontal

Seqüência de bases: codificação de uma proteína deficiente

Afetar as seqüências de base no DNA que codificam as enzimas responsáveis por modificações pós-traducionais de certas proteínas – numerosas – alta probabilidade – doenças

5% das doenças conhecidas

50% das malformações embrionárias em 3% dos nascimentos

Falhas nos mecanismos de reparação: doenças

Xeroderma pigmentosum

Autossômica e recessiva

Alta sensibilidade aos raios UV

Predisposição ao câncer de pele

Perda dos ribossomos: sinal precoce e inespecífico de degeneração celular

Causa: agentes tóxicos (lesão na tradução)

Doenças podem ser causadas por processos defeituosos de degradação dos componentes celulares

Degradação das macromóleculas: lisosomas

Ausência de enzimas lisosômicas

Degradação incompleta das glicosaminoglicanas e glicoesfingolipídios

A digestão das respectivas moléculas é incompleta

Acúmulo intracelular dos produtos não digeridos completamente

Acúmulo: ≠ células: fígado, músculos, macrófagos etc.

Reações enzimáticas

Informações genéticas

Moléculas protéicas dotadas de atividade da propriedade de acelerar intensamente determinadas reações químicas.

Tanto na síntese quanto na degradação de moléculas.

São as principais responsáveis pela eficiência da maquinaria química intracelular.

São proteínas, produzidas sob o controle do DNA.

São efetores da informação genética contida no DNA

Através dela que o DNA controla todo o metabolismo celular

Substrato: sofre a ação de uma enzima

Centro ativo: parte da molécula da enzima que se combina ao substrato para que seja exercida a ação enzimática

Co-fatores: íons metálicos ou moléculas

Coenzima: quando o co-fator for uma molécula

Holoenzima: complexo enzima + co-fator

Apoenzima: há a remoção da enzima ficando só a enzima

Nome do substrato + sufixo ase

Ex: ácido ribonucléico (substrato) – ribonuclease (enzima)

Catalisadores biológicos

Extremamente eficientes: aceleram 10 9 a 10 12 a velocidade da reação

Transformam de 100 a 1000 moléculas de substrato em produto por minuto de reação

Atuam em concentrações muito baixas e em condições suaves de temperatura e pH

Sensível a diversos agentes

Físicos e químicos

Inibidos

Inibição: competitiva e não-competitiva

Alteram:

Temperatura

Concentração do substrato

Ativadores ou inibidores que alteram a velocidade de atuação das enzimas

Frio: deprime a atividade enzimática retardando

os processos de lise celular e a deterioração

de amostras de tecidos, sangue, urina, etc.

Quando uma substância resistente à ação enzimática , porém de molécula muito parecida com a do substrato da enzima, se fixa nos centros ativos da molécula enzimática

O inibidor compete com o substrato para se localizar no centro ativo

O grau de inibição é influenciado pela concentração do substrato

Quanto maior a concentração do substrato , menor será a probabilidade de o inibidor chocar-se com as moléculas das enzimas e ocupar seus centros ativos

Não é afetada pela concentração do susbtrato

Depende exclusivamente da concentração do inibidor

As cadeias enzimáticas e mais bem organizadas são as que estão ligadas a membranas

Muitas são auto-reguláveis, sobretudo pelo efeito do produto final da cadeia sobre a primeira enzima da seqüência

Retroinibição ou inibição alostérica

Exemplo: L-treonina é transformada em L-isoleucina, através de uma

cadeia de cinco enzimas A primeira enzima desta cadeia é a L-treonina-desaminase – sua

atividade é diminuida ou suprimida pela L-isoleucina A falta de L-isoleucina provoca o funcionamento da cadeia em

toda sua intensidade O excesso de L-isoleucina faz a cadeia diminuir de ritmo ou

mesmo, parar a produção de mais L-isoleucina Assim sendo, a concentração desse aminoácido na célula

permanece dentro dos limites normais

Enzima reguladora: L-treonina-desaminase Substância inibidora (Efetor ou modulador): L-isoleucina

Regulação alostérica

O efetor combina-se com a enzima em um local diferente do centro ativo (centro alostérico)

Conseqüentemente: Ocorre uma modificação no centro ativo da enzima, cuja atividade catalítica é inibida

Izoenzimas: enzimas de uma mesma espécie animal que atacam o mesmo substrato mas que exibem diferenças na atividade, no pH ótimo de ação, na mobilidade eletroforética...

As diferenças de atividades entre as enzimas são conseqüência das diversas proporções dos monômeros em suas moléculas.

A molécula da enzima é constituída por cadeias polipeptídicas (monômeros) diferentes, agrupadas em proporções variáveis.

Izoenzima desidrogenase do ácido láctico

No rato: cada molécula contém quatro cadeias polipeptídicas (monômeros) , de dois tipos:M e H

Conforme a proporção dos monômeros:

1°: 4 cadeias M (M4 H0)

2°: 3 cadeias M + 1 cadeia H (M3 H1)

3°: 2 cadeias M + 2 cadeias H (M2 H2)

4°: 1 cadeia M + 3 cadeias H (M1 H3)

5°: 4 cadeias H (M0 H4)

As cinco desidrogenases forma isoladas puras

Todas atacam o mesmo substrato porém em velocidades diferentes

Biologicamente: a principal distinção entre as izoenzimas é o grau de atividade de cada uma

Um gene: seqüência de aminoácidos de monômeros M

Outro gene: seqüência de aminoácidos de monômeros H

Conforme maior ou menor atividade de cada uma destes genes: maior produção do mRNA para M ou H e os polirribossomos produzirão diferentes quantidades de M e H

Como os monômeros se unem espontaneamente para constituir as enzimas

As atividades de M e H vão depender da atividade daqueles genes

Controle gênico: alterando as proporções dos monômeros produzidos (cadeias polipetídicas), os genes influem na estrutura quaternária das proteínas e podem modular sua atividade enzimática

Células eucariontes: complexo

3 tipos de seqüências nucleotídicas controladoras diferentes: RNA-polimerase

Uma seqüência, ao lado da seqüência codificadora: promotor

Outras duas, distantes: silenciador e reforçador – ativam ou deprimem a transcrição

Transmite para o promotor as informações geradas pelos silenciadores e reforçadores

Diversas proteínas diferentes

Direcionam a RNA-polimerase para os promotores dos genes específicos a serem ativados

Fariam o papel de pontes ligando trechos distantes da cadeia do DNA

A maior quantidade de seqüências reguladoras (silenciadoras e

reguladoras) associadas à grande quantidade de proteínas do

complexo protéico regulador pode explicar a grande diversidade dos

mecanismos reguladores , necessários para orquestrar a

atividade dos 100.000 a 150.000 genes que constituem o genoma

humano.

Três mecanismos:

i. Modulação por fatores protéicos que participam da síntese de proteínas, principalmente os fatores de iniciação

ii. Modulação pela variação e estabilidade do mRNA

iii. Modulação através da inativação do mRNA no citoplasma

Doenças devidas a mutações em diferentes classes de proteínas

Alterações das proteínas nas doenças genéticas

Mutação↓

Proteína alterada↓

Função anormal↓

Doença

Defeitos Enzimáticos:AminoacidopatiasDefeitos no metabolismo das purinasDoenças do armazenamento lisossômicoDefeitos de proteínas receptorasDefeitos do transporte de membranaDistúrbios que afetam proteínas estruturaisMutações heterogênicas nos genes do colágeno

Anormalidades que afetam as taxas de síntese de mRNA e proteínas

Anormalidades que afetam a estrutura da proteína

Anormalidades que afetam a localização subcelular ou montagem de múltiplas proteínas

Mutações que alteram a associação de proteínas a outras proteínas

Mutações que comprometem a ligação, disponibilidade ou remoção de cofatores ou grupos prostéticos

Mutações que afetam principalmente a função da proteína

Defeitos Enzimáticos

Hiperfenilalaninemias:Hiperfenilalaninemias:

Aumento de fenilalanina no sangue: Fenilcetonúria (PKU)

Fenilcetonúria: protótipo dos erros inatos do metabolismo

Autossômico recessivo do catabolismo da fenilalanina

É resultado: mutação da fenilalanina-hidroxilase

Fenilalanina-hidroxilase: enzima que converte a fenilalanina em tirosina

Fenilananina: Não é degradada por pacientes com PKU

Acumula-se nos líquidos corporais, lesando o SNC em desenvolvimento no início da infância, interferindo na função do cérebro maduro → retardamento mental

Pequena fração: metabolizada por vias alternativas

Produz quantidades aumentadas de ácido fenilpirúvico e outros metabólitos: excretados na urina

Triagem neonatal: Teste do Pezinho

TTO: se precoce, eficaz sem ele, retardamento

intenso inevitável

Síndrome de Lesch-NyhanSíndrome de Lesch-Nyhan

Características: Coreoatetose (distúrbios do movimento) Espasticidade Retardamento mental variável Superprodução de ác. úrico: gota Automutilação

Anormalidade neurológicas: ↑ purinas

Deficiência da enzima ligada ao X hipoxantina-guanina-fosforribosiltransferase (HPRT) – ausência de atividade

Lisossomos: organelas ligadas à membrana

Contêm uma série de enzimas hidrolíticas envolvidas na degradação de várias macromoléculas biológicas

Defeitos genéticos dessas hidrolases: acúmulo dos seus substratos dentro do lisossomo → disfunção → morte celular

Única característica clínica: progressão inexorável (aumento da massa dos tecidos e órgãos afetados)

Cérebro: neurodegeneração

Heterogeneidade clínica e genética Gene: diferentes defeitos em um gene Fenótipos intensos: lactância e distúrbios com início na

idade adulta Lócus: defeitos em enzimas codificadas separadamente

que atuam em etapas diferentes de uma via catabólica Clínica: pequenas variações – atividade enzimática residual

Gangliosidoses GM2 : grupo de doenças do armazenamento lisossômico heterogêneas

Incapacidade de degradar um esfingolipídio: gangliosídio GM2

Lesão bioquímica: deficiência de hexosamina A (hex A)

Impacto clínico: cérebro (local de predominância da síntese de gangliosídio GM2)

Curso clínico: trágico

Lactentes: parecem normais até 3 a 6 meses

Deterioração neurológica progressiva até a morte aos 2 a 4 anos

Efeito da morte celular neuronal: manchas vermelho-cereja na retina

Adulto: disfunção do neurônio motor inferior e ataxia → devido à degeneração espinocerebelar (com visão e inteligências normais)

Mucopolissacarídios (glicosaminoglicanas - GAGs): cadeias de polissacarídios sintetizadas por células do tecido conjuntivo

Mucopolissacaridoses: mucopolissacarídios acumulam-se nos lisossomos como resultado de deficiência de uma das enzimas essenciais à sua degradação

Uma ou mais GAGs acumulam-se se a enzima deficiente for necessária ao seu catabolismo

GAGs não degradadas: urina – detectáveis pelos testes de triagem

“Gargoilismo” – feições grosseiras

Crianças: retardamento mental, anormalidades esqueléticas, baixa estatura

São: Síndrome de Hunter – recessiva ligada ao X Síndrome de Hurler – autossômica recessiva (deficiência de α-L-iduronidase)

Hipercolesterolemia familial:Hipercolesterolemia familial:

Caráter autossômico dominante

Elevação do colesterol plasmático transportado pela LDL

LDL: principal proteína transportadora de colesterol no plasma

Mutações no gene estrutural que codificada o receptor da LDL

Receptor de LDL: proteína de superfície celular responsável pela ligação da LDL e transferência desta para o interior da célula

Hipercolesterolemia familial:Hipercolesterolemia familial:

Hetero e homozigotos: cardiopatia prematura em decorrência de ateromas, xantomas e arcos das córneas.

Ateromas: depósitos de colesterol da LDL nas artérias coronárias

Xantomas: depósitos de colesterol na pele e tendões

Arcos das córneas: depósitos de colesterol ao redor da periferia da

córnea

Fibrose Cística

Distúrbio genético autossômico recessivo fatal

+ comum em crianças (brancas)

Incidência: 1 em 2000 RNs

Freqüência de portadores: 1 em 22

Defeito fisiológico básico: não foi inteiramente determinado

Pulmões e pâncreas

Doença pulmonar obstrutiva crônica (secreções espessas)

Infecções recorrentes

Deficiência de enzimas pancreáticas (lipase, tripsina, quimiotripsina) – impedem a digestão normal

Tto intensivo da doença pulmonar: prolongamento da vida

Digestão e nutrição: restabelecidas por suplementos de enzimas pancreáticas

Morte: insuficiência pulmonar e infecção

Hoje: apenas metade dos pacientes sobrevive até 26 anos de idade

Curso clínico variável

Proteína RTFC: reguladora da condutância transmembrana da FC

Polipetídio codificado pelo gene FC

Defeito bioquímico: desconhecido

Embora: mutações da RTFC devam ser diretamente responsáveis pela FC

Ainda não está claro como são produzidos os defeitos na permeabilidade ao cloro

A função da RTFC não é ainda inteiramente compreendida

Distrofias musculares Duchenne e Becker:

defeitos da distrofina

Severa, intratável e relativamente comum

Associada a uma deterioração clínica inexorável

Gene ligado ao X

Proteína: distrofina (mutação)

Meninos: Normais até 1 ou 2 anos de vida Fraqueza muscular – 3 e 5 anos Dificuldade para subir escadas e levantar-se da posição

sentada Cadeira de rodas: 12 anos Improvável que sobreviva aos 20 anos de idade

Morte: insuficiência respiratória e cardíaca (miocárdio)

CK: elevada – 50 a 100x o limite superior do normal

Cérebro: redução do QI cerca de 20 pontos

Tb: mutações no gene da distrofina

Fenótipo + leve

Pacientes deambulando após 16 anos de idade: DMB

Significativa variação na progressão da doença.

Osteogênese Imperfeita

Grupo de distúrbios hereditários do Colágeno Tipo I

Predispõem o paciente a fraturas ósseas (mesmo traumatismos leves) e deformidade esquelética

Heterogeneidade clínica: devido a qual cadeia do precolágeno Tipo I é afetada e o tipo e a localização da mutação no lócus

Colágeno Tipo I: principal proteína estrutural do osso e outros tecidos fibrosos

+ de 50 mutações

Molécula de procolágeno Tipo I pro α 1 (no cromossomo 17) 2 cadeias pro α 2 ( no cromossomo 7)

Colágeno: helicoidal tríplice

Glicina: único resíduo compacto o bastante para ocupar a posição axial da hélice

Em conseqüência: as mutações que acarretam substituições por outros resíduos são altamente desorganizadoras da estrutura helicóidal

Portanto:

1. Quando a montagem da hélice é diminuída por uma mutação, as seções não montadas das cadeias aminoterminais ao defeito são altamente modificadoras, reduzindo sua secreção para o espaço extracelular e contribuindo para sua instabilidade.

2. A modificação excessiva também pode interferir na formação das fibras de colágeno.

Portanto:

3. Não apenas o n° de fibrilas é reduzido como muitas das fibrilas secretadas são defeituosas.

4. Ossos: cadeias anormais + n° reduzido = mineralização

deficiente

Alterações das proteínas Alterações das proteínas nas doenças genéticasnas doenças genéticas

Anormalidades que afetam as taxas de síntese de mRNA e proteínas

Anormalidades que afetam a estrutura da proteína

Anormalidades que afetam a localização subcelular ou montagem de múltiplas proteínas

Mutações que alteram a associação de proteínas a outras proteínas

Mutações que comprometem a ligação, disponibilidade ou remoção de cofatores ou grupos prostéticos

Mutações que afetam principalmente a função da proteína

Anormalidades primárias da síntese de mRNA ou proteína

Anormalidades secundárias da síntese de mRNA ou proteína

Anormalidades primárias que alteram a conformação da proteína

Anormalidades secundárias que afetam a estrutura da proteína: defeitos nas modificações pós-tradução

Defeitos primários que comprometem o trânsito

Defeitos secundários que comprometem o trânsito

Mutações primárias que comprometem a montagem ou interação das subunidades em proteínas multiméricas

Deficiências funcionais secundárias devidas à ausência de formação de complexos de múltiplas proteínas

Mutações primárias que comprometem a ligação do cofator à proteína

Anormalidades secundárias da função da proteína devidas a inadequação da síntese, transporte, fixação ou remoção de moléculas associadas

Defeitos na síntese ou transporte de moléculas pequenas associadas

Defeitos na fixação ou remoção de ligantes

Anormalidades primáriasnas etapas diretamente dependentes da seqüência de DNA do gene estrutural

Anormalidades secundáriasnos eventos modificadores, ou na síntese de proteínas associadas essenciais à

função

Exemplo da doença Etapa afetada Evento modificador Exemplo da doença

SEQUÊNCIA DE NUCLEOTÍDIOS

Talassemias, nas quais a redução do mRNA resulta de deleções, ou defeitos nos sítios reguladores ou da emendaPHHF: transcrição aumentada

Transcrição, emenda do RNA

↓Regulação da transcrição Porfiria intermitente aguda: drogas que

induzem o citocromo P450 reduzem o heme livre – indução da ALA-sintetase-

sintomas

Talassemias devidas a mRNA não funcionantes com mutações sem sentido ou por mudança da matriz de leitura

Tradução

↓Regulação da síntese da

proteínaPorfiria intermitente aguda: o heme afeta a transcrição e tradução da ALA-

sintetase

Hb Hammersmith: o bolso do heme é deformado → instabilidade da configuraçãoMutantes do receptor da LDL da classe 2°: dobramento anormal

Dobramento do polipeptídio (estrutura secundária e terciária) ↓

Modificações pós-tradução (por ex., glicosilação,

hidroxilação)

Síndrome de Ehlers-Danlos tipo VI: deficiência de lisil-hidroxilase→ colágeno

entrelaçado de maneira insuficiente

Acidúria metilmalônica: defeito da seqüência condutora em um alelo da metilmalonil-CoA-mutase

Localização subcelular devida a informações na seqüência de

aminoácidos ↓Localização subcelular

devida a modificaçõe pós-traducionais do polipeptídio

Doença da Célula I: ausência de acréscimo de um marcador de reconhecimento para enzimas

lisossômicas

Muitos defeitos do colágeno → OI por comprometimento da montagem da hélice de colágenoHb Kansas, Hb Kempsey: interação das subunidades comprometida

Para proteínas multiméricas:- associação de subunidades- interação das subunidades ↓ Formação de complexos

de múltiplas proteínas e organelas

Síndrome de Zellweger, um defeito da biogênese dos peroxissomos

Deficiência de cistationa-sintase: ligação fraca ao piridoxal-fosfato→ homocistinúria em 50% dos pacientes

Ligação (não covalente ou covalente) a cofator ou grupo prostético ↓

Síntese ou transporte do cofator ou grupo prostético

Ligação ou remoção (covalente) do cofator

Mutações no metabolismo da vitamina B12 → acidúria metilmalônica, homocistinúria, ou ambasDeficiência de holocarboxilase-sintase; deficiência de biotinidase

Alelo B1 da doença de Tay-Sachs: as mutações podem afetar apenas a função da proteína, como mutações no sítio ativo de enzimasDeficiência de G6PD, variante A: muitas mutações alteram a conformação →instabilidade→degradação→material de reação cruzada reduzido

Degradação proteolítica↓ Regulação da degradação

da proteínaNenhum exemplo conhecido até o

presente

RNA MENSAGEIRO

POLIPEPTÍDIO NÃO DOBRADO

CONFORMAÇÃO TRIDIMENSIONAL

LOCALIZAÇÃO E MONTAGEM

FUNÇÃO BIOLÓGICA

PROTEÍNA DEGRADADA

*Adaptado de Thompson & Thompson, 1993

Quadro 12.9 Como as proteínas são alteradas nas doenças genéticas *

1. Mutações com perda da função

2. Mutações com ganho da função

3. Mutações com propriedades novas

4. Mutações nas proteínas específicas de tecidos

5. Mutações nas proteínas de manutenção

Fim !