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Biologia Molecular
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Tradução Profa Pricila da Silva Cunha Disciplina Biologia Molecular Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Introdução Muitos dos componentes e mecanismos básicos utilizados pela maquinaria de tradução são bem conservados em todas as formas de vida de bactérias a eucariotos A tradução chega a consumir 90 do total de energia utilizada por uma célula para reações biossintéticas mostrando o quão importante é esse processo A TRADUÇÃO consiste na síntese de proteínas dirigida por mRNA A tradução é um processo firmemente regulado de modo que a célula somente sintetiza as proteínas que ela precisa para suprir as necessidades metabólicas daquele dado momento A tradução ocorre nos ribossomos complexos ribonucleoproteicos rRNA e proteínas Micrografia eletrônica e desenho esquemático de uma porção de uma célula pancreática Introdução Visão geral da tradução em procariotos e em eucariotos Proteína Eucariotos Adaptado de Biologia Molecular Princípios e técnicas Cox e colaboradores Proteína Procariotos Acoplamento da transcrição e da tradução Código genético Um CÓDON é uma trinca de nucleotídeos que codifica um aminoácido específico E como o mRNA codifica a sequência de aminoácidos de uma cadeia polipeptídica CÓDIGO GENÉTICO Código genético códigos de três letras no DNA ou no mRNA denominados códons que codificam para os aminoácidos de uma proteína Código genético ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DO CÓDIGO GENÉTICO 1 Código genético não sobreposto Os códons são lidos de maneira sucessiva e sem sobreposição A sequência de aminoácidos de uma proteína é definida por uma sequência linear de códons contíguos Código genético 2 O código genético apresenta 3 fases de leitura possíveis Fase de leitura aberta ORF Open Reading Frame segmento de uma sequência de DNA que não inclui um códon de parada geralmente corresponde a uma fase de leitura sem um códon de parada entre 50 ou mais códons A principio qualquer sequência de DNA fita simples ou mRNA tem três fases de leitura possíveis Cada fase de leitura apresenta uma sequência diferente de códons mas geralmente apenas uma delas codifica uma proteína funcional Código genético 3 O código genético é degenerado Combinação das 4 bases nitrogenadas A T C e G em grupos de três 43 64 combinações possíveis 64 códons 64 códons 20 aminoácidos Código genético degenerado Um mesmo aminoácido pode ser codificado por mais de um códon No entanto cada códon codifica somente um aminoácido Código genético CÓDIGO GENÉTICO códons escritos na direção 53 5AUG códon de início além de codificar resíduos de Met nas posições internas dos polipeptídios 5UAA 5UAG e 5UGA códons de parada não codificam aminoácidos Importante A 3ª base de cada códon em negrito desempenha um papel menor na especificidade do aminoácido quando comparada às duas primeiras bases Código genético 4 O código genético é quase universal Com exceção de algumas pequenas variações nas mitocôndrias em algumas bactérias e em alguns eucariotos unicelulares os códons dos aminoácidos são idênticos em todas as espécies Hipótese da oscilação Os códons no mRNA são reconhecidos por moléculas adaptadoras tRNAs através do pareamento CÓDONANTICÓDON Hipótese da oscilação Se o anticódon de um tRNA reconhecesse apenas um códon as células teriam um tRNA para cada códon de aminoácido Mas não é isso que acontece 32 tRNAs 20 aminoácidos Exemplo tRNAArg anticódon 3 GCI que reconhece 3 códons diferentes CONCLUSÃO a 3ª base da maioria dos códons pareia de maneira mais frouxa com a 1ª base do anticódon lido na direção 53 ou seja a 3ª base desses códons e a 1ª base dos anticódons correspondentes oscila base oscilante HIPÓTESE DA OSCILAÇÃO HIPÓTESE DA OSCILAÇÃO 1 As duas primeiras bases de um códon no mRNA sempre estabelecem pareamentos fortes do tipo WatsonCrick com as bases correspondentes no anticódon do tRNA e conferem a maior parte da especificidade do código genético Hipótese da oscilação 2 A 1ª base do anticódon que pareia com a 3ª base do códon lido na direção 53 determina o número de códons reconhecidos pelo tRNA Hipótese da oscilação 3 Quando um aminoácido é especificado por códons diferentes os códons que diferem em uma das duas primeiras bases requerem tRNAs diferentes 4 São necessários pelo menos 32 tRNAs para traduzir todos os 61 códons 31 para codificar os aminoácidos e 1 para o início da tradução Tradução TRADUÇÃO SÍNTESE DE PROTEÍNAS A tradução ocorre em 5 estágios 1 Ativação dos aminoácidos ligação covalente de cada aminoácido a um tRNA específico formando os aminoaciltRNAs 2 Iniciação ligação do mRNA à subunidade menor do ribossomo e ao aminoacil tRNA iniciador seguido pela ligação da subunidade ribossomal maior complexo de iniciação 3 Alongamento o polipeptídeo é alongado por meio da adição de unidades sucessivas de aminoácidos que se ligam covalentemente após serem levados até o ribossomo e posicionados corretamente pelos respectivos aminoaciltRNAs 4 Terminação a tradução termina quando um códon de parada é encontrado no mRNA O polipeptídeo é liberado e o ribossomo é reciclado para um novo ciclo de síntese 5 Enovelamento e processamento póstraducional o polipeptídeo dobrase na sua conformação nativa funcional e pode sofrer processamento enzimático A tradução é um processo que consome grande quantidade de energia ATP e GTP VISÃO GERAL DOS CINCO ESTÁGIOS DA SÍNTESE PROTEICA TABELA 275 Componentes necessários para os cinco principais estágios da síntese de proteínas em E coli Estágio 1 Ativação de aminoácidos 20 aminoácidos 20 aminoaciltRNAsintases 32 ou mais tRNAs ATP Mg2 2 Iniciação mRNA NFormilmetioniltRNAMet Códon de início no mRNA AUG Subunidade ribossomal 30S Subunidade ribossomal 50S Fatores de iniciação IF1 IF2 IF3 GTP Mg2 3 Alongamento Ribossomo 70S funcional complexo de iniciação AminoaciltRNAs especificados pelos códons Fatores de alongamento EFTu EFTs EFG GTP Mg2 4 Terminação e reciclagem dos ribossomos Códon de parada no mRNA Fatores de liberação RF1 RF2 RF3 RRF EFG IF3 5 Enovelamento e processamento póstraducional Chaperonas e enzimas envolvidas no enovelamento de proteínas PPI PDI componentes para remoção de resíduos iniciadores e sequências sinalizadas processamento proteolítico adicional modificação de resíduos terminais e ligação de grupos acetil fosforil metil carboxil de carboidratos e grupos prostéticos Ribossomos Antes de considerarmos detalhadamente cada um dos cinco estágios precisamos falar de dois componenteschave na síntese de proteínas os ribossomos e os tRNAs RIBOSSOMOS complexos ribonucleoproteicos rRNA e proteínas Ribozimas Ribossomo de bactérias Ribossomo de eucariotos leveduras Sulco local onde ocorre a síntese proteica Ribossomos Ribossomos de bactérias e de eucariotos Ainda assim a estrutura e a função dos ribossomos são semelhantes em todos os organismos e organelas Importante Os ribossomos de mitocôndrias e cloroplastos são um pouco menores e mais simples do que os ribossomos das bactérias RNA transportador tRNA RNA transportador tRNA molécula adaptadora na síntese proteica Os tRNAs presentes nas bactérias e no citosol de eucariotos contêm entre 73 e 93 nucleotídeos As mitocôndrias e os cloroplastos tem tRNAs diferentes e um pouco menores Pelo menos 32 tRNAs são necessários para reconhecer todos os códons de aminoácidos alguns tRNAs reconhecem mais de um códon É muito comum a presença de açúcares e bases modificadas nos tRNAs RNA transportador tRNA Braço do aminoácido local de ligação do aminoácido específico daquele tRNA Braço do anticódon contém o anticódon Braço D contem o nucleotideo incomum di hidrouridina D Braço TψC contem ribotimidina T e pseudouridina ψ Braço extra não está presente em todos os tRNAs O braço do aminoácido e o braço do anticódon são cruciais para a função adaptadora do tRNA Os braços D e TψC contribuem com importantes interações para o enovelamento das moléculas de tRNAs e o braço TψC interage com o rRNA da subunidade maior do ribossomo Estrutura secundária em forma de folhadetrevo dos tRNAs RNA transportador tRNA Estrutura tridimensional do tRNAPhe de leveduras Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 ESTÁGIO 1 ATIVAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS As aminoaciltRNAsintases catalisam a formação dos aminoaciltRNAs Cada enzima é específica para um aminoácido e um ou mais tRNAs correspondentes Aminoácido tRNA ATP aminoaciltRNA AMP 2Pi ΔG 29 kJmol Para cada molécula de aminoácido que é ativada são gastas duas ligações fosfato de alta energia o que equivale ao consumo de 2 ATPs Em todos os organismos existem duas classes de aminoaciltRNAsintases que diferem quanto ao mecanismo de reação AminoaciltRNAsintase da Classe I e AminoaciltRNAsintase da Classe II Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 Estrutura geral de um aminoaciltRNA O grupo aminoacila é esterificado na posição 3OH do resíduo de adenilato A terminal do tRNA Ativação dos aminoácidos Aminoacilação do tRNA pelas aminoaciltRNAsintases Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 E O QUE GARANTE A FIDELIDADE DA SÍNTESE PROTEICA 1 erro para cada 104 aminoácidos incorporados 1 Presença de um sítio de edição nas aminoaciltRNAsintases Exemplo IletRNAsintase capaz de discriminar entre valina e isoleucina aminoácidos que diferem em apenas um grupo metileno CH2 Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 O grupo R da Val é um pouco menor do que o da Ile de modo que ValAMP cabe no sítio de edição da IletRNAsintase enquanto o IleAMP não cabe Assim ValAMP é hidrolisado à valina AMP e o tRNA não é carregado com o aminoácido errado Importante Além da edição após a formação do aminoacilAMP a maioria das aminoaciltRNAsintases são capazes de hidrolisar a ligação éster entre aminoácidos incorretos e tRNAs nos aminoaciltRNAs Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 2 Segundo código genético interação das aminoaciltRNAsintases com seus respectivos tRNAs Para a fidelidade da biossíntese de proteínas discriminar entre dezenas de tRNAs é uma tarefa tão importante quanto distinguir entre os diferentes aminoácidos Alguns nucleotídeos são conservados em todos os tRNAs e portanto não podem ser utilizados para discriminação Os nucleotídeos que estão envolvidos na discriminação pelas aminoaciltRNAsintases estão localizados principalmente no braço do aminoácido e no braço do anticódon incluindo os nucleotídeos do próprio anticódon Pontos lilás nucleotídeos conservados em todos os tRNAs Pontos laranja Pontos de reconhecimento por uma única aminoaciltRNAsintase Pontos azuis Pontos de reconhecimento por duas ou mais aminoaciltRNAsintases Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 Posição dos nucleotídeos nos tRNAs que são reconhecidos pelas aminoaciltRNAsintases GlntRNAsintase de E coli Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 Exemplo o principal determinante para o reconhecimento do tRNA pela AlatRNA sintase é um único par de bases GU no braço do aminoácido do tRNAAla Elementos estruturais do tRNAAla necessários para o reconhecimento pela AlatRNAsintase Tradução Iniciação estágio 2 ESTÁGIO 2 INICIAÇÃO A síntese de uma proteína começa na extremidade Nterminal em direção à extremidade Cterminal O primeiro aminoácido adicionado correspondente ao códon 5AUG iniciador é Nformilmetionina fMet em bactérias Metionina Met em eucariotos Todos os organismos têm dois tRNAs para Met um deles é utilizado exclusivamente quando 5AUG é o códon de iniciação e o outro é utilizado para codificar resíduos de metionina em posições internas no polipeptídeo Importante As proteínas sintetizadas pelos ribossomos das mitocôndrias e dos cloroplastos iniciam com Nformilmetionina teoria endossimbiótica INICIAÇÃO EM BACTÉRIAS Subunidade 30S IF3 IF1 mRNA Sequência de ShineDalgarno 16S rRNA GTP IF2 tRNA fMet Anticódon IF1 AUG UAC 5 3 5 3 IF2GTP ligase à subunidade 30S e recruta o fMettRNAfMet o qual forma pares de bases com o códon de início GDP Pi IF2 associase ao complexo o IF2 hidrolisa o GTP e IF1 IF2 e IF3 se dissociam do complexo de iniciação Tradução Iniciação em bactérias Como as bactérias conseguem diferenciar entre o códon 5AUG iniciador e os códons internos de metionina Sequência de ShineDalgarno Sequência de ShineDalgarno Sequência consenso contendo de 4 a 9 resíduos de purina localizados 8 a 13 pb no lado 5 do códon de iniciação 5AUG A sequência de ShineDalgarno realiza um pareamento de bases com uma sequência complementar rica em pirimidinas próxima à extremidade 3 do rRNA 16S da subunidade 30S do ribossomo CURIOSIDADE Em E coli AUG é o códon de iniciação em cerca de 91 dos genes com GUG 7 e UUG 2 assumindo essa função mais raramente Tradução Iniciação em bactérias Tradução Alongamento estágio 3 ESTÁGIO 3 ALONGAMENTO 1 Etapa 1 Ligação de um aminoaciltRNA ALONGAMENTO EM BACTÉRIAS Complexo de iniciação O encaixe envolve uma mudança na conformação do segundo tRNA trazendo sua extremidade aminoacil para o sítio da peptidiltransferase do ribossomo 70S Edição no ribossomo O ribossomo faz uma leitura das interações códonanticódon no sítio A Os aminoaciltRNA incorretos normalmente se dissociam do sitio A nessa primeira etapa Tradução Alongamento em bactérias 2 Etapa 2 Formação da ligação peptídica Peptidiltransferase rRNA 23S da subunidade 50S Peptidiltransferase O mRNA é lido na direção 53 e a proteína é sintetizada da extremidade amino para a carboxiterminal 3 Etapa 3 Translocação O ribossomo se move em direção à extremidade 3 do mRNA Tradução Terminação estágio 4 ESTÁGIO 4 TERMINAÇÃO TERMINAÇÃO EM BACTÉRIAS Fatores de liberação RF se ligam a um códon de parada e induzem a peptidiltransferase a transferir o polipeptídeo nascente para uma molécula de água em vez de para outro aminoácido RF1 reconhece os códons de parada 5UAG e 5UAA RF2 reconhece os códons de parada 5UGA e 5UAA Tradução em bactérias Polissomos polirribossomos Complexo formado por uma molécula de mRNA e dois ou mais ribossomos Os polissomos são encontrados tanto em células procarióticas quanto em células eucarióticas E coli E coli Tradução Enovelamento e processamento póstraducional estágio 5 ESTÁGIO 5 ENOVELAMENTO E PROCESSAMENTO PÓSTRADUCIONAL Conformação nativa Conformação final biologicamente ativa Algumas proteínas sejam elas de bactérias arqueias ou eucariotos não adquirem sua conformação nativa até que sejam alteradas por uma ou mais reações de processamento denominadas modificações póstraducionais E quais são os principais tipos de modificações póstraducionais Tradução Enovelamento e processamento póstraducional estágio 5 1 Modificações aminoterminais e carboxiterminais Remoção do resíduo aminoterminal de Nformilmetionina bactérias e metionina eucariotos podendo haver a remoção eou modificação de resíduos adicionais da extremidade Nterminal e Cterminal 2 Perda das sequências sinalizadoras Algumas proteínas possuem de 15 a 30 resíduos de AAs na extremidade Nterminal que atuam no endereçamento da proteína para seu destino final na célula Essas sequências sinalizadoras são removidas no final por peptidases especificas 3 Modificações de aminoácidos individuais Fosforilação carboxilação metilação Metilação Carboxilação Fosforilação Tradução Enovelamento e processamento póstraducional estágio 5 4 Ligação de cadeias laterais de carboidratos glicosilação formação de glicoproteínas Oligossacarídeos Nligados carboidratos que se ligam à cadeia lateral de resíduos de Asn Oligossacarídeos Oligados carboidratos que se ligam à cadeia lateral de resíduos de Ser ou Thr 5 Adição de grupos isoprenila Ligação de grupos isoprenila à cadeia lateral de um resíduo de Cys da proteína modificação comum em proteínas de células eucarióticas O grupo isoprenila ajuda a ancorar a proteína na membrana Tradução Enovelamento e processamento póstraducional estágio 5 6 Adição de grupos prostéticos Exemplo Biotina grupo prostético da enzima acetilCoAcarboxilase 7 Processamento proteolítico Muitas proteínas são inicialmente sintetizadas como polipeptídios precursores longos e inativos que são posteriormente clivados para dar origem às formas menores e ativas das proteínas Exemplos próinsulina quimotripsinogênio e o tripsinogênio 8 Formação de pontes dissulfeto entre resíduos de Cys São comuns em proteínas eucarióticas que são secretadas no meio extracelular Tradução em eucariotos TRADUÇÃO EM EUCARIOTOS A tradução é semelhante em bactérias e eucariotos com a maioria das diferenças residindo no número de componentes envolvidos e em detalhes do mecanismo Visão geral da tradução em células eucarióticas INICIAÇÃO eIF3 Subunidade ribossomal 40S eIF1 eIF1A Varradura eIF3 eIF1A GTP Anticódon eIF2 eIF5B GTP Complexo préiniciação 43S GTP eIIF3 Subunidade ribossomal 60S 5 3 5 3 eIF5B ADP Pi ATP Complexo de iniciação 48S Tradução em eucariotos Circularização do mRNA no complexo de iniciação em eucariotos eIF4E ligase ao quepe 5 eIF4G ligase à proteína ligadora da cauda poliA PABP circularizando o mRNA Ela também se liga ao eIF3 unindo o mRNA circularizado à subunidade 40S do ribossomo eIF4A atividade ATPase e RNAhelicase TABELA 278 Fatores proteicos necessários para a iniciação da tradução em células bacterianas e eucarióticas Fator Função Bactérias IF1 Impede a ligação prematura do tRNA no sítio A IF2 Facilita a ligação do fMettRNAfmet à subunidade 30S do ribossomo IF3 Ligase à subunidade 30S impede a associação prematura da subunidade 50S aumenta a especificidade do sítio P pelo fMettRNAfmet Eucariotos eIF1 Ligase ao sítio E da subunidade 40S facilita a interação entre o complexo ternário eIF2tRNAGTP e subunidade 40S eIF1A Homólogo ao IF1 de bactérias impede a ligação prematura do tRNA no sítio A eIF2 GTPase facilita a ligação do MettRNAMet indicado a subunidade ribossomal 40S eIF3B eIF3 Primeiros fatores a se ligarem na subunidade 40S facilitam as etapas subsequentes eIF4F Complexo que consiste em eIF4E eIF4A e eIF4G eIF4A Atividade de RNAhelicase remove estruturas secundárias do mRNA para permitir a ligação à subunidade 40S faz parte do complexo eIF4F eIF4B Ligase ao mRNA facilita a varredura do mRNA para localizar o primeiro AUG eIF4E Ligase ao eIF4E e é a proteína ligante de poliA PABP faz parte do complexo eIF4F eIF4G Ligase ao eIF4E e é a proteína ligante de poliA PABP faz parte do complexo eIF4F eIF5 Promove a dissociação de vários outros fatores de iniciação da subunidade 40S antes que ocorra a associação dessa com a subunidade 60S para formar o complexo de iniciação 80S eIF5b GTPase homólogo ao IF2 de bactérias promove a dissociação dos fatores de iniciação antes da montagem final do ribossomo Tradução em eucariotos Três fatores de alongamento eucarióticos eEF1α eEF1βγ e eEF2 tem funções análogas àquelas dos fatores de alongamento bacterianos EFTu EFTs e EFG respectivamente Os ribossomos eucarióticos não formam um sitio E os tRNAs desacilados são expulsos diretamente do sitio P ALONGAMENTO Um único fator de liberação eRF reconhece todos os três códons de parada TERMINAÇÃO ENOVELAMENTO E PROCESSAMENTO PÓSTRADUCIONAL Modificações Nterminal e Cterminal perda de sequências sinalizadoras modificação de aminoácidos individuais glicosilação adição de grupos isoprenila adição de grupos prostéticos processamento proteolítico formação de pontes dissulfeto Endereçamento e degradação de proteínas Finalmente as proteínas são transportadas para os locais apropriados na célula e degradadas quando não forem mais necessárias Endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE ENDEREÇAMENTO DE PROTEÍNAS EUCARIÓTICAS PARA O RE Que tipos de proteínas são transportadas para o lúmen do RE A maioria das proteínas lisossomais das proteínas de membrana e das proteínas secretadas Elas possuem uma sequência sinal peptídeo sinal na extremidade Nterminal que as direcionam para o RE Essas sequências sinal variam de 13 a 36 resíduos de aminoácidos Importante As vias que direcionam proteínas para mitocôndrias e cloroplastos também se baseiam em sequências sinal Nterminais As sequências sinal que direcionam as proteínas para o RE apresentam algumas características em comum 1 Entre 10 e 15 resíduos de aminoácidos hidrofóbicos 2 Um ou mais resíduos carregados positivamente geralmente próximos da extremidade Nterminal e que precedem a sequência hidrofóbica 3 Uma sequência curta na extremidade Cterminal próxima do sítio de clivagem que é relativamente apolar possuindo geralmente resíduos de aminoácidos com cadeias laterais curtas principalmente Ala Endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE Endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE Etapas do endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE Após a remoção da sequência sinal os polipeptídios são enovelados as ligações dissulfeto são formadas e muitas proteínas são glicosiladas para formar glicoproteínas No lúmen do RE as proteínas são modificadas de várias maneiras Via geral de síntese de oligossacarídeos Nligados Síntese do oligossacarídeo central de uma proteína Nglicosilada Importante Algumas proteínas são Oglicosiladas no RE mas a maioria das Oglicosilações ocorre no aparelho de Golgi ou no citosol Endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE As proteínas são transportadas do RE para o aparelho de Golgi e então são selecionadas com base em características estruturais para serem enviadas aos lisossomos à membrana plasmática ou à secreção Endereçamento de proteínas eucarióticas para o núcleo ENDEREÇAMENTO DE PROTEÍNAS EUCARIÓTICAS PARA O NÚCLEO Diversas proteínas nucleares ex DNApolimerase RNApolimerase histonas topoisomerases proteínas que regulam a expressão gênica etc são sintetizadas no citosol e importadas para o núcleo A sequência sinal que direciona uma proteína para o núcleo denominada sequência de localização nuclear NLS não é removida depois que a proteína atinge seu destino As NLS podem estar localizadas praticamente em qualquer região da sequência primária da proteína As NLS podem variar consideravelmente mas muitas consistem em 4 a 8 resíduos de aminoácidos e incluem vários resíduos básicos Arg ou Lys consecutivos E como ocorre o transporte de proteínas do citosol para o núcleo Endereçamento de proteínas eucarióticas para o núcleo Endereçamento de proteínas em bactérias ENDEREÇAMENTO DE PROTEÍNAS EM BACTÉRIAS As bactérias são capazes de direcionar proteínas para a membrana interna membrana externa espaço periplásmico ou para o meio extracelular Elas usam sequências sinal presentes na extremidade Nterminal das proteínas Sequências sinal que direcionam as proteínas a diferentes locais nas bactérias Endereçamento de proteínas em bactérias Principal via para exportação de proteínas em bactérias Degradação de proteínas em células eucarióticas DEGRADAÇÃO DE PROTEÍNAS EM CÉLULAS EUCARIÓTICAS A degradação de proteínas tanto em bactérias quanto em eucariotos geralmente é catalisada por sistemas citosólicos seletivos dependentes de ATP Nas células eucarióticas essa degradação é catalisada pelo sistema ubiquitina proteassomo 26S Ubiquitina proteína de 76 resíduos de aminoácidos que se liga covalentemente às proteínas destinadas à degradação por meio de uma via dependente de ATP Proteassomo 26S complexo multienzimático que degrada as proteínas ubiquitinadas A degradação de proteínas evita o acúmulo de proteínas defeituosas ou de proteínas não desejáveis e permite a reciclagem dos aminoácidos Via de ubiquitinação de uma proteína Degradação de proteínas em células eucarióticas Degradação de proteínas em células eucarióticas Proteassomo 26S formado pela partícula central 20S partícula reguladora 19S Partícula central 20S consiste em dois anéis externos de subunidades α e dois anéis internos de subunidades β três subunidades em cada anel β apresentam atividade de protease cada uma com diferentes especificidades de substrato Partícula reguladora 19S se liga às proteínas ubiquitinadas desdobrandoas e transportandoas para dentro da partícula central onde elas são degradadas a peptídeos de 3 a 25 aminoácidos Em um ambiente metabólico que sofre constantes mudanças a degradação de proteínas é tão importante para a sobrevivência de uma célula quanto a síntese proteica
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os códons dos aminoácidos são idênticos em todas as espécies Hipótese da oscilação Os códons no mRNA são reconhecidos por moléculas adaptadoras tRNAs através do pareamento CÓDONANTICÓDON Hipótese da oscilação Se o anticódon de um tRNA reconhecesse apenas um códon as células teriam um tRNA para cada códon de aminoácido Mas não é isso que acontece 32 tRNAs 20 aminoácidos Exemplo tRNAArg anticódon 3 GCI que reconhece 3 códons diferentes CONCLUSÃO a 3ª base da maioria dos códons pareia de maneira mais frouxa com a 1ª base do anticódon lido na direção 53 ou seja a 3ª base desses códons e a 1ª base dos anticódons correspondentes oscila base oscilante HIPÓTESE DA OSCILAÇÃO HIPÓTESE DA OSCILAÇÃO 1 As duas primeiras bases de um códon no mRNA sempre estabelecem pareamentos fortes do tipo WatsonCrick com as bases correspondentes no anticódon do tRNA e conferem a maior parte da especificidade do código genético Hipótese da oscilação 2 A 1ª base do anticódon que pareia com a 3ª base do códon lido na direção 53 determina o número de códons reconhecidos pelo tRNA Hipótese da oscilação 3 Quando um aminoácido é especificado por códons diferentes os códons que diferem em uma das duas primeiras bases requerem tRNAs diferentes 4 São necessários pelo menos 32 tRNAs para traduzir todos os 61 códons 31 para codificar os aminoácidos e 1 para o início da tradução Tradução TRADUÇÃO SÍNTESE DE PROTEÍNAS A tradução ocorre em 5 estágios 1 Ativação dos aminoácidos ligação covalente de cada aminoácido a um tRNA específico formando os aminoaciltRNAs 2 Iniciação ligação do mRNA à subunidade menor do ribossomo e ao aminoacil tRNA iniciador seguido pela ligação da subunidade ribossomal maior complexo de iniciação 3 Alongamento o polipeptídeo é alongado por meio da adição de unidades sucessivas de aminoácidos que se ligam covalentemente após serem levados até o ribossomo e posicionados corretamente pelos respectivos aminoaciltRNAs 4 Terminação a tradução termina quando um códon de parada é encontrado no mRNA O polipeptídeo é liberado e o ribossomo é reciclado para um novo ciclo de síntese 5 Enovelamento e processamento póstraducional o polipeptídeo dobrase na sua conformação nativa funcional e pode sofrer processamento enzimático A tradução é um processo que consome grande quantidade de energia ATP e GTP VISÃO GERAL DOS CINCO ESTÁGIOS DA SÍNTESE PROTEICA TABELA 275 Componentes necessários para os cinco principais estágios da síntese de proteínas em E coli Estágio 1 Ativação de aminoácidos 20 aminoácidos 20 aminoaciltRNAsintases 32 ou mais tRNAs ATP Mg2 2 Iniciação mRNA NFormilmetioniltRNAMet Códon de início no mRNA AUG Subunidade ribossomal 30S Subunidade ribossomal 50S Fatores de iniciação IF1 IF2 IF3 GTP Mg2 3 Alongamento Ribossomo 70S funcional complexo de iniciação AminoaciltRNAs especificados pelos códons Fatores de alongamento EFTu EFTs EFG GTP Mg2 4 Terminação e reciclagem dos ribossomos Códon de parada no mRNA Fatores de liberação RF1 RF2 RF3 RRF EFG IF3 5 Enovelamento e processamento póstraducional Chaperonas e enzimas envolvidas no enovelamento de proteínas PPI PDI componentes para remoção de resíduos iniciadores e sequências sinalizadas processamento proteolítico adicional modificação de resíduos terminais e ligação de grupos acetil fosforil metil carboxil de carboidratos e grupos prostéticos Ribossomos Antes de considerarmos detalhadamente cada um dos cinco estágios precisamos falar de dois componenteschave na síntese de proteínas os ribossomos e os tRNAs RIBOSSOMOS complexos ribonucleoproteicos rRNA e proteínas Ribozimas Ribossomo de bactérias Ribossomo de eucariotos leveduras Sulco local onde ocorre a síntese proteica Ribossomos Ribossomos de bactérias e de eucariotos Ainda assim a estrutura e a função dos ribossomos são semelhantes em todos os organismos e organelas Importante Os ribossomos de mitocôndrias e cloroplastos são um pouco menores e mais simples do que os ribossomos das bactérias RNA transportador tRNA RNA transportador tRNA molécula adaptadora na síntese proteica Os tRNAs presentes nas bactérias e no citosol de eucariotos contêm entre 73 e 93 nucleotídeos As mitocôndrias e os cloroplastos tem tRNAs diferentes e um pouco menores Pelo menos 32 tRNAs são necessários para reconhecer todos os códons de aminoácidos alguns tRNAs reconhecem mais de um códon É muito comum a presença de açúcares e bases modificadas nos tRNAs RNA transportador tRNA Braço do aminoácido local de ligação do aminoácido específico daquele tRNA Braço do anticódon contém o anticódon Braço D contem o nucleotideo incomum di hidrouridina D Braço TψC contem ribotimidina T e pseudouridina ψ Braço extra não está presente em todos os tRNAs O braço do aminoácido e o braço do anticódon são cruciais para a função adaptadora do tRNA Os braços D e TψC contribuem com importantes interações para o enovelamento das moléculas de tRNAs e o braço TψC interage com o rRNA da subunidade maior do ribossomo Estrutura secundária em forma de folhadetrevo dos tRNAs RNA transportador tRNA Estrutura tridimensional do tRNAPhe de leveduras Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 ESTÁGIO 1 ATIVAÇÃO DOS AMINOÁCIDOS As aminoaciltRNAsintases catalisam a formação dos aminoaciltRNAs Cada enzima é específica para um aminoácido e um ou mais tRNAs correspondentes Aminoácido tRNA ATP aminoaciltRNA AMP 2Pi ΔG 29 kJmol Para cada molécula de aminoácido que é ativada são gastas duas ligações fosfato de alta energia o que equivale ao consumo de 2 ATPs Em todos os organismos existem duas classes de aminoaciltRNAsintases que diferem quanto ao mecanismo de reação AminoaciltRNAsintase da Classe I e AminoaciltRNAsintase da Classe II Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 Estrutura geral de um aminoaciltRNA O grupo aminoacila é esterificado na posição 3OH do resíduo de adenilato A terminal do tRNA Ativação dos aminoácidos Aminoacilação do tRNA pelas aminoaciltRNAsintases Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 E O QUE GARANTE A FIDELIDADE DA SÍNTESE PROTEICA 1 erro para cada 104 aminoácidos incorporados 1 Presença de um sítio de edição nas aminoaciltRNAsintases Exemplo IletRNAsintase capaz de discriminar entre valina e isoleucina aminoácidos que diferem em apenas um grupo metileno CH2 Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 O grupo R da Val é um pouco menor do que o da Ile de modo que ValAMP cabe no sítio de edição da IletRNAsintase enquanto o IleAMP não cabe Assim ValAMP é hidrolisado à valina AMP e o tRNA não é carregado com o aminoácido errado Importante Além da edição após a formação do aminoacilAMP a maioria das aminoaciltRNAsintases são capazes de hidrolisar a ligação éster entre aminoácidos incorretos e tRNAs nos aminoaciltRNAs Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 2 Segundo código genético interação das aminoaciltRNAsintases com seus respectivos tRNAs Para a fidelidade da biossíntese de proteínas discriminar entre dezenas de tRNAs é uma tarefa tão importante quanto distinguir entre os diferentes aminoácidos Alguns nucleotídeos são conservados em todos os tRNAs e portanto não podem ser utilizados para discriminação Os nucleotídeos que estão envolvidos na discriminação pelas aminoaciltRNAsintases estão localizados principalmente no braço do aminoácido e no braço do anticódon incluindo os nucleotídeos do próprio anticódon Pontos lilás nucleotídeos conservados em todos os tRNAs Pontos laranja Pontos de reconhecimento por uma única aminoaciltRNAsintase Pontos azuis Pontos de reconhecimento por duas ou mais aminoaciltRNAsintases Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 Posição dos nucleotídeos nos tRNAs que são reconhecidos pelas aminoaciltRNAsintases GlntRNAsintase de E coli Tradução Ativação dos aminoácidos estágio 1 Exemplo o principal determinante para o reconhecimento do tRNA pela AlatRNA sintase é um único par de bases GU no braço do aminoácido do tRNAAla Elementos estruturais do tRNAAla necessários para o reconhecimento pela AlatRNAsintase Tradução Iniciação estágio 2 ESTÁGIO 2 INICIAÇÃO A síntese de uma proteína começa na extremidade Nterminal em direção à extremidade Cterminal O primeiro aminoácido adicionado correspondente ao códon 5AUG iniciador é Nformilmetionina fMet em bactérias Metionina Met em eucariotos Todos os organismos têm dois tRNAs para Met um deles é utilizado exclusivamente quando 5AUG é o códon de iniciação e o outro é utilizado para codificar resíduos de metionina em posições internas no polipeptídeo Importante As proteínas sintetizadas pelos ribossomos das mitocôndrias e dos cloroplastos iniciam com Nformilmetionina teoria endossimbiótica INICIAÇÃO EM BACTÉRIAS Subunidade 30S IF3 IF1 mRNA Sequência de ShineDalgarno 16S rRNA GTP IF2 tRNA fMet Anticódon IF1 AUG UAC 5 3 5 3 IF2GTP ligase à subunidade 30S e recruta o fMettRNAfMet o qual forma pares de bases com o códon de início GDP Pi IF2 associase ao complexo o IF2 hidrolisa o GTP e IF1 IF2 e IF3 se dissociam do complexo de iniciação Tradução Iniciação em bactérias Como as bactérias conseguem diferenciar entre o códon 5AUG iniciador e os códons internos de metionina Sequência de ShineDalgarno Sequência de ShineDalgarno Sequência consenso contendo de 4 a 9 resíduos de purina localizados 8 a 13 pb no lado 5 do códon de iniciação 5AUG A sequência de ShineDalgarno realiza um pareamento de bases com uma sequência complementar rica em pirimidinas próxima à extremidade 3 do rRNA 16S da subunidade 30S do ribossomo CURIOSIDADE Em E coli AUG é o códon de iniciação em cerca de 91 dos genes com GUG 7 e UUG 2 assumindo essa função mais raramente Tradução Iniciação em bactérias Tradução Alongamento estágio 3 ESTÁGIO 3 ALONGAMENTO 1 Etapa 1 Ligação de um aminoaciltRNA ALONGAMENTO EM BACTÉRIAS Complexo de iniciação O encaixe envolve uma mudança na conformação do segundo tRNA trazendo sua extremidade aminoacil para o sítio da peptidiltransferase do ribossomo 70S Edição no ribossomo O ribossomo faz uma leitura das interações códonanticódon no sítio A Os aminoaciltRNA incorretos normalmente se dissociam do sitio A nessa primeira etapa Tradução Alongamento em bactérias 2 Etapa 2 Formação da ligação peptídica Peptidiltransferase rRNA 23S da subunidade 50S Peptidiltransferase O mRNA é lido na direção 53 e a proteína é sintetizada da extremidade amino para a carboxiterminal 3 Etapa 3 Translocação O ribossomo se move em direção à extremidade 3 do mRNA Tradução Terminação estágio 4 ESTÁGIO 4 TERMINAÇÃO TERMINAÇÃO EM BACTÉRIAS Fatores de liberação RF se ligam a um códon de parada e induzem a peptidiltransferase a transferir o polipeptídeo nascente para uma molécula de água em vez de para outro aminoácido RF1 reconhece os códons de parada 5UAG e 5UAA RF2 reconhece os códons de parada 5UGA e 5UAA Tradução em bactérias Polissomos polirribossomos Complexo formado por uma molécula de mRNA e dois ou mais ribossomos Os polissomos são encontrados tanto em células procarióticas quanto em células eucarióticas E coli E coli Tradução Enovelamento e processamento póstraducional estágio 5 ESTÁGIO 5 ENOVELAMENTO E PROCESSAMENTO PÓSTRADUCIONAL Conformação nativa Conformação final biologicamente ativa Algumas proteínas sejam elas de bactérias arqueias ou eucariotos não adquirem sua conformação nativa até que sejam alteradas por uma ou mais reações de processamento denominadas modificações póstraducionais E quais são os principais tipos de modificações póstraducionais Tradução Enovelamento e processamento póstraducional estágio 5 1 Modificações aminoterminais e carboxiterminais Remoção do resíduo aminoterminal de Nformilmetionina bactérias e metionina eucariotos podendo haver a remoção eou modificação de resíduos adicionais da extremidade Nterminal e Cterminal 2 Perda das sequências sinalizadoras Algumas proteínas possuem de 15 a 30 resíduos de AAs na extremidade Nterminal que atuam no endereçamento da proteína para seu destino final na célula Essas sequências sinalizadoras são removidas no final por peptidases especificas 3 Modificações de aminoácidos individuais Fosforilação carboxilação metilação Metilação Carboxilação Fosforilação Tradução Enovelamento e processamento póstraducional estágio 5 4 Ligação de cadeias laterais de carboidratos glicosilação formação de glicoproteínas Oligossacarídeos Nligados carboidratos que se ligam à cadeia lateral de resíduos de Asn Oligossacarídeos Oligados carboidratos que se ligam à cadeia lateral de resíduos de Ser ou Thr 5 Adição de grupos isoprenila Ligação de grupos isoprenila à cadeia lateral de um resíduo de Cys da proteína modificação comum em proteínas de células eucarióticas O grupo isoprenila ajuda a ancorar a proteína na membrana Tradução Enovelamento e processamento póstraducional estágio 5 6 Adição de grupos prostéticos Exemplo Biotina grupo prostético da enzima acetilCoAcarboxilase 7 Processamento proteolítico Muitas proteínas são inicialmente sintetizadas como polipeptídios precursores longos e inativos que são posteriormente clivados para dar origem às formas menores e ativas das proteínas Exemplos próinsulina quimotripsinogênio e o tripsinogênio 8 Formação de pontes dissulfeto entre resíduos de Cys São comuns em proteínas eucarióticas que são secretadas no meio extracelular Tradução em eucariotos TRADUÇÃO EM EUCARIOTOS A tradução é semelhante em bactérias e eucariotos com a maioria das diferenças residindo no número de componentes envolvidos e em detalhes do mecanismo Visão geral da tradução em células eucarióticas INICIAÇÃO eIF3 Subunidade ribossomal 40S eIF1 eIF1A Varradura eIF3 eIF1A GTP Anticódon eIF2 eIF5B GTP Complexo préiniciação 43S GTP eIIF3 Subunidade ribossomal 60S 5 3 5 3 eIF5B ADP Pi ATP Complexo de iniciação 48S Tradução em eucariotos Circularização do mRNA no complexo de iniciação em eucariotos eIF4E ligase ao quepe 5 eIF4G ligase à proteína ligadora da cauda poliA PABP circularizando o mRNA Ela também se liga ao eIF3 unindo o mRNA circularizado à subunidade 40S do ribossomo eIF4A atividade ATPase e RNAhelicase TABELA 278 Fatores proteicos necessários para a iniciação da tradução em células bacterianas e eucarióticas Fator Função Bactérias IF1 Impede a ligação prematura do tRNA no sítio A IF2 Facilita a ligação do fMettRNAfmet à subunidade 30S do ribossomo IF3 Ligase à subunidade 30S impede a associação prematura da subunidade 50S aumenta a especificidade do sítio P pelo fMettRNAfmet Eucariotos eIF1 Ligase ao sítio E da subunidade 40S facilita a interação entre o complexo ternário eIF2tRNAGTP e subunidade 40S eIF1A Homólogo ao IF1 de bactérias impede a ligação prematura do tRNA no sítio A eIF2 GTPase facilita a ligação do MettRNAMet indicado a subunidade ribossomal 40S eIF3B eIF3 Primeiros fatores a se ligarem na subunidade 40S facilitam as etapas subsequentes eIF4F Complexo que consiste em eIF4E eIF4A e eIF4G eIF4A Atividade de RNAhelicase remove estruturas secundárias do mRNA para permitir a ligação à subunidade 40S faz parte do complexo eIF4F eIF4B Ligase ao mRNA facilita a varredura do mRNA para localizar o primeiro AUG eIF4E Ligase ao eIF4E e é a proteína ligante de poliA PABP faz parte do complexo eIF4F eIF4G Ligase ao eIF4E e é a proteína ligante de poliA PABP faz parte do complexo eIF4F eIF5 Promove a dissociação de vários outros fatores de iniciação da subunidade 40S antes que ocorra a associação dessa com a subunidade 60S para formar o complexo de iniciação 80S eIF5b GTPase homólogo ao IF2 de bactérias promove a dissociação dos fatores de iniciação antes da montagem final do ribossomo Tradução em eucariotos Três fatores de alongamento eucarióticos eEF1α eEF1βγ e eEF2 tem funções análogas àquelas dos fatores de alongamento bacterianos EFTu EFTs e EFG respectivamente Os ribossomos eucarióticos não formam um sitio E os tRNAs desacilados são expulsos diretamente do sitio P ALONGAMENTO Um único fator de liberação eRF reconhece todos os três códons de parada TERMINAÇÃO ENOVELAMENTO E PROCESSAMENTO PÓSTRADUCIONAL Modificações Nterminal e Cterminal perda de sequências sinalizadoras modificação de aminoácidos individuais glicosilação adição de grupos isoprenila adição de grupos prostéticos processamento proteolítico formação de pontes dissulfeto Endereçamento e degradação de proteínas Finalmente as proteínas são transportadas para os locais apropriados na célula e degradadas quando não forem mais necessárias Endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE ENDEREÇAMENTO DE PROTEÍNAS EUCARIÓTICAS PARA O RE Que tipos de proteínas são transportadas para o lúmen do RE A maioria das proteínas lisossomais das proteínas de membrana e das proteínas secretadas Elas possuem uma sequência sinal peptídeo sinal na extremidade Nterminal que as direcionam para o RE Essas sequências sinal variam de 13 a 36 resíduos de aminoácidos Importante As vias que direcionam proteínas para mitocôndrias e cloroplastos também se baseiam em sequências sinal Nterminais As sequências sinal que direcionam as proteínas para o RE apresentam algumas características em comum 1 Entre 10 e 15 resíduos de aminoácidos hidrofóbicos 2 Um ou mais resíduos carregados positivamente geralmente próximos da extremidade Nterminal e que precedem a sequência hidrofóbica 3 Uma sequência curta na extremidade Cterminal próxima do sítio de clivagem que é relativamente apolar possuindo geralmente resíduos de aminoácidos com cadeias laterais curtas principalmente Ala Endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE Endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE Etapas do endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE Após a remoção da sequência sinal os polipeptídios são enovelados as ligações dissulfeto são formadas e muitas proteínas são glicosiladas para formar glicoproteínas No lúmen do RE as proteínas são modificadas de várias maneiras Via geral de síntese de oligossacarídeos Nligados Síntese do oligossacarídeo central de uma proteína Nglicosilada Importante Algumas proteínas são Oglicosiladas no RE mas a maioria das Oglicosilações ocorre no aparelho de Golgi ou no citosol Endereçamento de proteínas eucarióticas para o RE As proteínas são transportadas do RE para o aparelho de Golgi e então são selecionadas com base em características estruturais para serem enviadas aos lisossomos à membrana plasmática ou à secreção Endereçamento de proteínas eucarióticas para o núcleo ENDEREÇAMENTO DE PROTEÍNAS EUCARIÓTICAS PARA O NÚCLEO Diversas proteínas nucleares ex DNApolimerase RNApolimerase histonas topoisomerases proteínas que regulam a expressão gênica etc são sintetizadas no citosol e importadas para o núcleo A sequência sinal que direciona uma proteína para o núcleo denominada sequência de localização nuclear NLS não é removida depois que a proteína atinge seu destino As NLS podem estar localizadas praticamente em qualquer região da sequência primária da proteína As NLS podem variar consideravelmente mas muitas consistem em 4 a 8 resíduos de aminoácidos e incluem vários resíduos básicos Arg ou Lys consecutivos E como ocorre o transporte de proteínas do citosol para o núcleo Endereçamento de proteínas eucarióticas para o núcleo Endereçamento de proteínas em bactérias ENDEREÇAMENTO DE PROTEÍNAS EM BACTÉRIAS As bactérias são capazes de direcionar proteínas para a membrana interna membrana externa espaço periplásmico ou para o meio extracelular Elas usam sequências sinal presentes na extremidade Nterminal das proteínas Sequências sinal que direcionam as proteínas a diferentes locais nas bactérias Endereçamento de proteínas em bactérias Principal via para exportação de proteínas em bactérias Degradação de proteínas em células eucarióticas DEGRADAÇÃO DE PROTEÍNAS EM CÉLULAS EUCARIÓTICAS A degradação de proteínas tanto em bactérias quanto em eucariotos geralmente é catalisada por sistemas citosólicos seletivos dependentes de ATP Nas células eucarióticas essa degradação é catalisada pelo sistema ubiquitina proteassomo 26S Ubiquitina proteína de 76 resíduos de aminoácidos que se liga covalentemente às proteínas destinadas à degradação por meio de uma via dependente de ATP Proteassomo 26S complexo multienzimático que degrada as proteínas ubiquitinadas A degradação de proteínas evita o acúmulo de proteínas defeituosas ou de proteínas não desejáveis e permite a reciclagem dos aminoácidos Via de ubiquitinação de uma proteína Degradação de proteínas em células eucarióticas Degradação de proteínas em células eucarióticas Proteassomo 26S formado pela partícula central 20S partícula reguladora 19S Partícula central 20S consiste em dois anéis externos de subunidades α e dois anéis internos de subunidades β três subunidades em cada anel β apresentam atividade de protease cada uma com diferentes especificidades de substrato Partícula reguladora 19S se liga às proteínas ubiquitinadas desdobrandoas e transportandoas para dentro da partícula central onde elas são degradadas a peptídeos de 3 a 25 aminoácidos Em um ambiente metabólico que sofre constantes mudanças a degradação de proteínas é tão importante para a sobrevivência de uma célula quanto a síntese proteica