Compartimentos intracelulares e Tráfego de proteínas
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Compartimentos intracelulares e Tráfego de proteínas Núcleo Retículo Endoplasmático Aparelho de Golgi Lisossoma Peroxissoma Mitocôndria Tráfego intracelular de proteínas Compartimentos intracelulares Organelos da célula eucariótica Compartimentos intracelulares e Tráfego de proteínas Núcleo NÚCLEO Ultraestrutura O núcleo é o organelo mais volumoso da célula e serve de abrigo ao genoma tornando‐se assim o centro de controlo da célula. No núcleo ocorre a replicação do DNA, a transcrição e o processamento do RNA, enquanto que a fase final da expressão genética (i.e.tradução) ocorre no citoplasma. cromatina membrana citoplasmática invólucro nuclear NÚCLEO RE nucléolo DNA transcrição RNA splicing centrossoma filamentos intermédios microtúbulo poro nuclear Lamina nuclear memb. externa memb. interna transporte do RNA ribossomas tradução proteínas invólucro nuclear CITOSOL NÚCLEO Ultraestrutura Invólucro nuclear O invólucro nuclear separa o nucleoplasma (substância amorfa de natureza proteica que preencha a matriz nuclear) do citoplasma. É constituído por duas biomembranas (membrana externa e membrana interna) que delimitam um espaço perinuclear que varia com o estado fisiológico da célula. À membrana nuclear externa estão associados ribossomas que originam uma certa continuidade entre esta membrana e o RER, o que serve de base para admitir que as membranas do RE se originam a partir da membrana nuclear externa. O invólucro nuclear não é uma estrutura contínua uma vez que há pontos de descontinuidade (poros nucleares) que correspondem a zonas de contacto entre as duas membranas nucleares. NÚCLEO Ultraestrutura Invólucro nuclear membrana nuclear externa invólucro nuclear espaço perinuclear membrana nuclear externa poro nuclear membrana do RE lúmen do RE lamina nuclear NÚCLEO Ultraestrutura Invólucro nuclear e lâmina nuclear Associada à membrana nuclear interna, existe uma estrutura fibrosa densa: lâmina nuclear que serve de suporte mecânico ao núcleo. Lâmina nuclear observada em TEM NÚCLEO Ultraestrutura Organização interna O núcleo tem uma estrutura interna que organiza o material genético e localiza as funções nucleares em zonas discretas. São exemplos desta organização: o nucléolo (local de transcrição dos genes de rRNAs e de síntese de ribossomas), a organização dos cromossomas, a localização em domínios distintos das funções de replicação do DNA e de processamento do pré‐mRNA. invólucro nuclear poro nuclear lâmina nuclear heterocromatina eucromatina NÚCLEO Ultraestrutura Organização interna No núcleo dos eucariotas, o DNA encontra‐se associado a proteínas (histonas), constituindo a cromatina. Durante a interfase, a cromatina é dispersa e não condensada chamando‐se eucromatina. Há no entanto uma parte da cromatina que se mantém condensada chamando‐se heterocromatina. Esta encontra‐se inactiva em termos de transcrição. invólucro nuclear poro nuclear lâmina nuclear heterocromatina eucromatina NÚCLEO Ultraestrutura Complexo poro nuclear (NPC) O complexo poro nuclear é constituído por canais de 10 nm de diâmetro que permitem o transito de pequenas moléculas, iões e macromoléculas (proteínas e RNAs) entre o núcleo e o citoplasma. Os poros nucleares não são estruturas estáticas, estando o seu número e a sua localização directamente relacionados com a actividade fisiológica da célula: eles abrem e fecham onde e quando são ou não são necessários. Técnica de crifractura NÚCLEO Transporte através dos poros nucleares Consoante o seu tamanho, as moléculas penetram o complexo poro através de 2 mecanismos: 1‐ difusão passiva: para pequenas moléculas (menos 20 kDa) e nas 2 direcções. 2‐ transporte activo: para macromoléculas (RNAs, proteínas, ribonucleoproteínas). Neste caso, os canais do complexo do poro abrem‐se e o seu diâmetro atinge os 40 nm. Trata‐se de um transporte selectivo e regulado: as proteínas são importadas do citoplasma para o núcleo, enquanto que os RNAs são selectivamente exportados do núcleo para o citoplasma. Difusão passiva Transporte activo NÚCLEO Nucléolo é a estrutura mais proeminente do núcleo é o local de transcrição e processamento dos rRNAs e de montagem dos ribossomas muda de tamanho consoante a actividade de síntese proteica da célula O ribossoma é formado por rRNAs associados a proteínas ribossomais Os ribossomas dos eucariotas contêm 4 tipos de RNAs: rRNAs 5S, 5.8 S, 18S e 28S. Os ribossomas catalisam a síntese proteica nos procariotas e eucariotas. NÚCLEO Nucléolo Os ribossomas dos procariotas (70S) e dos eucariotas (80S) consistem numa subunidade maior e numa subunidade menor, ambas formadas por rRNAs e proteínas ribossomais. 70S 50S 80S 30S 60S 40S Compartimentos intracelulares e Tráfego de proteínas Retículo Endoplasmático REL RER ribossomas mitocôndria RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Ultraestrutura e funções O retículo endoplasmático (RE) é um complexo membranar de cisternas, canais, vesículas, vacúolos, geralmente anastomosados. O RE no seu conjunto é rodeado por uma extensíssima membrana contínua que delimita um interior comum: o lúmen. A membrana do RE está em continuidade com a membrana externa do núcleo. Ultraestruturalmente, distingue‐se dois tipos funcionais de RE: ‐ Retículo Endoplasmático Rugoso (RER) apresenta ribossomas aderentes à sua face citosólica e é implicado na síntese e processamento das proteínas. ‐ Retículo Endoplasmático Liso (REL) não apresenta ribossomas à sua superfície e é implicado na síntese dos lípidos. No entanto, existe uma continuidade física e funcional entre o RER e REL. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Ultraestrutura e funções O tipo de retículo e a sua quantidade por célula variam entre os diferentes tipos celulares e de acordo com a actividade de síntese da célula. RE rugoso RE liso lúmen Aspecto ultraestrutural do RER RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RE e secreção de proteínas As proteínas sintetizadas no RE são destinadas ao Golgi, lisossomas, membrana celular e à secreção. SECREÇÃO RER GOLGI VESÍCULAS MEMBRANA CELULAR LISOSSOMAS Proteína marcada Vesículas de secreção Golgi RER RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Modificações das proteínas no RE Muitas proteínas sofrem alterações estruturais antes de adquirir a sua função. Estas modificações dependem da localização final da proteína activa. As proteínas destinadas ao RE, lisossomas ou à secreção sofrem modificações específicas: aquisição da estrutura tridimensional (Folding) formação de complexos multiméricos formação de pontes dissulfureto glicosilação RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Glicosilação de proteínas no RE Depois de incorporadas no lúmen do RE, as proteínas sofrem a adição de um oligossacarídeo. Os oligossacarídeos mais comuns são constituídos por: 2 resíduos de N‐acetilglucosamina (GlcNAc), 9 de manose 3 de glucose Estes oligossacarídeos ligam‐se, através de (asparagina) N‐acetilgluco‐ samina GlcNAc, ao grupo NH2 de um resíduo de asparagina da proteína. Manose Glucose RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Retículo Endoplasmático liso e síntese de lípidos A maioria dos lípidos de membrana (fosfolípidos e colesterol) são sintetizados no REL. O fosfolípido mais abundante é a fosfatidilcolina. A síntese de fosfolípidos derivados do glicerol faz‐se em 3 etapas partindo‐se de 2 moléculas de ácidos gordos, 1 de glicerofosfato e outra de cabeça polar (exemplo: colina): As enzimas destas reacções encontram‐se na face citosólica do RE e utilizam precursores dados pelo citoplasma. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Retículo Endoplasmático liso e síntese de lípidos 1 ‐ a acil transferase associa os 2 ácidos gordos ao glicerofosfato originando o ácido fosfatídico. 2 ‐ este serve de substrato à fosfatase, formando‐se 1 molécula de diacilglicerol. 3 ‐ esta associa‐se finalmente a 1 molécula de fosfocolina, sob a acção de colina fosfotransferase, formando‐se 1 molécula de fosfatidilcolina. (ácido fosfatídico) (diacilglicerol) (fosfatidilcolina) RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Retículo Endoplasmático liso e síntese de lípidos Translocadores de fosfolípidos (flipases) transportam lípidos de uma camada lipídica para outra. Flipase Flipase RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Retículo Endoplasmático liso e síntese de lípidos Tráfego intracelular de fosfolípidos Proteína marcada Vesículas de secreção Golgi RER RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Retículo Endoplasmático liso e síntese de lípidos Proteínas de troca de fosfolípidos ajudam a transportar fosfolípidos do RE para as membranas da mitocôndrias e peroxissomas. Compartimentos intracelulares e Tráfego de proteínas Complexo de Golgi COMPLEXO DE GOLGI Ultraestrutura e funções O complexo de Golgi (ou dictiossoma) é constituído por um conjunto de sáculos achatados dispostos paralelamente uns aos outros formando uma espécie de “pilha de pratos”. No interior delimitam uma cavidade: o lúmen. O Golgi está intimamente associado ao retículo endoplasmático. invólucro nuclear RER vesículas do Golgi face cis de Golgi vacúolos do Golgi Aspecto ultraestrutural de Golgi COMPLEXO DE GOLGI Ultraestrutura e funções Na periferia das cisternas existem vesículas ou vacúolos golgianos, que se difundem pelo citoplasma transportando substâncias sintetizadas/modificadas no Golgi para os lisossomas, membrana celular ou para a secreção. invólucro nuclear RER vesículas do Golgi face cis de Golgi vacúolos do Golgi Aspecto ultraestrutural de Golgi COMPLEXO DE GOLGI Compartimentação morfológica e funcional O Golgi é uma estrutura polarizada. As proteínas do RE entram no Golgi pela face cis, transitam no compartimento mediano e saem pela face trans. face cis Vesícula golgiana Golgi cis Golgi mediano Golgi trans Vesícula de secreção face trans COMPLEXO DE GOLGI Compartimentação morfológica e funcional À medida que atravessam estes compartimentos, as proteínas vão sendo modificadas para depois serem transportadas para os seus destinos na célula. Assim, a face cis é a face de formação de novas cisternas por fusão das vesículas do RE. A face trans é a face de maturação onde as cisternas se desintegram em vesículas. face cis Vesícula golgiana Golgi cis Golgi mediano Golgi trans Vesícula de secreção face trans COMPLEXO DE GOLGI Funções do complexo de Golgi • Glicosilação de proteínas e de lípidos (formação de glicoproteínas e glicolípidos) • Secreção celular • Formação dos lisossomas • Síntese da porção glucídica dos proteoglicanos • Participação no metabolismo dos lípidos • Sulfatação de várias biomoléculas • Biogénese e recuperação de membranas • Regulação do teor hídrico da célula (por formação de vesículas que acumulam água e a expelem para o exterior da célula). • Nas células vegetais: síntese dos componentes da matriz da parede celular COMPLEXO DE GOLGI Glicosilação de proteínas no lúmen de Golgi A glicosilação de proteínas iniciada no RER continua no lúmen de Golgi. A glicosilação destas proteínas é diferente consoante o seu destino final na célula: 1. Se forem para a membrana citoplasmática ou para a secreção, as glicoproteínas são transformadas em oligossacarídeos complexos. 2. Se forem para os lisossomas, as glicoproteínas adquirem apenas o grupo fosfato. O terminal manose 6‐fosfato que se forma nestas proteínas é extremamente importante para o seu destino para os lisossomas. 1 2 Oligossacarídeo tipo complexo COMPLEXO DE GOLGI Transporte de proteínas a partir do complexo de Golgi As proteínas são transportadas da região trans de Golgi, dentro de vesículas para o seu desIno final: 1. Na ausência de sinais específicos internos, as proteínas são transportadas para a superfície celular (membrana celular ou matriz extracelular) através da secreção constitutiva. Exemplos: formação de glicocálice, produção de anticorpos pelos plasmócitos 2. Outras proteínas são destinadas aos lisossomas ou à secreção regulada. Exemplos: produção de hormonas pelas células endócrinas ou de neurotransmissores pelos neurónios Mistura de proteínas Triagem Lisossomas Receptor de manose 6‐fosfato Secreção constitutiva Fluxo para o Espaço extracelular Secreção regulada Compartimentos intracelulares e Tráfego de proteínas Lisossoma LISOSSOMA Ultraestrutura e função Os lisossomas são definidos como vesículas delimitadas por uma membrana, e implicados no processo de digestão intracelular. Os lisossomas contêm várias enzimas hidrolíticas (hidrolases ácidas) que são activas em meio ácido (pH ~ 5) e não a pH neutro do citosol. Estas enzimas são capazes de hirolisar proteínas, DNA, RNA, polissacarídeos e lípidos. O pH da matriz lisossomal é mantido ácido pela bomba de protões que utiliza a energia do ATP para bombear os H+ do citosol para dentro. LISOSSOMA Ultraestrutura e função Ultraestruturalmente, os lisossomas são organelos heterogéneos, podendo apresentar uma diversidade morfológica que reflecte as variações na quan;a e natureza do material ingerido. É possível distinguir 3 tipos de lisossomas: 1. Lisossomas primários: de aspecto homogéneo, são lisossomas recem‐formados contendo as hidrolases mas ainda sem material ingerido 2. Lisossomas secundários: heterogéneos, com hidrolases e material em degradação 3. Lisossomas secundários com corpos residuais: acumulam material incompletamente degradado Lisossomas em MET Lisossomas de macrófago LISOSSOMA Biogénese A formação dos lisossomas implica a via de secreção e a via de endocitose: 1. O material extracelular é interiorizado por vesículas endocíticas que se formam a partir da membrana e fundem com os endossomas precoces. 2. A maturação dos endossomas precoces em endossomas tardios passa pela diminuição do pH interno (3 a 6), o que permite a aquisição das hidrolases ácidas lisossomais a partir da rede trans de Golgi e a subsequente maturação dos endossomas tardios em lisossomas secundários. LISOSSOMA Transporte das hidrolases ácidas para o lisossoma e papel do receptor da manose 6‐fosfato •As enzimas lisossomais são glicoproteínas cujos oligossacarídeos possuem resíduos de manose‐6‐fosfato que são reconhecidos pelo receptor de M6F na rede trans de Golgi. Estas enzimas são sintetizadas no RER e passam para o complexo de Golgi, onde os resíduos de manose sofrem fosforilação, na face cis do Golgi. •A partir da rede trans do Golgi, o complexo receptor‐M6F é transportado dentro de vesículas revestidas por clatrina até aos endossomas tardios. Neste compartimento, devido ao pH ácido, as hidrolases dissociam‐se do receptor. •Posteriormente, os receptores regressam ao Golgi para reutilização. As hidrolases sofrem desfosforilação no lúmen dos endossomas tardios que, à medida que adquirem mais enzimas, se transformam em lisossomas secundários. precursor de hidrolase lisossomal transporte mediado por receptor do RE ligação ao receptor de M6F adição de fosfato manose 6‐fosfato (M6F) Franja de clatrina vesículas de transporte Reciclagem dos receptores cis de Golgi aparelho de Golgi trans de Golgi dissociação à pH ácido Remoção de fosfato hidrolase lisossomal activa endossoma tardio LISOSSOMA Digestão intracelular Além da degradação das moléculas interiorizadas por endocitose, os lisossomas digerem material das vias de fagocitose e de autofagia: 1. Fagocitose: incorporação e digestão de grandes partículas ou células (bactérias, células envelhecidas, etc.) provenientes do exterior da célula, originando um heterolisossoma. As células humanas especializadas nesta função são os macrófagos e os neutrófilos. 2. Autofagia: digestão intracelular de organelos e estruturas da própria célula. Neste caso o organelo (p. e. mitocôndria) é rodeado por uma membrana derivada do retículo endoplasmático e a vesícula resultante (autofagossoma) funde‐se com o lisossoma (autolisossoma). O conteúdo do autolisossoma é, então, digerido pelas enzimas lisossomais. LISOSSOMA Digestão intracelular As 3 vias de digestão intracelular pelos lisossomas fagossoma bactéria FAGOCITOSE Membrana citoplasmática Endosoma precoce ENDOCITOSE Endolisossoma tardio lisossoma autofagossoma AUTOFAGIA Compartimentos intracelulares e Tráfego de proteínas Peroxissoma PEROXISSOMA Ultraestrutura Os peroxissomas são estruturas esféricas ou ovais (diâmetro 0,5‐1,5 μm) rodeadas de uma membrana, que engloba uma matriz peroxissomal electronodensa, onde por vezes se observa (dependente do plano do corte) o nucleóide com aspecto cristalino (cristalóide) ou amorfo. Aspecto ultraestrutural de peroxissomas do fígado de rato. PEROXISSOMA Funções Os peroxissomas contêm várias enzimas: 1. Oxidases: intervêm em processos oxidativos utilizando o oxigénio para remover o hidrogénio de determinados substratos: RH2 + O2 Æ R + H2O2 2. Catalase: desdobra o H2O2 (peróxido de hidrogénio) em água e oxigénio, o H2O2 seria tóxico para a célula se acumulado: 2H2O2 Æ 2H2O + O2 R´H2 + H2O2 Æ R’ + 2H2O Nas células animais, os peroxissomas são particularmente activos no fígado e rins onde as reacções oxidativas permitem a eliminação de substâncias tóxicas. Exemplo: é através dos peroxissomas que o álcool que ingerimos é facilmente excretado sob a forma de acetaldeído. CH3–CH2–OH + H202 Æ CH3–CHO + 2H20 PEROXISSOMA Funções Oxidação dos ácidos gordos, acompanhada de produção de H2O2 a partir de O2, o H2O2 é posteriormente degradado pela catalase Degradado pela catalase Oxidação de aminoácidos e do ácido úrico Biossíntese de colesterol, ácidos biliares, plasmalogénios Nas plantas: ciclo glioxílico (síntese de carbohidratos a partir dos ácidos gordos) e fotorespiração PEROXISSOMA Biogénese dos peroxissomas Os peroxissomas são estruturas semi‐ autónomas. Embora não tenham DNA nem ribossomas, derivam de peroxissomas pré‐ existentes, por um processo semelhante ao das mitocôndrias e plastídeos. As proteínas dos peroxissomas são sintetizadas no citosol e importadas para os peroxissomas pré‐existentes. Esta importação de proteínas resulta no crescimento dos peroxissomas pré‐ existentes que se dividem em novos peroxissomas. As proteínas destinadas aos peroxissomas possuem um peptídeo sinal (PTS1 ou PTS2) que se liga a seu receptor na membrana do organelo, permitindo a sua translocação para a matriz peroxissomal. proteínas específicas de importação de proteínas peroxissoma crescimento por importação de proteínas específicas do citosol fissão novos peroxissomas Compartimentos intracelulares e Tráfego de proteínas Mitocôndria MITOCÔNDRIA Ultraestrutura e função Em média tem 1‐2 μm de comprimento e 0,5‐1 μm de largura É rodeada por 2 membranas, uma interna e outra externa separadas pelo espaço intermembranar. A membrana interna projecta vários pregos ou cristas para o interior da mitocôndria ou matriz mitocondrial. Na matriz, encontra‐se DNA, ribossomas e pequenos grânulos. De ponto de vista funcional, a membrana interna e a matriz são os compartimentos mais importantes da mitocôndria. MITOCÔNDRIA Ultraestrutura e função MATRIZ MITOCONDRIAL, contém: ‐ enzimas da oxidação do piruvato e ácidos gordos ‐ enzimas do ciclo do ácido cítrico ‐ várias cópias de DNA mitocondrial ‐ ribossomas, tRNAs, enzimas da expressão genética MEMBRANA INTERNA: ‐ rica em fosfolípido cardiolipina ‐ forma várias pregas (cristas) que aumentam a área da superfície ‐ contém proteínas com 3 tipos de funções: 1. Proteínas que realizam as reacções de oxidação na cadeia respiratória; 2. ATP sintetase que sintetiza o ATP na matriz 3. Proteínas de transporte específico de metabolitos para dentro ou para fora da matriz ‐ é impermeável à maioria dos pequenos iões MEMBRANA EXTERNA, contém: ‐ um canal proteico (PORINA) permeável às moléculas de peso molecular inferior a 10 000 daltons ‐ enzimas de metabolismo mitocondrial de lípidos MITOCÔNDRIA Ultraestrutura e função É a principal fonte de energia – sob a forma de ATP ‐ das células eucarióticas através do processo de fosforilação oxidativa. Importa a maioria das suas proteínas do citosol. Possui o seu próprio DNA que codifica para tRNAs, rRNAs e proteínas mitocondriais. A sua biogénese depende de proteínas codificadas por seu genoma e de proteínas codificadas pelo genoma nuclear. MITOCÔNDRIA Biogénese À medida que crescem e aumentam de tamanho, as mitocôndrias dividem‐se por fissão de modo semelhante à divisão das bactérias. As mitocôndrias não são sintetizadas de novo; os seus constituintes de origem citosólica são acrescentados durante o processo de crescimento e divisão. Replicação de DNA TRÁFEGO INTRACELULAR DE PROTEÍNAS Os ribossomas livres no citoplasma sintetizam proteínas destinadas a: núcleo, mitocôndria, cloroplastos e peroxissomas. Os ribossomas associados à membrana do RE sintetizam proteínas destinadas a: lisossomas, membrana citoplasmática e secreção. Cytosol Tráfego intracelular de proteínas Peptídeo Sinal O destino final das proteínas produzidas no citosol ou pelo RER é determinado por uma sequência presente nestas proteínas chamada peptídeo sinal. peptídeo sinal NH2 COOH Outras proteínas sofrem modificações que determinam o seu destino. Por exemplo: manose 6 fosfato nas proteínas destinadas aos lisossomas. Tráfego intracelular de proteínas Peptídeo Sinal
