Compartimentalização Celular

Compartimentalização Celular

Membrana plasmática Aspecto trilaminar - unidade de membrana

Objetivos Ao final da aula o estudante deverá ser capaz de: 1. Pensar sobre a evolução da compartimentalização subcelular. Analisar a estrutura de duas espécies comuns de bactéria, E. coli e S. aureus. 2. Explicar porque as células eucarióticas são subdivididas em numerosos compartimentos. 3. Identificar diferentes organelas de células eucarióticas e destacar suas funções. 4. Correlacionar diferenciação/especialização celular com expansão de um determinado compartimento e sua organização típica. 5. Dar exemplos de dimensões aproximadas de estruturas biológicas em micrômetros and nanômetros. 6. Explicar os mecanismos pelos quais as proteínas são distribuídas para diferentes compartimentos. 7. Pensar sobre a dinâmica das organelas: manutenção, biossíntese, degradação, distribuição e herança. 8. Pensar sobre mutações genéticas que corrompem a distribuição subcelular de proteínas e resultam em doenças humanas.

Compartimentalização intracelular em procariotos Carboxysomes are protein-enclosed bacterial organelles. On the left is an electron microscope image of carboxysomes, and on the right a model of their structure. Yoan DIEKMANN and José B. PEREIRA-LEAL, Evolution of intracellular compartmentalization. Biochem. J., 449, 319 331, 2013

Estruturas subcelulares distintas permitem distinguir bactérias através de corantes Gram negative Gram positive

A profusão de compartimentos intracelulares uma adaptação ao aumento de tamanho celular Compensam a pequena razão entre superfície de membrana plasmática / volume na célula eurcariótica Interior é topologicamente equivalente ao exterior 10 a 30 vezesmaior em dimensão linear e 1000 a 10000 vezesmaior em volume que uma E. coli Fagossomos

Compartimentos intracelulares e distribuição de proteínas Representação esquemática de uma célula epitelial do epitélio intestinal

Célula e suas organelas

Uma possível rota para a evolução das membranas nucleares e do RE

Aquisição da mitocôndria Teoria endossinbiótica Figure 12-4b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Núcleo Delimita e reveste o núcleo Consiste em duas unidades membranas separadas por um espaço denominado espaço perinuclear Regula a passagem de substâncias entre o núcleo e o citoplasma A membrana externa é contínua com a membra do RER

O envelope nuclear e Seus poros 3000 a 5000 por núcleo

Compartimentalização intracelular eletromicrografia de um hepatócito Uma célula eucariótica

Retículo endoplasmático Abrange em torno da metade de toda a supefície de membrana de uma célula eucariótica Em célula secretoras, tais como hepatócitos e células acinares pancreáticas, a membrana do ER chega a ser 25 e 12 vezes, respectivamente, maior que a superfície da membrana plasmática ER produz a maioria dos lipídeos para o resto da célula, incluindo hormônios esteróides (lipídicos) ER funciona como o principal compartimento para estocagem do cálcio.

Eletromicrografia de uma célula exócrina (acinar) pancreática sintetiza e secreta grandes quantidades de enzimas digestivas

Retículo endoplasmático liso Proeminente em células que sintetizam hormônios esteróides

Complexo (aparato, aparelho) de Golgi cis trans nucleo

Endossomos e lisossomos New roles for endosomes: from vesicular carriers to multi-purpose platforms Gwyn W. Gould & Jennifer Lippincott-Schwartz Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 287-292 (April 2009)

Função digestiva Lisossomos 0.1 μm to 1.2 μm Autofagossomos - mitofagia

Mitocôndria

Peroxissomos Principais enzimas: -Catalase -Urato oxidase Inclusões paracristalinas e urato oxidase

Peroxisomes Reações oxidativas: β-oxidação de ácidos graxos e degradação de peróxido de hidrogênio.

Table 12-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Table 12-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Formação de uma organela Requer a organela preexistente A organela precisa ser herdada durante a divisão celular Como oscompartimentos se formam? Como oscompartimentos são mantidos ao longo da vida de uma célula? Como são expandidos para que possam ser divididos equitativamente durante a divisão? Figure 12-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Síntese e distribuição subcelular das proteínas As proteínas são os principais constituintes estruturais, regulatórios e enzimáticos dos diferentes compartimentos subcelulares e ditam as funções de cada compatimento, por isso perguntamos: Onde ocorre a síntese das proteínas? Como elas são distribuídas para os compartimentos de destino?

Proteínas são sintetizadas no citoplasma em ribossomos livres ou que se ligam ao retículoendoplasmático

Mecanismos de transporte intracelular de proteínas: a) Distribuição de proteínas Transporte através dos poros nucleares Transporte através de membranas (translocação): RE, mitocôndria, cloroplasto e peroxissomo b) Transporte vesicular: Do RE para Golgi lisossomo, membrana plasmática e vesícula secretora anterógrado e retrógrado

Síntese e Distribuição de proteínas na célula - I Ver animação!

Desvendando a localização subcelular das proteínas através de etiquemas fluorescentes

Função das sequências sinais na distribuição de proteínas Ver animação!

(SKL) (KDEL)

Sequências sinais típicas

Endereçamento para o Retículo endoplasmático e tráfego vesicular na via secretora e endocítica Animação!

Figure 12-6 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

TGN CIS TRANS

Célula eucariótica como visualizar a as proteínas em seus locais específicos na célula A presença de compartimentos membranosos permite que as células eucarióticas facilmente separem diferentes reações bioquímicas ganho de eficiência A compartimentalização também permite que as células se tornem mais especializadas, por exemplo, as células acinares do pâncreas tem um retículo endoplasmático expandido que permite síntese de uma grande quantidade de enzimas digestivas

A célula eucariótica na natureza vida real!

Seguindo uma proteína que circula rapidamente entre o retículo endoplasmático e o Golgi... Ver vídeos...usando GFP como repórter Video 13.2 Video 13.3

Etiquetando proteínas com GFP e definindo a localização subcelular

Revendo Onde estamos? Mecanismos de transporte intracelular de proteínas: a) Distribuição de proteínas Transporte através dos poros nucleares Transporte através de membranas (translocação): RE, mitocôndria, cloroplasto e peroxissomo b) Transporte vesicular: Do RE para Golgi lisossomo, membrana plasmática e vesícula secretora anterógrado e retrógrado

A importação de proteínas para o RE é co-traducional enquanto para outros compartimentos é pós-traducional RE Outros compartimentos

Importação de proteína para o Retículo endoplasmático

SRP se liga ao ribossomo que apresenta o peptídeo sinal na cadeia crescente, interrompe a tradução e se ancora ao RE

Reciclagem dos ribossomos após uma rodada de síntese

Complexo Sec61 - translocador de proteínas durante a tradução A hélice em amarelo tem a função de plug para evitar vazamento de moléculas do RE

O envelope nuclear e Seus poros 3000 a 5000 por núcleo

_Tráfego de proteínas entre núcleo e citoplasma_ Compartimentalização das células eucarióticas: núcleo citoplasma Ver animação Complexo do poro nuclear Sinal apropriado

Complexo do Poro Nuclear Proteínas do poro nuclear ou nucleoporinas - 30 tipos # / 16 cópias de cada - Arranjadas em simetria octogonal 3000 4000 poros Figure 12-9 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Complexo do Poro Nuclear octogonal Doye & Hurt, Curr Opin Cell Biol 1997 9:401

Uma célula de mamífero contém de 3000 a 4000 poros Figure 12-9d Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 12-9b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Cada poro transporta até 500 macromolec/s biderecionalmente. Molec <5000Da se difundem livremente, intermediárias podem passar lentamente; >60000Da não passam por difusão passiva Vista lateral de poros nucleares Eletromicrografia Figure 12-9c Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Tamanho de partículas que atravessam o poro por difusão livre ou por transporte ativo (até moléculas de 39nm diâmetro passam) Figure 12-10 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Visão esquemática do mecanismo de transporte ativo por meio dos poros nucleares.

Demonstra a função de um sinal de localização nuclear (NLS) Proteína viral Large T-antigen com o sinal intacto e mutado Figure 12-11 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Sinal de Localização Nuclear Piruvato-kinase Ag T piruvato-kinase Kalderon, Cell 39:499

Cinética da importação de partículas de ouro recobertas por moléculas carregando a sequência SLN 10min Tempo 30min 40min 50min Figure 12-12 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

mrna empacotado por proteínas sendo exportado do núcleo Balbiani Ring mrna em insetos Caso especial de mrna grande e abundante Figure 6-39a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 6-39b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Receptores de importação nuclear - importinas Figure 12-13a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Algumas proteínas requeremuma proteína adaptadora que intermedeia a interação da carga com o receptor Família gênica das carioferinas ou importinas e exportinas: Receptores de importação e de exportação em levedura são 14 membros Figure 12-13b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Vias de transporte diferentes envolvem as mesmas moléculas I- Nucleoporinas hélices dispostas através do poro II- Moléculas transportadoras solúveis Importinas Exportinas III- Sinal de Localização Nuclear Clássico Não clássico Sinal de Exportação Nuclear IV- Ran-GTP/GDP -- Energia para o transporte

Transporte ativo através dos poros nucleares depende do ciclo de hidrólise de GTP da proteína Ran-GTPase Ran-GAP restritaao citosol Ran-GEF no núcleo

Estrutura de um receptor de importação com Ran-GTP ligada Ciclo Figure 12-16a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Mecanismo de importação e exportação A importina ligada à carga (proteína importada) Rola por meio de interações em consecutivas repetições FG nas nucleoporinas Figure 12-15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

Proteina a ser importada tem um Sinal de Localização Nuclear (NLS) Mecanismos de Importação nuclear NLS se liga a subunidade α do complexo importina α-β e é transportada para o interior do núcleo. RanGDP gerada no citoplasma pela ação da RanGAP se difunde livremente para o núcleo onde sofre ação da RCC1 (RanGEF) que estimula a troca do GDP por GTP, regenerando RanGTP RanGTP se liga à importina β provocando a dissociação da proteína importada (cargo) dentro do núcleo, enquanto o complexo importina- RanGTP e a subunidade alfa são transportados de volta para o citoplasma onde a RanGAP ativa a hidrólise do GTP provocando a dissociação do complexo e regenerando nova importina ativa. NTF2 não foi mostrado aqui

A proteína a ser exportada tem Sinal de exportação nuclear que se liga a exportinas. Exportinas são tipicamente monoméricas e funcionam de maneira reversa à importina sob o controle da RAN. Assim, a formação do complexo requer a RanGTP, a qual é concentrada no interior do núcleo A dissociação do complexo proteína exportada e exportina requer a hidrólise do GTP pela Ran, o que ocorre apenas no citoplasma na presença de RanGAP A RanGDP e a exportina retornam para o núcleoplasma E o ciclo continua. EXPORTAÇÃO NUCLEAR O Confinamento da RanGEF no núcleo e da RanGAP no citoplasma é chave para impulsionar o transporte

Regulação da importação e exportação nuclear através de sinalização Ex: fosforilação/desfosforilação regulada por Ca +2 Imunossupressores potentes ciclosporina A e FK506 - inibem a defosforilação (por fosfatase calcineurina)

O que vamos ver em outras aulas? Mitocôndria Peroxissomo Estrutura, seletividade e outras funções das membranas biológicas. Bom Estudo!