Alvo de proteína - Protein targeting

Este artigo trata do direcionamento de proteínas em eucariotos, exceto onde indicado.

O direcionamento de proteínas ou classificação de proteínas é o mecanismo biológico pelo qual as proteínas são transportadas para seus destinos apropriados dentro ou fora da célula. As proteínas podem ser direcionadas para o espaço interno de uma organela , diferentes membranas intracelulares , a membrana plasmática ou para o exterior da célula por meio de secreção . As informações contidas na própria proteína direcionam esse processo de entrega. A classificação correta é crucial para a célula; erros têm sido associados a vários estados de doença.

História

Günter Blobel, recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia de 1999 por sua descoberta de que as proteínas contêm sequências de sinal intrínsecas.

Em 1970, Günter Blobel conduziu experimentos sobre a translocação de proteínas através das membranas. Blobel, então professor assistente na Rockefeller University, desenvolveu o trabalho de seu colega George Palade. Palade havia demonstrado anteriormente que proteínas não secretadas eram traduzidas por ribossomos livres no citosol, enquanto proteínas secretadas (e proteínas-alvo, em geral) eram traduzidas por ribossomos ligados ao retículo endoplasmático . As explicações dos candidatos na época postularam uma diferença de processamento entre os ribossomos livres e os ligados ao ER, mas Blobel levantou a hipótese de que o direcionamento da proteína dependia de características inerentes às proteínas, ao invés de uma diferença nos ribossomos. Apoiando sua hipótese, Blobel descobriu que muitas proteínas têm uma curta sequência de aminoácidos em uma extremidade que funciona como um código postal especificando um destino intracelular ou extracelular. Ele descreveu essas sequências curtas (geralmente 13 a 36 resíduos de aminoácidos) como peptídeos de sinal ou sequências de sinal e recebeu o prêmio Nobel de Fisiologia de 1999 por suas descobertas.

Peptídeos de sinal

Os peptídeos de sinal servem como sinais de direcionamento, permitindo que a maquinaria de transporte celular direcione as proteínas para localizações intracelulares ou extracelulares específicas. Embora nenhuma sequência de consenso tenha sido identificada para peptídeos de sinal, muitos, no entanto, possuem uma estrutura tripartida característica:

1. Uma região hidrofílica carregada positivamente próxima ao N-terminal.
2. Um intervalo de 10 a 15 aminoácidos hidrofóbicos próximo ao meio do peptídeo sinal.
3. Uma região ligeiramente polar perto do C-terminal, normalmente favorecendo aminoácidos com cadeias laterais menores em posições que se aproximam do local de clivagem.

Depois que uma proteína atinge seu destino, o peptídeo sinal é geralmente clivado por uma peptidase sinal . Consequentemente, a maioria das proteínas maduras não contém peptídeos de sinal. Enquanto a maioria dos peptídeos de sinal são encontrados no terminal N, nos peroxissomos a sequência de direcionamento está localizada na extensão do terminal C. Ao contrário dos peptídeos de sinal, os patches de sinal são compostos por resíduos de aminoácidos que são descontínuos na sequência primária, mas se tornam funcionais quando o dobramento os reúne na superfície da proteína. Ao contrário da maioria das sequências de sinal, os patches de sinal não são clivados após a classificação estar completa. Além de sequências de sinalização intrínsecas, modificações de proteínas como glicosilações também podem induzir o direcionamento para regiões intracelulares ou extracelulares específicas.

Translocação de proteína

Como a tradução do mRNA em proteína por um ribossomo ocorre dentro do citosol , as proteínas destinadas à secreção ou a uma organela específica devem ser translocadas. Este processo pode ocorrer durante a tradução, conhecido como translocação co-tradução, ou após a tradução ser concluída, conhecido como translocação pós-tradução.

Translocação co-translacional

A maioria das proteínas secretoras e ligadas à membrana são co-translacionalmente translocadas. As proteínas que residem no retículo endoplasmático (RE), golgi ou endossomas também usam a via de translocação co-translacional. Este processo começa enquanto a proteína está sendo sintetizada no ribossomo, quando uma partícula de reconhecimento de sinal (SRP) reconhece um peptídeo sinal N-terminal da proteína nascente. A ligação do SRP interrompe temporariamente a síntese enquanto o complexo ribossomo-proteína é transferido para um receptor SRP no ER em eucariotos e a membrana plasmática em procariotos . Lá, a proteína nascente é inserida no translocon , um canal condutor de proteína ligado à membrana composto pelo complexo de translocação Sec61 em eucariotos e o complexo SecYEG homólogo em procariotos. Em proteínas secretoras e proteínas transmembrana tipo I , a sequência de sinal é imediatamente clivada do polipeptídeo nascente, uma vez que foi translocado para a membrana do RE (eucariotos) ou membrana plasmática (procariotos) por sinal peptidase . A sequência de sinal de proteínas de membrana tipo II e algumas proteínas de membrana politópicas não são clivadas e, portanto, são referidas como sequências de âncora de sinal. Dentro do RE, a proteína é primeiro coberta por uma proteína chaperona para protegê-la da alta concentração de outras proteínas no RE, dando-lhe tempo para dobrar corretamente. Uma vez dobrada, a proteína é modificada conforme necessário (por exemplo, por glicosilação ), então transportada para o Golgi para processamento adicional e vai para suas organelas alvo ou é retida no ER por vários mecanismos de retenção no ER .

A cadeia de aminoácidos das proteínas transmembrana , que freqüentemente são receptores transmembrana , passa através de uma membrana uma ou várias vezes. Essas proteínas são inseridas na membrana por translocação, até que o processo seja interrompido por uma sequência de parada-transferência, também chamada de âncora de membrana ou sequência âncora de sinal. Essas proteínas de membrana complexas são atualmente caracterizadas usando o mesmo modelo de direcionamento que foi desenvolvido para proteínas secretoras. No entanto, muitas proteínas multitransmembrana complexas contêm aspectos estruturais que não se enquadram neste modelo. Sete receptores acoplados à proteína G transmembrana (que representam cerca de 5% dos genes em humanos), em sua maioria, não têm uma sequência de sinal amino-terminal. Em contraste com as proteínas secretoras, o primeiro domínio transmembrana atua como a primeira sequência de sinal, que os direciona para a membrana ER. Isso também resulta na translocação do terminal amino da proteína para o lúmen da membrana ER. Esta translocação, que foi demonstrada com a opsina com experimentos in vitro, quebra o padrão usual de translocação "co-translacional" que sempre existiu para proteínas de mamíferos direcionadas ao ER. Uma grande parte da mecânica da topologia transmembrana e dobra ainda precisa ser elucidada.

Translocação pós-tradução

Embora a maioria das proteínas secretoras sejam co-translacionalmente translocadas, algumas são traduzidas no citosol e posteriormente transportadas para o ER / membrana plasmática por um sistema pós-tradução. Em procariotos, esse processo requer certos cofatores, como SecA e SecB, e é facilitado por Sec62 e Sec63 , duas proteínas ligadas à membrana. O complexo Sec63, que está embutido na membrana ER, causa a hidrólise do ATP, permitindo que as proteínas chaperonas se liguem a uma cadeia de peptídeo exposta e deslize o polipeptídeo para o lúmen ER. Uma vez no lúmen, a cadeia polipeptídica pode ser dobrada adequadamente. Esse processo ocorre apenas em proteínas não dobradas localizadas no citosol.

Além disso, as proteínas direcionadas a outros destinos celulares, como mitocôndrias , cloroplastos ou peroxissomos , usam vias pós-translacionais especializadas. As proteínas direcionadas para o núcleo também são translocadas pós-tradução por meio da adição de um sinal de localização nuclear (NLS) que promove a passagem através do envelope nuclear através dos poros nucleares .

Seleção de proteínas

Mitocôndria

A maioria das proteínas mitocondriais são sintetizadas como precursores citosólicos contendo sinais de peptídeo de captação . As chaperonas citosólicas entregam pré - proteínas aos receptores ligados a canais na membrana mitocondrial . A pré - proteína com pré-sequência direcionada para a mitocôndria é ligada por receptores e o poro de importação geral (GIP), coletivamente conhecido como translocase da membrana externa (TOM), na membrana externa . É então translocado através do TOM como loops em gancho. A pré-proteína é transportada através do espaço intermembrana por pequenos TIMs (que também atuam como acompanhantes moleculares ) para o TIM23 ou TIM22 ( translocase da membrana interna ) na membrana interna . Dentro da matriz, a sequência de direcionamento é clivada por mtHsp70.

Três receptores de membrana mitocondrial externa são conhecidos:

1. TOM70 : Liga -se a peptídeos de direcionamento interno e atua como ponto de ancoragem para chaperonas citosólicas.
2. TOM20 : Liga as pré-sequências.
3. TOM22 : Liga as pré-sequências e os peptídeos de direcionamento interno.

O canal TOM ( TOM40 ) é um canal de alta condutância específico de cátions com um peso molecular de 410 kDa e um diâmetro de poro de 21Å.

A pré-sequência translocase23 (TIM23) está localizada na membrana mitocondrial interna e atua como uma proteína formadora de poros que se liga a proteínas precursoras com seu N-terminal . TIM23 atua como um translocador para preproteínas para a matriz mitocondrial, a membrana mitocondrial interna, bem como para o espaço intermembranar. O TIM50 está ligado ao TIM23 no lado mitocondrial interno e é capaz de ligar pré-sequências. TIM44 está ligado no lado da matriz e se liga ao mtHsp70.
A pré-sequência translocase22 (TIM22) liga as pré-proteínas exclusivamente ligadas à membrana mitocondrial interna.

As sequências de direcionamento da matriz mitocondrial são ricas em aminoácidos carregados positivamente e hidroxilados.

As proteínas são direcionadas para compartimentos submitocondriais por vários sinais e várias vias.

O direcionamento para a membrana externa, espaço intermembranar e membrana interna freqüentemente requer outra sequência de sinal além da sequência de direcionamento da matriz.

Cloroplastos

A pré-proteína para cloroplastos pode conter uma sequência de importação do estroma ou uma sequência de direcionamento do estroma e tilacóide. A maioria das pré-proteínas são translocadas através dos complexos Toc e Tic localizados dentro do envelope do cloroplasto. No estroma, a sequência de importação do estroma é clivada e dobrada, bem como a classificação intracloroplástica para tilacóides . As proteínas direcionadas ao envelope dos cloroplastos geralmente não possuem sequência de classificação clivável.

Ambos cloroplastos e mitocôndrias

Muitas proteínas são necessárias tanto nas mitocôndrias quanto nos cloroplastos . Em geral, o peptídeo de duplo direcionamento é de caráter intermediário aos dois específicos. Os peptídeos-alvo dessas proteínas têm um alto teor de aminoácidos básicos e hidrofóbicos , um baixo teor de aminoácidos carregados negativamente . Eles têm um menor teor de alanina e um maior teor de leucina e fenilalanina. As proteínas direcionadas duplas têm um peptídeo de direcionamento mais hidrofóbico do que os mitocondriais e cloroplásticos. No entanto, é tedioso prever se um peptídeo tem um alvo duplo ou não com base em suas características físico-químicas .

Peroxissomos

Todas as proteínas peroxissomais são codificadas por genes nucleares. Até o momento, existem dois tipos de sinais de direcionamento de peroxissoma (PTS) conhecidos :

1. Sinal de direcionamento de peroxissoma 1 (PTS1) : um tripeptídeo C-terminal com uma sequência de consenso (S / A / C) - (K / R / H) - (L / A). O PTS1 mais comum é a serina - lisina - leucina (SKL). A maioria das proteínas da matriz peroxisomal possui um sinal do tipo PTS1.
2. Sinal 2 de direcionamento de peroxissoma (PTS2) : um nonapeptídeo localizado próximo ao terminal N com uma sequência de consenso (R / K) - (L / V / I) -XXXXX- (H / Q) - (L / A / F) ( onde X pode ser qualquer aminoácido).

Existem também proteínas que não possuem nenhum desses sinais. Seu transporte pode ser baseado em um mecanismo denominado "piggy-back": tais proteínas se associam com proteínas de matriz possuidoras de PTS1 e são translocadas para a matriz peroxissômica junto com elas.

Doenças

O transporte de proteínas é defeituoso nas seguintes doenças genéticas:

• Síndrome de Zellweger .
• Adrenoleucodistrofia (ALD).
• Doença Refsum
• Mal de Parkinson
• Hipercolesterolemia , aterosclerose , obesidade e diabetes

Em bactérias e arquéias

Como discutido acima (ver translocação de proteína ), a maioria das proteínas secretoras e ligadas à membrana procariótica são direcionadas à membrana plasmática por uma via de co-tradução que usa SRP bacteriano ou uma via de pós-tradução que requer SecA e SecB. Na membrana plasmática, essas duas vias entregam proteínas ao translocon SecYEG para translocação. As bactérias podem ter uma única membrana plasmática ( bactérias Gram-positivas ) ou uma membrana interna mais uma membrana externa separada pelo periplasma ( bactérias Gram-negativas ). Além da membrana plasmática, a maioria dos procariotos carece de organelas ligadas à membrana, como encontradas nos eucariotos, mas eles podem reunir proteínas em vários tipos de inclusões, como vesículas de gás e grânulos de armazenamento.

Bactéria Gram-negativa

Em bactérias gram-negativas, as proteínas podem ser incorporadas na membrana plasmática, na membrana externa, no periplasma ou secretadas no meio ambiente. Os sistemas de secreção de proteínas através da membrana bacteriana externa podem ser bastante complexos e desempenhar papéis importantes na patogênese. Esses sistemas podem ser descritos como secreção tipo I, secreção tipo II, etc.

Bactéria Gram-positiva

Na maioria das bactérias gram-positivas, certas proteínas são direcionadas para exportação através da membrana plasmática e subsequente fixação covalente à parede celular bacteriana. Uma enzima especializada, sortase , cliva a proteína alvo em um local de reconhecimento característico próximo ao terminal C da proteína, como um motivo LPXTG (onde X pode ser qualquer aminoácido), então transfere a proteína para a parede celular. Vários sistemas análogos são encontrados que da mesma forma apresentam um motivo de assinatura na face extracitoplasmática, um domínio transmembranar C-terminal e agrupamento de resíduos básicos na face citosólica no extremo C da proteína. O sistema PEP-CTERM / exosortase , encontrado em muitas bactérias Gram-negativas, parece estar relacionado à produção de substância polimérica extracelular . O sistema PGF-CTERM / archaeosortase A em arqueas está relacionado à produção da camada S. O sistema GlyGly-CTERM / rhombosortase, encontrado em Shewanella, Vibrio e alguns outros gêneros, parece estar envolvido na liberação de proteases, nucleases e outras enzimas.

Ferramentas bioinformáticas

• Minimotif Miner é uma ferramenta de bioinformática que pesquisa consultas de sequência de proteínas para motivos conhecidos de sequência de segmentação de proteínas.
• Phobius prevê peptídeos de sinal com base em uma sequência primária fornecida.
• SignalP prevê locais de clivagem do peptídeo sinal.
• LOCtree prevê a localização subcelular de proteínas.

Veja também

• Fluxo em massa
• COPI
• COPII
• Clathrin
• LocDB
• Peptídeo sinal

Referências

links externos

• Proteína + Transporte na Biblioteca Nacional de Medicina dos Estados Unidos, Cabeçalhos de Assuntos Médicos (MeSH)