Processamento de Proteínas Pós-tradução

Visão Geral do Aminoácido

Os aminoácidos são os blocos de construção das proteínas. A compreensão dos princípios básicos dos aminoácidos permite uma compreensão mais abrangente do enrolamento e da modificação de proteínas.

Estrutura dos aminoácidos

Os aminoácidos que compõem as proteínas são conhecidos como α-aminoácidos. Cada um destes aminoácidos tem um carbono central conhecido como “carbono alfa”, que faz 4 ligações:

• Ião de hidrogénio
• Grupo carboxil: composto por ácido carboxílico (–COOH), criando a extremidade C-terminal do aminoácido
• Grupo amina: formado por um grupo amina (–NH₂), criando a extremidade N-terminal do aminoácido
• Cadeia lateral R: o grupo funcional único de um aminoácido

Propriedades dos aminoácidos

Os aminoácidos podem ser categorizados pelas características dos seus grupos R, que podem ser:

• Polares ou não polares
• Hidrofóbico ou hidrofílico
• Carregado ou não carregado, a pH fisiológico
• Ácido ou básico

Enrolamento de Proteínas

Níveis de estrutura de proteínas

A estrutura proteica, que é frequentemente referida como enrolamento de proteínas, tem 4 níveis. Estes níveis são:

1. Primário
2. Secundário
3. Terciário
4. Quaternário

Estrutura primária

• A estrutura primária é a sequência linear dos aminoácidos na cadeia polipeptídica.
• “Missangas num fio” unidas por ligações peptídicas
• Esta estrutura acaba por determinar todas as propriedades da proteína.

Estrutura secundária

• Ocorre entre aminoácidos que estão relativamente próximos um do outro (tipicamente cerca de 3–10 aminoácidos separados)
• 3 motivos comuns incluem:
  • Hélice-α: uma espiral com os grupos R no exterior
  • Cadeias e folhas β:
    • estrutura planar formada por filamentos de aminoácidos em ziguezague
    • Os grupos R sobressaem da parte superior e inferior da folha.
  • Voltas inversas: uma sequência curta, geralmente envolvendo prolina e/ou glicina, que ocorre entre hélices-α e/ou folhas β em pregas
• As estruturas secundárias são estabilizadas por pontes de hidrogénio entre o oxigénio carboxílico e os hidrogénios amina.
• Algumas proteínas fibrosas simples (por exemplo, a queratina) têm apenas estruturas primárias e secundárias.
• Os modelos computacionais são muitas vezes capazes de prever estruturas secundárias com base na sequência de aminoácidos.

Estrutura terciária

A estrutura terciária é o enrolamento e os laços complexos que ocorrem como resultado de interações e ligação entre porções da proteína que estão mais distantes. Exemplos de interações que criam estrutura terciária incluem:

• Pontes de hidrogénio: formam-se entre cadeias laterais polares
• Pontes de dissulfureto: ligações covalentes fortes que se formam entre duas cisteínas
• Ligações iónicas: formam-se entre um grupo R com carga positiva/ácido (por exemplo, grupo carboxilo do ácido aspártico) e um grupo R com carga negativa/básico (por exemplo, grupo amina da lisina).
• Ligações metálicas: 2 regiões de uma proteína ligada a um metal (por exemplo, ferro)
• Interações hidrofóbicas entre cadeias laterais não polares: orientam-se para dentro, afastadas da água, para criar espaços de exclusão hidrofóbicos.

Estrutura quaternária

Numa estrutura quaternária, várias subunidades de uma proteína juntam-se para formar uma única proteína.

• Cada subunidade tem as suas próprias estruturas primárias, secundárias e terciárias.
• As subunidades mantêm-se unidas pelas mesmas forças que geram a estrutura terciária:
  • Pontes de hidrogénio
  • Ligações iónicas
  • Pontes de dissulfureto (ligações covalentes)
  • Ligações metálicas
  • Interações hidrofóbicas
• O enrolamento terciário e quaternário produzem vários motivos comuns:
  • β–α–β
  • Barris β (comum em canais membranários)
  • Hélice–volta–hélice

Proteínas chaperonas

As proteínas chaperonas ajudam no enrolamento proteico.

• As chaperonas são proteínas tipo barril que recolhem proteínas mal enroladas e usam energia do ATP para as enrolar novamente.
• Estas proteínas podem ligar-se a regiões hidrofóbicas de proteínas desenroladas, permitindo o enrolamento adequado.
• Encontrado em vários compartimentos celulares, tais como:
  • Citosol
  • Mitocôndria
  • Lúmen do retículo endoplasmático

Desnaturação de proteínas

Uma proteína desnaturada é uma proteína que foi desenrolada e já não está funcional. Este desenrolamento ocorre sob certas condições, que incluem alterações em:

• pH
• Temperatura
• Concentração iónica

Triagem de Proteínas

As proteínas precisam ser triadas e acabarão a permanecer na célula, sendo colocadas na parede da célula ou exportadas/secretadas.

Proteínas exportadas e de superfície

As proteínas destinadas à superfície celular e/ou secreção celular são sintetizadas no retículo endoplasmático rugoso (RER):

• Durante a tradução, uma sequência peptídica de sinalização no final da cadeia polipeptídica em crescimento indica que uma proteína é destinada à secreção a partir da célula.
• Uma proteína de reconhecimento de sinal (SRP pela sigla em inglês) liga-se à sequência peptídica sinalizadora, pausando o alongamento.
• A SRP guia todo o ribossoma até ao RER e associa-o a um poro.
• Quando a síntese é retomada, o polipéptido crescente é depositado dentro do RER.
• As proteínas são então direcionadas para os lisossomas, para a membrana plasmática, ou embaladas para exocitose (secreção):
  • As proteínas secretadas seguem a via exocítica (secretória): RER → Complexo de Golgi (CG) → membrana plasmática (MP)
  • As proteínas destinadas ao CG, à MP, ou para secreção são transportadas em vesículas de transporte.

Proteínas intracelulares

• As proteínas sintetizadas no citosol, não associadas ao RER, são mantidas dentro da célula.
• Outros péptidos de sinalização específicos podem direcionar estas proteínas para a sua localização final na célula (por exemplo, o núcleo).

Modificação de Proteínas

Um polipéptido, após ser sintetizado, sofre novas modificações de modo a formar uma proteína funcional. Esta modificação pode incluir o corte de porções da cadeia de polipeptídica ou a adição de um grupo funcional.

Clivagem de proteínas

A clivagem de proteínas é o processo de remoção de certos polipéptidos para que a proteína se torne funcional.

• Muitas proteínas não são funcionais imediatamente após a tradução; estas proteínas são chamadas pró-proteínas.
• Os polipéptidos são clivados por enzimas proteolíticas.
• Exemplos de aminoácidos ou péptidos que são tipicamente clivados:
  • O primeiro aminoácido (metionina) corresponde ao codão inicial em mRNA, sinalizando o início da tradução.
  • Os péptidos de sinal ajudam a proteína a chegar à sua localização adequada, mas não fazem parte da proteína funcional em si.
  • Enzimas e hormonas são frequentemente traduzidas como pró-proteínas, que necessitam de clivagem para se tornarem funcionais/ativas (por exemplo, o péptido C da insulina (pró-insulina) é clivado no CG).

Adição de um grupo funcional

As proteínas são ainda modificadas pela adição covalente de grupos funcionais e outras moléculas.

• As modificações mais comuns incluem:
  • Fosforilação
  • Acetilação
  • Metilação
  • Ubiquitilação
  • Glicosilação
  • Lipidação
• Locais comuns modificados:
  • Grupos hidroxil na serina, na treonina e na tirosina
  • Grupos amina na lisina, na arginina e na histidina
  • Grupos carboxilato em aspartato e glutamato
  • Os terminais N e C
• Princípios gerais:
  • Grupos hidrofóbicos podem ajudar a que uma proteína se incorpore numa membrana.
  • A adição de cofatores pode aumentar a atividade enzimática.

Fosforilação

• Adição do grupo fosforil (mais comum)
• Funções comuns:
  • Regula a atividade enzimática
  • Troca de energia celular: ATP, trifosfato de guanosina (GTP), fosfato dinucleótido de nicotinamida adenina (NADPH)

Acetilação e metilação

• Adição de grupo acetil ou metil
• Funções comuns:
  • Ativa muitos fármacos
  • Regula a expressão génica e a síntese de proteínas
  • Modificações de histonas

Ubiquitilação

• Adição de ubiquitina
• Funções:
  • Sinaliza proteínas para degradação no proteossoma
  • Modificações de histonas

Glicosilação

• Adição de carboidratos para criar uma glicoproteína
• Os tipos de glicoproteínas incluem:
  • N-glicoproteínas: ligadas ao nitrogénio na cadeia lateral da asparagina
  • O-glicoproteínas: ligadas ao oxigénio na cadeia lateral da serina ou da treonina
• As proteínas glicosiladas são normalmente associadas à membrana celular ou são secretadas; exemplos comuns incluem:
  • Hormonas
  • Funções do sistema imune (por exemplo, encontradas em alguns anticorpos)
  • Identidade celular (por exemplo, tipos sanguíneos ABO)
• A glicosilação afeta muitos processos celulares diferentes e está envolvida em:
  • Cancro
  • Diabetes
  • Doença de Alzheimer

Lipidação

• Adição de uma molécula lipídica para criar um proteolípido
• Ocorre tipicamente em proteínas associadas a uma membrana fosfolipídica
• Exemplos de lipidação:
  • Adição de uma “âncora” de glicosilfosfatidilinositol (GPI): frequentemente usado para ancorar as proteínas da superfície celular
  • N-miristoilação: adição de um grupo miristoil a algumas proteínas envolvidas na transdução de sinal, na oncogénese e na defesa do hospedeiro
  • Prenilação ou palmitoilação: adição de um grupo de prenil ou ácido palmítico às proteínas da membrana, tornando-as mais hidrofóbicas.

Relevância Clínica

Anormalidades na modificação pós-tradução e/ou no enrolamento ou triagem de proteínas podem levar a uma série de patologias médicas relevantes.

• Inibidores de protease: O HIV usa o processo de proteólise durante o seu ciclo de vida para criar proteínas estruturais funcionais a partir de precursores. Estas proteases são um alvo dos medicamentos anti-HIV chamados inibidores de protease.
• Doença de Alzheimer: doença neurodegenerativa que resulta em demência: Pensa-se que proteínas mal enroladas e/ou anormalmente modificadas, incluindo o péptido β-amiloide e as proteínas tau, estão associadas à doença de Alzheimer. Se a doença de Alzheimer resulta num aumento de proteínas desdobradas, ou se as proteínas desdobradas são a causa da doença ainda está a ser explorado.
• Doença de Parkinson: doença progressiva neurodegenerativo do movimento que se apresenta com tremores, rigidez e lentidão do movimento: Pensa-se que a doença de Parkinson é causada, pelo menos em parte, pela acumulação de uma proteína chamada α-sinucleína nos neurónios da via nigroestriatal, levando à morte destes mesmos neurónios. A α-sinucleína leva à formação de agregados insolúveis, que se acumulam e interrompem a sinalização.
• Fibrose quística (FQ): doença autossómica recessiva causada por mutações no gene CFTR. As mutações levam à disfunção dos canais de cloro, o que resulta em muco hiperviscoso e na acumulação de secreções. Há 5 classes de mutações. A Classe II é um grupo de mutações que causam um processamento pós-tradução anormal; devido a essas anormalidades, as proteínas não são levadas para os locais celulares corretos (e muitas vezes são defeituosas). Esta classe inclui a mutação comum F508del. As apresentações comuns de FQ incluem infeções respiratórias crónicas, deficiência no crescimento e insuficiência pancreática.