04Biol Celular_Compartimentos intracelulares

Transcrição

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
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
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.
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
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
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
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 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.
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)
Translocadores de fosfolípidos (flipases) transportam lípidos de uma camada lipídica
para outra. Flipase
Flipase
Tráfego intracelular de fosfolípidos
Proteína
marcada
Vesículas de
secreção
Golgi
RER
Proteínas de troca de fosfolípidos ajudam a transportar fosfolípidos do RE para as membranas da mitocôndrias e peroxissomas.
Complexo de Golgi
COMPLEXO DE GOLGI
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
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
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
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
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
Mitocôndria
MITOCÔNDRIA
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
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