Prof. Dr. Júlio César Borges

Larissa Diniz

Monique Amorim

Thais Freitas

RNA CATALÍTICO E SUAS FUNÇÕES

• Enzimas; • Contexto Histórico; • Ribozimas: O que são? • Reações Catalizadas por RNA

– Síntese de Proteínas – Processamento de RNA – Climagem de RNA – Auto-clivagem de RNA

• Ribozimas X Enzimas Proteicas; • Consequências.

Sumário

Enzimas • Uma biomolécula que catalisa uma reação química específica.

Não afeta o equilíbrio da reação mas sim intensifica sua velocidade;

• Reduzem a barreira livre de ativação.

• Apresentam alta eficiência e especificidade quanto ao seu substrato;

Figura 1. Gráfico de coordenada de reação.

Toda Enzima é uma proteína.

Será?

Contexto Histórico

• Década de 60: Carl Woese, Francis Crick e Leslie Orgel sugerem que o RNA poderia apresentar função catalítica (“Mundo do RNA”)1.

• 1981: Descoberta do primeiro RNA Catalítico – Thomas Cech

Estudos com Tetrahymera thermophila;

Mesmo na ausência de proteínas um íntron gera sua própria exclusão da cadeia, catalisando a ligação entre os éxons e tornando a molécula de RNA ativa

Figura 2. Tetrahymera thermophila vista no microscópio.2

Figura 3. Prof. Dr. Thomas Cech. 3

Contexto Histórico • 1983: Estudo de outro RNA catalítico – Sidney Altman

Estudos com Escherichia Coli;

A subunidade de RNA desempenhava a função catalítica mesmo na ausência da subunidade proteica;

Reconhece e processa o RNA transportador na bactéria;

Subunidade proteica tem atuação secundária de aumentar a taxa hidrolítica e possibilitar que a reação ocorra em condições catalíticas.

• 1989: Thomas Cech e Sidney Altman ganham prêmio Nobel por suas descobertas.

Figura 5. Prof. Dr. Sidney Altman.5

Figura 4. Bactéria Escherichia Coli vista por microscópio.4

O que são?

RNA Catalíto ou Ribozimas são enzimas de ácidos nucléicos que catalisam a quebra ou a inativação de outras moléculas;

Ácido Ribonucléico + Enzimas;

Possuem constante cinéticas comparáveis às das enzimas proteicas (portanto são igualmente eficientes);

Apresentam como principal substrato o RNA, podendo realizar auto-catálise, e em sua maioria realizam funções de processamento de RNA;

Podem ser naturais ou desenvolvidas artificialmente para atacar sequências específicas de nucleotídeos, podendo assim atuar assim no combate a diversas doenças, como o câncer.

O que são? • Existem diversos tipos de ribozimas:

Ribozima em “cabeça de martelo” - O mais simples dos RNAs Catalíticos, apresentando pequeno tamanho. Assim como o nome, apresenta estrutura semelhante ao martelo, em formato de T. É um patogênico de plantas;

oRequer a presença de uma sequência GUX (onde X é diferente de G) em 5’ do sítio de clivagem.

Figura 6. Ribozima “Cabeça de Martelo”6

Ribozima em grampo – Ao se ligar ao substrato se transforma em uma estrutura bidimensional constituída de quatro regiões em dupla hélice e duas regiões em arco.

o Também é um patogênico em plantas;

o Requer a presença de uma guanosina em 3’ do sítio de clivagem.

Figura 7. Ribozima em Grampo7

O que são?

Reações Catalizadas por RNA10

Atividade Ribozima

Formação de Ligação Peptídica RNA ribossômico

RNA splicing RNA auto-splicing

Clivagem de DNA RNA auto-splicing

Clivagem de RNA RNA auto-splicing, Rnase P, RNA

selecionado in vitro

Polimerização do RNA RNA selecionado in vitro

Fosforilação do RNA RNA selecionado in vitro

Aminoacilação do RNA RNA selecionado in vitro

Alquilação do RNA RNA selecionado in vitro

Rotação da ligação C-C (isomerização) RNA selecionado in vitro

Síntese de Proteínas

O sítio catalítico é fomrado pelo rRNA 23S da subunidade maior do ribossomo

Peptidil-transferase

Orienta com precisão a cadeia peptídica em formação com o tRNA, aumentando grandemente a probabilidade de uma reação produtiva

Figura 8. rRNAs e proteínas encontrados no centro do ribossomo10

Ribossomo rRNAs são encontrados no interior e

proteínas ribossomais na parte exterior

Processamento do RNA

Transcrito Primário

Íntrons + éxons

RNA Maduro:

éxons

Objetivo do Processo: retirada dos segmentos não codificantes do RNA, tornando-o funcional.

o Há 4 tipos de íntrons; o Os íntrons dos Grupos I e II se diferenciam por seus mecanismos de splicing, porém compartílham uma característica única:

Splicing

Auto-splicing

Splicing – Grupo I

Requer um nucleotídeo ou nucleosídeo de guanina

como cofator

Figura 9. Mecanismo de splicing para íntrons do Grupo I11

Splicing – Grupo II

Figura 9. Mecanismo de splicing para íntrons do

Grupo I11

O nucleófilo inicial é o grupo hidroxil 2’ de um

resíduo de adenina dentro do próprio íntron

Forma-se um estrutura em forma de laço como

intermediário

Clivagem de RNA10

Pareamento de bases

Clivagem

Liberação do produto

Sítio Específico

Necessidade de cofator Mg

Auto-clivagem de RNA

Figura 10. Molécula de RNA que se dobra em duas diferente ribozimas10

(direita) Ribozima que realiza reação de autoligação – forma ligação fosfodiéster, librerando pirofosfato

(esqueda) Ribozima que realiza auto-clivagem

Ribozimas versus Enzimas Protéicas

•Cinética de reações

•Estrutura

•Reconhecimento do substrato

•Estabilidade estrutural

Figura 11: Ribozima12

Cinética de Reações

• O comportamento cinético das reações das ribozimas podem ser justificado pelo modelo de Michaelis-Menten, assim como o comportamento das demais enzimas.

• A equação de Michaelis-Menten justifica as relações entre concentrações de enzima e substratos e velocidade da reação.

Figura 12: Formação do complexo enzima-substrato e dos produtos11

Figura 13: Equação de Michaels-Menten11

Estrutura das ribozimas • Os princípios utilizados para o estudo da estrutura das proteínas pode ser

também aplicado às ribozimas, apresentando estruturas primárias, secundárias e terciárias.

• Estrutura primária: sequência de nucleotídeos;

• Estrutura secundária: Pareamento de sequências complementares, resultante da proximidade em algumas regiões da estrutura primária;

• Estrutura terciária: Resulta de interações eletrostáticas em regiões distantes na estrutura primária.

Figura 14: Estrutura da ribozima13

Reconhecimento do substrato

• Há uma estreita relação entre estrutura e função, tanto para proteínas quanto para ribozimas.

• O centro ativo é uma estrutura tridimensional, na qual ocorrem interações fracas com os substratos.

• As interações ribozima-substrato ocorrem por pares de bases complementares por meio de interações de hidrogênio.

• Alto grau de especificidade.

Figura 15: Interação ribozima-substrato14

Estabilidade Estrutural

• No RNA, a estrutura terciária parece ser constituídas pelo enovelamento de hélices e estabilizados por interações entre os domínios.

• Nas proteínas, a estabilização provem de interação terciária e hidrofóbicas dentro das moléculas

• Nas ribozimas, a estabilização é resultante das interações da estrutura secundária, visto que as da estrutura terciária são fracas

Figura 17: Ribozima14

Consequências

Existência das Ribozimas e sua vital importância para as reações reforçaram a teoria do “Mundo do RNA”, na qual o RNA teria sido tanto transmissor primordial de informação como também biocatalizador primitivo

Esclarecimento de funções celulares, como no ribossomo: catálise não é realizada pelas proteínas ribossomais, e sim pelos rRNAs

Referências 1. Muriel Gargaurd, M., Barbier,B., Martin,H., Reisse,J., Lectures in Astrobiology: Vol I : Part 2:

From Prebiotic Chemistry to the Origin of Life on Earth. 6a ed. Alemanha, 2006.

2. http://lookfordiagnosis.com/mesh_info.php?term=tetrahymena+thermophila&lang=3

3. http://quotesgram.com/thomas-r-cech-quotes/

4. Centers for Disease Control and Prevention, Atlanta, 2015. Acesso em 20 nov 2015. Disponível em:<http://www.cdc.gov/ecoli/>.

5. http://global.britannica.com/biography/Sidney-Altman

6. Karp,G., Biologia celular e molecular, Barueri, 2006.

7. Santos, D., Ribozima: RNA Super star, 2011.

8. Abera,G., Berhanu,G., Tekewe,A., RIBOZYMES: NUCLEIC ACID ENZYMES WITH POTENTIAL PHARMACEUTICAL APPLICATIONS - A REVIEW, Pharmacophore 2012, Vol. 3 (3), 164-178, Acesso em 20 out 2015, Disponível em:<http://www.pharmacophorejournal.com/May-June2012-article2.pdf>.

9. Lilley, D.M.J., The origins of RNA catalysis in ribozymes, TRENDS in Biochemical Sciences Vol.28 No.9 September 2003, Acesso em 21 out. 2015, Disponível em:<http://chemistry.osu.edu/~foster.281/biochem766/download/PDF_files/Lilley_TIBS03.pdf>.

10. ALBERTS, Bruce; Essencial Cell Biology, 4ª ed., Garland Science, 2014.

11. NELSO, D. L; COX, M. M.; Princípio de Bioquímica de Lehninger, 5ª ed., Artmed, Porto Alegre, 2011.

12. http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar

13. www.qca.ibilce.unesp.br

14. neofronteras.com

OBRIGADA