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Por que as proteínas direcionadas aos cloroplastos requerem dois peptídeos de sinal?


A pergunta nº 11 do GRE Biology Practice Test diz que as proteínas direcionadas aos cloroplastos requerem dois peptídeos de sinal:

  1. O direcionamento de uma proteína recém-sintetizada provavelmente exigirá dois peptídeos de sinal diferentes para qual dos seguintes destinos?

    (A) Membrana plasmática

    (B) Lisossomo

    (C) Citosol

    (D) Cloroplasto (resposta correta)

    (E) Retículo endoplasmático

Não consigo encontrar uma referência para isso.

Eu entendo que um ribossomo inicia a síntese de uma proteína no citosol e um peptídeo sinal leva para o retículo endoplasmático (RE) que termina a síntese protéica no lúmen RE e então a proteína é secretada em uma vesícula para seu destino (se for não se torna uma proteína de membrana ER). Qual é o propósito do segundo peptídeo sinal para entrar em um cloroplasto?


A importação de proteínas para cloroplastos (e também mitocôndrias) ainda pode ter vários destinos, porque essas próprias estruturas têm subcompartimentos:

  • ambos têm um espaço entre as membranas, bem como um "espaço interno" (o estroma nos cloroplastos, a matriz na mitocôndria).
  • proteínas também podem ser direcionadas para qualquer uma das duas membranas
  • além disso, os cloroplastos têm as pilhas de tilacóide no estroma, que são separadas por outra camada de membrana.

Devido a essa estrutura complexa, você precisa de vários peptídeos de sinal para direcionar as proteínas de maneira adequada ao seu destino.

Não me lembro (ou posso encontrar) todos os detalhes agora, mas basicamente você (pode) ter:

  • um peptídeo sinal 'principal' que direciona as proteínas diretamente para o estroma (que será removido lá pela peptidase de processamento do estroma (SPP)).
  • um peptídeo sinal adicional para importação para as pilhas de tilacóide (que será "disponibilizado" por clivagem do primeiro peptídeo)
  • deve haver outros peptídeos de sinal ou pelo menos variantes que permitem a importação para o espaço intermembrande e a membrana interna (via o complexo TIC23). [Não consegui encontrar nenhuma fonte para isso agora]

Fontes que pude encontrar:


O surgimento evolutivo de organelas foi um processo definidor na diversificação de reações bioquímicas dentro da célula e permitindo a multicelularidade. No entanto, a compartimentalização também impôs um grande desafio - a necessidade de importar proteínas sintetizadas no citosol para seus respectivos locais de função. Por exemplo, um terço de todos os genes codificam proteínas que devem ser direcionadas e translocadas para o retículo endoplasmático (RE), que serve como local de entrada para a maioria dos compartimentos endomembrana. Décadas de pesquisa estabeleceram os princípios fundamentais de como as proteínas passam do citosol para o ER, e estudos recentes trouxeram novas vias e reguladores adicionais que permitem uma melhor definição das regras que regem o reconhecimento do substrato. Neste artigo Cell Science at a Glance e no pôster que o acompanha, damos uma visão geral de nossa compreensão atual dos processos multifacetados e regulados de direcionamento de proteínas e translocação para o ER.

Organelas constituem nichos bioquímicos distintos dentro da célula, permitindo a diversificação de processos complexos de vida. No entanto, uma consequência da criação de compartimentalização é a necessidade de classificar corretamente, e muitas vezes importar, as proteínas que habitam cada organela e funcionam dentro dela. A importação de proteínas em uma organela específica envolve três etapas básicas: (1) O reconhecimento do substrato por meio de sinais específicos por um fator citosólico ou via este reconhecimento evita o direcionamento incorreto de proteínas, dobramento prematuro de proteínas ou agregação de proteínas no citosol, e pode ocorrer durante ou após a tradução. (2) Direcionamento de alvos por uma interação entre o (s) fator (es) de reconhecimento citosólico e um receptor na membrana alvo. (3) Translocação através de um portão ou poro que permite a inserção do substrato no lúmen ou membrana da organela desejada.

Em células eucarióticas, os três maiores destinos de segmentação são mitocôndrias (revisado em Harbauer et al., 2014 Wasilewski et al., 2017), cloroplastos (revisado em Bölter e Soll, 2016 Lee et al., 2017) e o retículo endoplasmático (ER ) O ER é o local de entrada para o sistema secretor / endomembrana, bem como para peroxissomos, gotículas de lipídios (LD) e a membrana nuclear interna (INM). Portanto, não é surpreendente que ∼30% de todos os genes eucarióticos codificam para proteínas que devem ter como alvo e translocar para o ER (Chen et al., 2005 Choi et al., 2010 Wallin e von Heijne, 1998). O direcionamento de proteínas para o ER tem sido objeto de intensa pesquisa por décadas e é o foco deste artigo. Tentamos fornecer uma ampla visão geral dos fatores e vias que facilitam a importação de ER, destacamos a diversidade de motivos de sinal que medeiam o reconhecimento por diferentes vias de direcionamento e translocação e discutimos as intrincadas interações entre as vias que tornam o processo de importação de proteínas para o ER tão robusto.


Um peptídeo sinal secretor de planta tem como alvo proteínas recombinantes codificadas pelo plastomo para a membrana do tilacóide

Os plastídeos são considerados biorreatores promissores para a produção de proteínas recombinantes, mas o conhecimento dos mecanismos que regulam o enovelamento, direcionamento e acúmulo de proteínas estranhas nessas organelas ainda é incompleto. Aqui, demonstramos que um peptídeo sinal secretor de planta é capaz de direcionar uma proteína recombinante codificada pelo plastomo para a membrana do tilacóide. A proteína de fusão zeolina com seu peptídeo sinal nativo expresso pelo tabaco (Nicotiana tabacum) as plantas transplastômicas foram direcionadas para as membranas do tilacóide do cloroplasto, enquanto o mutante zeolina desprovido do peptídeo sinal, Δzeolina, é acumulado no estroma. Também mostramos que o zeolin se dobra na membrana tilacóide, onde se acumula como trímeros capazes de formar ligações dissulfeto. As ligações dissulfeto contribuem para o acúmulo de proteínas, pois a zeolina apresenta maior nível de acúmulo em relação à Δzeolina estromal, cujo enovelamento é prejudicado, pois a proteína se acumula em pequenas quantidades na forma monomérica e não é oxidada. Assim, os processos pós-transcricionais parecem regular a estabilidade e o acúmulo de zeolina sintetizada por plastídio. O mecanismo de direcionamento de zeolina mais plausível para tilacóide é discutido aqui.

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Evolução do transporte de proteínas para as membranas do envelope do cloroplasto

Os cloroplastos são descendentes de uma antiga cianobactéria endossimbiótica que vivia dentro de uma célula eucariótica. Eles herdaram o envelope de membrana dupla procariótica das cianobactérias. Este envelope contém máquinas de classificação de proteínas procarióticas, incluindo uma translocase Sec e parentes do componente central do módulo de montagem do cilindro β da membrana externa bacteriana. Como o endossimbionte foi integrado ao resto da célula, a síntese da maioria de suas proteínas mudou do estroma para o citosol do hospedeiro. Isso incluiu quase todas as proteínas do envelope identificadas até agora. Consequentemente, a biogênese geral do envelope do cloroplasto deve ser distinta das cianobactérias. As proteínas do envelope inicialmente se aproximam de suas localizações funcionais a partir do exterior, e não do interior. Em muitos casos, foi demonstrado que eles usam componentes da via geral de importação que também atende ao estroma e aos tilacóides. Se as antigas máquinas de classificação de proteínas procarióticas ainda são usadas para proteínas do envelope do cloroplasto, suas atividades devem ter sido modificadas ou combinadas com a via geral de importação. Nesta revisão, analisamos o conhecimento atual referente à biogênese do envelope do cloroplasto e comparamos com as bactérias.

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A manutenção da homeostase do cloroplasto envolve a importação e degradação de proteínas

O cloroplasto é uma organela complexa que contém três sistemas de membrana & # x2013 o envelope externo, o envelope interno e a membrana tilacóide, bem como três subcompartimentos principais & # x2013 o espaço intermembrana entre o envelope externo e interno, o estroma, e o lúmen do tilacóide (Nakai, 2018). A divisão do cloroplasto é realizada pela constrição da maquinaria de divisão de plastídios, que é essencial para manter um número ideal de plastídios nas células vegetais (Gao et al., 2013 Wang et al., 2017a, b). O genoma do cloroplasto codifica menos de 100 proteínas e a maioria das proteínas (cerca de 95%) no cloroplasto são codificadas por genes nucleares. Proteínas codificadas por genes nucleares devem ser translocadas para o cloroplasto para sua biogênese e manutenção funcional.

Estresses abióticos, como luz forte, CO2 limitação, ou temperaturas extremas podem induzir a fotoinibição de PSII e PSI e impor dano oxidativo contínuo ao cloroplasto durante a produção de energia, que inibem ainda mais a eficiência da fotossíntese e o crescimento da planta (Dietz et al., 2016 Malno & # x000EB, 2018). As proteínas da cadeia fotossintética de transporte de elétrons são alvos vulneráveis ​​ao dano oxidativo. Todas as respostas de fotodano e fotoproteção envolvem a rápida renovação de proteínas fotossintéticas específicas (Li et al., 2018). Estudos recentes de renovação de proteínas descobriram que PetD (uma subunidade do complexo citocromo b6f), PIFI (uma subunidade auxiliar associada ao complexo NDH), NAD (P) H desidrogenase subunidade K (NDHK), zeaxantina epoxidase (ZEP) e gradiente de prótons regulamento-like 1 (PGRL1) tem taxas de importação e degradação rápidas (Li et al., 2017). Juntamente com a descoberta da clorofagia induzida por fotodano, esses resultados indicam que a cadeia de transporte de elétrons fotossintética é essencial para a qualidade do cloroplasto.

Muitos processos biológicos precisam ser estritos, mas controlados de forma flexível no cloroplasto, porque as proteínas funcionais são codificadas por duas organelas separadas - o núcleo e o cloroplasto. Sinais de luz, estágio de desenvolvimento, hormônios, metabólitos e mudanças ambientais podem levar à reprogramação transcricional no cloroplasto (Wang et al., 2017a, b). A comunicação entre o cloroplasto e o núcleo sob condições de estresse está intimamente ligada à importação e degradação da proteína do cloroplasto. Muitos processos biológicos no cloroplasto são regulados por fatores nucleares (sinais anterógrados), enquanto a transcrição de alguns genes nucleares é sensível aos sinais do cloroplasto em desenvolvimento (sinais retrógrados).


Comparação de diferentes versões de SignalP e TargetP para previsões de proteínas de plastídio de diatomáceas com ASAFind

Proteínas direcionadas a plastídios de diatomáceas e algas relacionadas podem ser previstas com alta sensibilidade e especificidade usando o método ASAFind publicado em 2015. As previsões ASAFind baseiam-se nas previsões SignalP de retículo endoplasmático (ER) direcionando peptídeos de sinal. Recentemente (em 2019), uma nova versão do SignalP foi lançada, SignalP 5.0. Testamos a capacidade do SignalP 5.0 de reconhecer peptídeos de sinal de pré-proteínas de diatomáceas direcionadas a plastídios codificados por núcleo e para identificar o local de clivagem do peptídeo de sinal. Os resultados foram comparados com as previsões manuais do motivo do local de clivagem característico e com as versões anteriores do SignalP. O SignalP 5.0 é menos sensível que as versões anteriores do SignalP nesta tarefa específica, e também na detecção de peptídeos sinal de proteínas não plastidiais em diatomáceas. No entanto, em combinação com ASAFind, o desempenho de previsão resultante para proteínas de plastídio é alto. Além disso, testamos a ferramenta de previsão de vários locais TargetP quanto à sua adequação para fornecer informações do peptídeo de sinal para ASAFind. A versão mais recente, TargetP 2.0, teve o desempenho de previsão mais alto para peptídeos de sinal de diatomáceas e peptídeos de trânsito mitocondrial em comparação com outras versões de SignalP e TargetP, portanto, fornece uma boa base para previsões ASAFind.

Comparação dos resultados dos servidores de previsão com as posições do local de clivagem do peptídeo sinal predito manualmente no conjunto de treinamento de 83 pares ortólogos de sequências de proteínas direcionadas a plastídios putativos de Thalassiosira pseudonana e Phaeodactylum tricornutum usado para gerar a matriz de pontuação ASAFind (encontrada na Tabela S1 de [1 ], os dados brutos dos servidores de previsão são anexados). SignalP 3.0 usa uma rede neural (NN) ou um modelo de Markov oculto (HMM). O SignalP 4.1 foi testado com as opções padrão (def) e sensível (sen), o SignalP 5.0 emprega uma rede neural profunda, consulte os métodos para referências. As sequências são plotadas na mesma ordem em que aparecem nos arquivos de dados brutos. Os números abaixo de cada servidor de previsão indicam o número de locais de clivagem que corresponderam à previsão manual / e o número total de peptídeos de sinal previstos.

Sensibilidades, especificidades e coeficientes de correlação de Matthews (MCC) das diferentes variações de SignalP e TargetP para a previsão de peptídeos de sinal, peptídeos de trânsito mitocondrial e proteínas de plastídio (em conjunto com ASAFind), determinados com um conjunto de 132 proteínas de referência localizadas experimentalmente de múltiplos destinos intracelulares em Phaeodactylum tricornutum (encontrados na Tabela S3 de [1]). Os resultados são classificados do maior para o menor MCC. O desempenho do HECTAR [2] também é listado para comparação.

As diatomáceas são produtores primários importantes em muitos habitats aquáticos [3] e são cada vez mais importantes para aplicações biotecnológicas [4] [5]. O sequenciamento do genoma e do transcriptoma revelou aspectos incomuns do metabolismo das diatomáceas, muitos dos quais estão relacionados à localização intracelular das vias metabólicas na célula da diatomácea [6]. A previsão de localizações intracelulares de proteínas a partir de dados de sequência é, portanto, uma etapa importante na anotação do genoma de diatomáceas [7] [8] [9].

As proteínas de plastídio em diatomáceas são codificadas por plastídio ou pelo núcleo e precisam ser direcionadas aos plastídios de diatomácea complexos, através de quatro membranas de envelope [10] [11]. Proteínas de plastídio codificadas por núcleo de diatomáceas são reconhecidas por sinais de direcionamento bipartidos característicos, consistindo em um domínio de peptídeo de sinal, um domínio de peptídeo de trânsito, um motivo conservado no local de clivagem do peptídeo de sinal e outro motivo conservado no local de clivagem de peptídeo de trânsito [12] [ 13] [14] [15] [10] [16] [17] [18] [19] [20] [21].

Proteomas de plastídios de duas espécies de diatomáceas foram previstos com o programa de predição dedicado ASAFind, e novos dados de sequência podem ser analisados ​​com o serviço da web ASAFind ou um software para download [1]. ASAFind também foi usado para prever proteínas plastidiais do criptófito Guillardia theta [22], e outros organismos com plastídios complexos de origem de algas vermelhas [23] [24] [25]. ASAFind baseia-se na previsão de peptídeos de sinal ER pelo SignalP, um software que foi lançado em diferentes versões, que empregam diferentes algoritmos de previsão e, portanto, também diferem em suas previsões e desempenho [26] [27] [28].

Desde o lançamento do método de previsão ASAFind em 2015 [1], novas versões de SignalP [29] e TargetP [30] foram lançadas. O objetivo deste estudo é descobrir se essas ferramentas de software atualizadas melhoram a previsão de pré-sequências de alvo de plastídio de diatomáceas com ASAFind, em comparação com as versões do SignalP com as quais o ASAFind foi originalmente projetado para funcionar.

A predição da proteína de plastídio ASAFind [1] é baseada na predição de peptídeos de sinal pelo software de predição SignalP [26] [28]. As previsões de peptídeos de sinal, bem como as posições dos locais de clivagem previstos em pré-sequências de alvos de plastídio de diatomáceas, diferem entre as versões SignalP disponíveis em 2007 [18]. Como o ASAFind realiza uma pesquisa de motivo de janela deslizante em torno da posição do local de clivagem do peptídeo sinal predito do SignalP, a escolha da versão mais adequada do SignalP é crucial para o desempenho do ASAFind [1]. Testamos o conjunto de treinamento de 166 sequências de proteínas direcionadas a plastídios putativas usadas para construir a matriz de pontuação para o método ASAFind com o recém-lançado SignalP 5.0 [29] e com duas versões do TargetP [31] [32] [30], com o qual ASAFind não foi testado. SignalP 5.0 previu menos peptídeos de sinal do que a maioria das versões anteriores do SignalP (149 dos 166 peptídeos de sinal). TargetP 1.1 previu apenas 142 peptídeos de sinal, enquanto TargetP 2.0 previu 162 peptídeos de sinal (ver Fig. 1A e os dados brutos correspondentes).

Além da previsão de um peptídeo sinal, SignalP e TargetP também prevêem a posição do local de clivagem do peptídeo sinal [26]. ASAFind usa a posição prevista do local de clivagem para determinar o intervalo das janelas de sequência em que a sequência é pontuada de acordo com o motivo conservado [1]. Isso ocorre em parte porque há uma variação considerável nas posições previstas dos locais de clivagem do peptídeo sinal entre SignalP 3.0 NN, HMM e SignalP 4.1, as versões do SignalP que estavam disponíveis em 2015 [1]. SignalP 5.0, TargetP 1.1 e TargetP 2.0 também diferem na previsão da posição do local de clivagem entre as sequências (ver Fig. 1A e os dados brutos correspondentes). Notavelmente, embora existam algumas sequências onde o local de clivagem do peptídeo sinal previsto é diferente daquele previsto manualmente em várias versões dos programas de previsão, existem muitos outros exemplos de sequências individuais para as quais diferentes versões dos programas de previsão dão resultados diferentes.

Devido à abordagem de janela deslizante do ASAFind, a posição exata do local de clivagem previsto do SignalP é menos importante para o resultado da previsão do que a pontuação real da janela de sequência de maior pontuação [1]. Portanto, também testamos o desempenho de ASAFind em combinação com SignalP 5.0, TargetP 1.1 e TargetP 2.0 usando o conjunto de referência de 132 proteínas localizadas experimentalmente de vários locais intracelulares em Phaeodactylum tricornutum (Tabela S3 de [1]). Sensibilidades, especificidades e MCCs são compilados na figura 1B (dados brutos também em anexo). Para proteínas de plastídio, o MCC mais alto é obtido combinando ASAFind com a configuração SignalP 4.1 & quotsensível & quot (Fig. 1B). Para previsões gerais de peptídeos de sinal (de proteínas plastidiais e não plastidiais), e também para previsões de peptídeos de trânsito mitocondrial, o TargetP 2.0 tem o melhor desempenho por MCC (Fig. 1B). Como o TargetP 2.0 também tem um bom desempenho especificamente para proteínas de plastídio em combinação com ASAFind (Fig. 1B), o TargetP 2.0 é uma ferramenta valiosa para análises de direcionamento de proteínas em diatomáceas.

SignalP 5.0 é um programa de predição altamente específico para peptídeos de sinal e diferencia três tipos de peptídeos de sinal em bactérias e arquéias. Embora seu desempenho geral nos organismos para os quais foi desenvolvido seja superior ao de seus predecessores [29], nossos resultados mostram que ele é, ao mesmo tempo, menos sensível na detecção de peptídeos sinal em proteínas de diatomáceas. No entanto, dá bons resultados para a previsão da proteína de plastídeo de diatomácea em conjunto com ASAFind. O TargetP 2.0 [30] tem os coeficientes de correlação de Matthews mais altos para a previsão de peptídeos de sinal e de trânsito mitocondrial em diatomáceas e, portanto, também é adequado como base para previsões de proteínas de plastídio ASAFind.

O conjunto de referência de proteínas 132 de [1] foi originalmente compilado com o objetivo de avaliar o desempenho das previsões de proteínas plastidiais (55 positivos, 77 negativos, que continham todas as localizações de proteínas experimentais em Phaeodactylum tricornutum publicadas na época). É altamente assimétrico em relação a outras categorias de sequência. Para mitocôndrias, ele contém apenas 10 sequências positivas (versus 122 negativas), e para peptídeos de sinal, ele contém apenas 17 sequências negativas (versus 115 sequências positivas, incluindo as 55 proteínas direcionadas a plastídios). Essas proporções podem levar a medidas de desempenho otimistas demais no caso de sensibilidade e especificidade. Portanto, também incluímos MCCs, que respondem por assimetrias no conjunto de referência. Os MCCs são baixos para as previsões do peptídeo sinal e do peptídeo de trânsito mitocondrial testados com este conjunto de dados, em comparação com os MCCs para as previsões da proteína de plastídio (Fig. 1B).

Os desempenhos de previsão de SignalP e TargetP para peptídeos de sinal e peptídeos de trânsito mitocondrial de diatomáceas podem realmente ser maiores do que os MCCs baixos (Fig. 1B) sugerem, se eles pudessem ser testados com conjuntos de dados de referência mais simétricos (ver & quotLimitações & quot).


Por que as proteínas direcionadas aos cloroplastos requerem dois peptídeos de sinal? - Biologia

I) A permeabilidade através das membranas é geralmente proporcional à solubilidade em lipídios (um exemplo importante é que os hormônios esteróides se difundem diretamente nos núcleos) (evidência de que as membranas eram lipídios)

(Outro problema secundário interessante, NÃO mencionado nos livros didáticos é que
os anestésicos bloqueiam a condução dos impulsos nervosos e os anestésicos gerais
são produtos químicos solúveis em lipídios, mas não se sabe realmente como funcionam !!)
(os anestésicos locais compreendem muito melhor os canais de íons de bloqueio)

II) razões de concentrações de íons no citosol versus célula externa.
Na + cerca de 10 a 30 vezes maior fora da célula (baixo dentro)
K + cerca de 30 vezes maior dentro das células (causa voltagem!)
Ca ++ mantido MUITO baixo dentro do citosol (bombeado para fora e no ER)
H + mantido um pouco mais alto por dentro, geralmente (bagunçado nas células cancerosas)
Mg ++ mantido um pouco mais baixo por dentro

III) Transporte passivo e produtos químicos ionóforos
Gramicidina (para cátions monovalentes = Na + e K + principalmente)
muitos ionóforos artificiais podem ser comprados: A23187 um ionóforo de cálcio

Gráfico da taxa de difusão através da membrana vs concentração

IV) symports e antiports (energia emprestada)
(são proteínas de membrana que permitem que uma molécula vaze através da membrana em seu gradiente e também bombeie alguma outra molécula)

Também o conceito de transporte transcelular através do epitélio
(bombear algo em uma extremidade e deixar vazar na outra extremidade, etc.)

V) * a bomba de sódio-potássio (ATPase) "bomba de sódio"
(esta é uma proteína de membrana integral, que usa a energia do ATP
para forçar íons de sódio para fora através da membrana plasmática.
(e também para forçar os íons de potássio para dentro)
(até metade ou mais do ATP de uma célula pode ser usado para isso!)

VI) o potencial de repouso (causado por vazamento de potássio para fora)
Os livros didáticos geralmente dizem apenas que as células nervosas e as células musculares têm potenciais de repouso, mas na verdade quase todas as células têm!
O citosol é cerca de 50-80 milivolts negativo em relação a 0,07 V.

Lembre-se: o exterior é mais positivo do que o interior,
porque os íons de potássio tendem a vazar, e são positivos!

A tensão é a pressão elétrica com cada diferença de 10 vezes na concentração
é equivalente a 1,4 kcal / mol de íons, e isso é igual

60 milivolt
(as forças são mudanças de energia por deslocamento de algo)

PERGUNTAS: Se a proporção das concentrações de K fosse de 100 para 1
então qual seria a tensão de repouso? E se 1000 para 1?

Sobre quanta energia é necessária para bombear o número de Avogadro
de íons até um gradiente transmembrana de 10 para 1? 100 para 1, etc.
& Como 80 milivolts se relacionam com um gradiente de 30 para 1?

NOTA: Quase todos os livros didáticos elementares falsificam a questão de como a voltagem de repouso (fora positiva) pode ser causada por um íon positivo que está mais concentrado dentro do que fora! Portanto, certifique-se de entender.
(Os livros didáticos tendem a afirmar que é devido a proteínas negativas, etc., o que é b.s.)

Se as membranas fossem permeáveis ​​ao sódio, mas não ao potássio, então
o potencial de repouso seria positivo por dentro.
A tensão é gerada pelo vazamento e cria o excesso de carga no lado PARA O QUAL o vazamento ocorre. Essa é a questão.
Se as membranas vazassem ambos os íons, então ambos simplesmente se equilibrariam
a tensão resulta de apenas um ser capaz de vazar!

VII) impulsos nervosos (o potencial de ação)
abertura temporária de canais de sódio dependentes de voltagem
("tensão de limiar")
(e subsequente abertura dos canais de potássio dependentes de voltagem)

As ondas de despolarização também se espalham pelas membranas das células musculares.
& ondas de despolarização mais duradouras se espalham nas membranas dos óvulos!
(o último faz parte de um conjunto de mecanismos que bloqueiam mais de um espermatozóide de fertilizar óvulos)
Esses canais de sódio abrem apenas por cerca de 1/1000 de segundo
(e, em seguida, feche: "período refratário"

Um pouco mais sobre impulsos nervosos:
Os anestésicos locais (novocaína, etc.) bloqueiam os canais de sódio.

Alguns inseticidas (DDT) atuam retardando a repolarização
para que os nervos não voltem além do limite de voltagem
no momento em que o período refratário terminar.
(E eu acho que os venenos de salamandra funcionam assim também! Não coma salamandras!)

VIII) bainha de mielina: as membranas plasmáticas de células especiais se envolvem em torno das fibras nervosas, aceleram os impulsos nervosos em cerca de 10 vezes
(mas se 1,4 quilocalorias estão envolvidas nisso, não sei como.)

Além disso, a maneira de acelerar os impulsos nervosos é aumentar o diâmetro do axônio. Lulas desenvolveram axônios gigantes (mm de diâmetro)
que têm sido úteis para os experimentadores.

IX) Como enviar mensagens de um celular para outro?
dois métodos: 1) condução elétrica direta (não muito usada)
2) Uma célula secreta um determinado produto químico sempre que é despolarizada
e este produto químico então estimula a abertura dos canais de sódio
nas membranas plasmáticas de outras células, iniciando potenciais de ação

neurotransmissores sinapses (substâncias neurotransmissoras)

Por exemplo, acetilcolina é a substância neurotransmissora
para as sinapses entre nervos e células musculares.
Mas a adrenalina é o neurotransmissor para muitas outras sinapses.
Ácido glutâmico, glicina estão entre os neurotransmissores usados ​​dentro do cérebro
(cerca de 20 neurotransmissores diferentes são usados ​​em humanos:
alguns abrem canais de sódio (despolarizam) e outros abrem Cl- etc.
e causar hiper-polarização (= aumentar o potencial de repouso!)

Muitos medicamentos atuam estimulando ou inibindo o transporte sináptico.
Anfetaminas imitam adrenalina
A nicotina afeta alguns receptores de acetil colina
O gás nervoso se liga covalentemente à serina no sítio ativo do
enzima que divide a acetil colina em colina e ácido acético
(então a estimulação muscular torna-se permanente!)

X) Proteínas transportadoras ABC (ATPases) (moléculas de bomba)
malária (protozoários bombeiam quinino, etc.)
evolução (seleção natural) de células cancerosas com resistência a múltiplas drogas
fibrose cística

XI) método de patch clamping para detectar a abertura de canais iônicos em pequenos pedaços de membrana nas pontas das micropipetas.

Reveja as perguntas para verificar sua compreensão sobre os potenciais de repouso, etc.

1) O que é pressão elétrica? E em que unidades essa pressão é medida?

2) Nas células nervosas e musculares em repouso, qual lado de suas membranas plasmáticas tem quanta carga em relação ao outro lado?

3) Algum outro tipo de célula diferenciada tem a mesma diferença de voltagem (comparando o potencial elétrico no citosol versus o espaço fora da célula)?

4) O potencial de repouso é causado pela difusão de que tipo de íon?

5) Quando um íon positivo em difusão causa uma diferença de voltagem, isso cria um excesso de carga positiva no local onde esse íon tem a concentração mais alta, ou em algum outro lugar?

6) O que faz com que os íons sódio e potássio tenham concentrações tão diferentes dentro e fora da membrana plasmática das células vivas?

7) Se as membranas plasmáticas pudessem de alguma forma ser alteradas magicamente de modo que fossem mais permeáveis ​​ao sódio do que ao potássio, então isso mudaria a diferença de voltagem?

8) Essa mudança nas permeabilidades relativas ocorre alguma vez?

9) Quais desses processos são causados ​​por proteínas integrais de membrana?

10) O que significa dizer que um determinado canal iônico é "controlado" por voltagem ou temperatura, etc.

11) Se um biólogo molecular quisesse fazer com que alguma célula comum fosse capaz de propagar impulsos elétricos como os nervos, como isso poderia ser feito?

12) Se um dentista precisasse bloquear a propagação de impulsos nos nervos sensíveis à dor, como isso poderia ser feito no nível de produtos químicos?

13) Esse mecanismo também poderia ser usado para bloquear mensagens enviadas aos músculos do cérebro, causando paralisia?

14) Por que a despolarização de um local na superfície de um nervo causa imediatamente a despolarização das áreas circundantes da membrana dessa célula?

15) O que aconteceria se os canais de sódio de um nervo se abrissem permanentemente.

16) O que aconteceria se esses canais de sódio se fechassem permanentemente, depois de terem se aberto pelo milésimo de segundo de glória?

17) E se certo tipo de animal tivesse nervos com canais de sódio que pudessem ser estimulados a se abrir por campos magnéticos?

18) Qual seria a vantagem evolutiva para uma planta se ela pudesse produzir um certo produto químico que estimularia a abertura dos canais de sódio dependentes de temperatura nas fibras nervosas que sentem o calor?

19) Como os nervos estimulam os músculos a despolarizar?

20) Ursos ou outros animais grandes perigosos podem ser "nocauteados" por dardos que injetam a substância química succinilcolina. Este produto químico possui ácido succínico, em vez de ácido acético, ligado à colina. você consegue descobrir se é realmente um "tranquilizante", como costuma ser dito nos noticiários?

Como as sinapses podem ser usadas para armazenar memórias? Por que algumas células deveriam rastejar em direção aos eletrodos negativos, mas os macrófagos rastejam em direção aos eletrodos positivos e as células estruturais se alinham perpendicularmente aos campos elétricos externos? E se você tivesse uma pilha de células musculares planas ou terminações nervosas, todas com canais de sódio dependentes de voltagem apenas em um lado, mas não no outro?
Como os peixes podem sentir campos elétricos externos fracos? Os embriões geram campos elétricos?
Esses campos elétricos têm alguma função útil? Como você pode esperar descobrir?

1) A tensão medida em volts milivolts é milésimos de um volt.

2) O potencial de repouso (= voltagem) é cerca de 70 milivolts positivo externo em relação ao negativo interno.

3) Quase todas as células do corpo também têm potenciais de repouso, mas os livros didáticos apenas mencionam os nervos e as células musculares que os possuem.

4) A difusão dos íons potássio, de altas para baixas concentrações, é a causa dos potenciais de repouso.

5) Embora pareça paradoxal, a difusão de um íon cria um excesso da carga desse íon no local para o qual está se difundindo! (embora seja onde tem as concentrações mais baixas!)

6) A bomba de sódio é uma enzima ATPase, nas membranas plasmáticas, que puxa os íons sódio para fora e os íons potássio para dentro.

7) A difusão de sódio na direção interna criaria uma carga positiva no citoplasma, porque é o local para o qual os íons de sódio positivos se difundem.

8) Os potenciais de ação (como impulsos nervosos) são causados ​​pela abertura temporária (por um milésimo de segundo) de proteínas especiais do canal de sódio.

9) Os canais de sódio, os canais de potássio e a bomba de sódio ATPase, todos são exemplos de proteínas integrais de membrana?

10) Quando uma certa proteína de canal iônico tem a propriedade de ser estimulada a abrir em resposta a uma certa variável, então o canal é chamado de "fechado" por aquela variável.

11) Se você pudesse colocar canais de sódio dependentes de voltagem na membrana plasmática de qualquer célula, isso deveria ser suficiente para permitir a propagação de potenciais de ação.

12) Blocking the sodium channels (with novacaine, etc.) will prevent propagation of action potentials.

13) Sure it will block any nerve impulse. It might block egg cells from preventing fertilization by extra sperm, for all I know or prevent Paramecia from backing up, maybe!

14) Because the sodium channels are voltage gated in the sense that they become open wherever and whenever the membrane voltage becomes less than some particular amount? If, instead, these channels became open when the voltage was more than a certain amount, then that property wouldn't allow the positive feedback of depolarization, so it wouldn't allow you to send signals.

15) Permanent opening would let sodium ions continue to diffuse inward until the concentrations had become the same in fact, that would also let the potassium concentration equilibrate. So there wouldn't be any voltage differences any more, not even the resting potential!

16) If the sodium channels closed permanently, then that nerve would only be able to propagate one action potential. (At least until it had synthesized some more voltage-gated sodium channel proteins)

17) That kind of animal would thereby be able to "feel" magnetic fields!

18) Such a plant would taste "hot" to any animal that ate it! Like hot peppers, etc.

19) Nerve endings secrete vesicles of certain chemicals, called synaptic transmitters, or neurotransmitters, such as acetyl-choline. These stimulate depolarization of the muscle, because the plasma membrane has sodium channels that are gated by acetyl choline.

20) It works by blocking synaptic transmission of motor nerves, thereby paralyzing the animal.
Look up the structure of succinic acid: you can see that this is a good example of a chemical analog.

The majority of this final list of questions are "unsolved problems". But the answer to the one about cells that have action potentials only on one side is that that's how electric eels work!

Chapter 12 - today's amino acid is GLUTAMINE

    cytosol about 1/2 of total volume (in "average" cells)
    mitochondria about 1/5 to 1/4 of volume
    endoplasmic reticulum (rough and smooth)

one percent = 1/100th except sometimes more

    Plasma membrane 2 to 5% (Surprisingly small fraction of total!)
    Rough endoplasmic reticulum 35% to 60%
    (large in cells that secrete lots of protein)
    Smooth endoplasmic reticulum 1% to 16%
    (large in cells that secrete other things)
    Inner membrane of mitochondria 32-17% .
    (large in cells that use a lot or energy: make ATP)
    Nucleus inner membrane 2 cytochromes Fe +++
    other metalloproteins with FeS Cu +
    (cyanide poisons cytochromes)

chlorophyll (which is fluorescent! and why it should be!)
captures light energy uses this energy to reduce NAD
and also to make ATP (apart from making it by chemiosmosis)

IV) photosystem I and photosystem II
are believed to have evolved separately, in different bacteria
(green sulfur bacteria that used light energy to split H 2 S into elemental sulfur and H+ analogous to release of O2 from water.

V) In photosynthesis, the capture (fixing) of carbon dioxide
to make sugars is entirely separate from the capturing of the energy.
ATP energy is used to make sugar
(thus, for example, if you gave them ATP from some other source, they could fix carbon in the dark)

The distinction between "dark reactions" which don't need light
as opposed to "light reactions" which directly need light.

Sugar synthesis (and carbon fixation) are dark reactions.

5C sugar + CO 2 -> 6C sugar --> two 3C sugars -> etc.

- and which 5 carbon sugar is used? which would you guess?

3 reactions /sec (very slow)
and also it is a very big protein (

1/2 million atomic weight)
Portanto

VI) When CO 2 concentrations become low, this enzyme can't help catalysing "photoxidation" , which is combination of O 2 with the 5 carbon sugar.
But this wastes energy! So it's a problem.
Some plants have evolved another set of chemical reactions
that can fix carbon into 4 carbon sugars
(4 carbon plants, as compared with all the others, which are 3 carbon) [sugar cane, etc.)
But really this is just a way to move CO 2 from the edge of the plant to the middle where it is released from the 4C
and then is re-fixed by the 3 C method.

In dry conditions, this 4C method allows less loss of water.
(but if you seal an air-tight container containing both 3-C and 4C plants, then the 4C plants will get almost all the CO 2

Various interesting things about genomes

higher mutation rates useful for figuring out evolution

not nearly enough different t-RNAs for all the codons (only 22)
(thus, they really do "wobble")

it is a puzzle why all of the genes haven't transferred to nucleus
(maybe because the change in codes prevented further transfer?)

Even when most of their DNA is lost, mitochondria still get made!! "petit" mutants in yeast! showing that even if all the DNA had been lost, such an organelle could persist
(note: because of signal peptides, etc. with the receptor proteins that grab these signal peptides also having the same signal peptide: so self-perpetuation would be possible for an organelle, even without having its own genes (maybe peroxisomes
and maybe basal bodies of cilia & flagella.
Review questions:

a) What expected change in acidity in fluid around mitochondria
when making ATP

b) why the change in the opposite direction in fluid around chloroplasts?

c) If you started with mitochondria that had no pH gradient,
then could you help them make more DNA by putting them into a solution with a different acidity? (yes)

d) Why do H+ ionophores poison mitochondria and chloroplasts?

e) How might weak ionophores be used to help people lose weight? (only occasionally killing a few such people)

f) How direct (hint, not very) is the connection between the energy absorbed from light and the energy used to capture carbon from carbon dioxide, in order to make sugar.

g) Do C4 plants really use a different sequence of reactions to make sugars from CO 2 (if not for making sugars, then what good is the C4 fixation route?)

    What conditions cause more photoxidation?
    What enzyme catalyses photoxidation?
    What function is served by photoxidation? (none)


Resumo

The twin-arginine translocation (Tat) pathway is a protein targeting system found in bacteria, archaea, and chloroplasts. Proteins are directed to the Tat translocase by N-terminal signal peptides containing SRRxFLK “twin-arginine” amino acid motifs. The key feature of the Tat system is its ability to transport fully folded proteins across ionically sealed membranes. For this reason the Tat pathway has evolved for the assembly of extracytoplasmic redox enzymes that must bind cofactors, and so fold, prior to export. It is important that only cofactor-loaded, folded precursors are presented for export, and cellular processes have been unearthed that regulate signal peptide activity. One mechanism, termed “Tat proofreading”, involves specific signal peptide binding proteins or chaperones. The archetypal Tat proofreading chaperones belong to the TorD family, which are dedicatedto the assembly of molybdenum-dependent redox enzymes in bacteria. Here, a gene cluster was identified in the archaeon Archaeoglobus fulgidusthat is predicted to encode a putative molybdenum-dependent tetrathionate reductase. The gene cluster also encodes a TorD family chaperone (AF0160 or TtrD) and in this work TtrD is shown to bind specifically to the Tat signal peptide of the TtrA subunit of the tetrathionate reductase. In addition, the 3D crystal structure of TtrD is presented at 1.35 Å resolution and a nine-residue binding epitope for TtrD is identified within the TtrA signal peptide close to the twin-arginine targeting motif. This work suggests that archaea may employ a chaperone-dependent Tat proofreading system that is similar to that utilized by bacteria.

Contribuições do autor

The manuscript was written through contributions of all authors.

Funding Statement

This research was supported by the Biotechnology and Biological Sciences Research Council (Grant BB/D018986/1) and The Wellcome Trust (Grants 082596 and 083481).


Hard-wired - have organellar genes been 'preferentially maintained'?

The preferential 'maintenance' of a core set of organellar genes is encompassed by the CORR theory (co-location for redox regulation see Box 1), which was first proposed in 1992 [30, 31]. This hypothesis proposes that there is a direct link between coding location and regulation, either transcriptional or post-transcriptional, which gives a fitness advantage compared with nuclear-encoded genes. In this way, expression of a gene within the organelle gives an advantage, thus preventing transfer of the gene to the nucleus. An example often quoted to support the hypothesis is that if more subunits of a protein complex are needed in a particular chloroplast, for example the DI subunit of photosystem II, which might be required because of photo-oxidative damage, it is more efficient to have the gene encoded within the organelle, as nuclear encoding would mean that the protein would be sent even to those chloroplasts that did not require this subunit [32]. Although rich in predictions, there is no direct experimental evidence for CORR (for mitochondria) [5], in contrast to several experimental investigations that support the validity of the hydrophobicity hypothesis [5, 16–26, 28, 29].


This work was supported by Samsung Research Funding Center of Samsung Electronics under Project Number SRFC-MA1301-04.

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Keywords : AKR2, β-barrel proteins, chloroplasts, endosymbiotic organelles, mitochondria, outer membrane proteins, signal-anchored proteins, tail-anchored protein

Citation: Lee J, Kim DH and Hwang I (2014) Specific targeting of proteins to outer envelope membranes of endosymbiotic organelles, chloroplasts, and mitochondria. Frente. Plant Sci. 5:173. doi: 10.3389/fpls.2014.00173

Received: 12 March 2014 Accepted: 10 April 2014
Published online: 29 April 2014.

Kentaro Inoue, University of California at Davis, USA

Ben Matthew Abell, Sheffield Hallam University, UK
Hsou-min Li, Academia Sinica, Taiwan

Copyright © 2014 Lee, Kim and Hwang. Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. Não é permitida a utilização, distribuição ou reprodução em desacordo com estes termos.


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