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Estudo revela mecanismo da modulação estrutural de peroxirredoxinas, os sensores celulares de peróxidos

Autores: Maria Célia Wider

16/09/2016

Em artigo publicado esta semana na revista Scientific Reports, do grupo Nature, pesquisadores do CEPID Redoxoma propõem um mecanismo para explicar como um resíduo conservado de treonina catalítica modula a estrutura quaternária das peroxirredoxinas, enzimas antioxidantes que têm um papel importante na sinalização redox e estão envolvidas em processos como câncer, neurodegeneração e interações patógeno-hospedeiro.

“Nosso trabalho é pesquisa básica e representa uma forma de conhecer melhor como funciona um sensor de peróxido nas células. Obtivemos informações que relacionam dois fenômenos que eram descritos para peroxirredoxinas, mas que estavam desconexos: a questão da estabilidade estrutural, com a alteração entre decâmero e dímero, e a questão de como isso era modulado de forma redox. Nossos dados mostram que o resíduo de treonina catalítica parece ser a conexão entre essas duas facetas”, afirmou Luis Netto, um dos coordenadores da pesquisa.

O estudo foi realizado pelos grupos dos professores Luis E. S. Netto, do Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo, e Marcos A. de Oliveira, do Instituto de Biociências da Universidade Estadual Paulista, respectivamente membro do comitê gestor e colaborador do CEPID Redoxoma. Este trabalho foi parte da tese de doutorado de Carlos A. Tairum Jr. e do projeto de iniciação científica da aluna Melina Cardoso dos Santos, além de contar com o apoio de outros grupos do Redoxoma.

Mecanismo proposto para a redução de
hidroperóxido por 2-Cys Prx
Mecanismo proposto para a redução de hidroperóxido por 2-Cys Prx. [ Imagem: Publicada em Scientific Reports ISSN 2045-2322 (online), sob licença CC BY ]

Dímeros e decâmeros

Peroxirredoxinas (Prx) são tiól-proteínas que catalisam a redução de peróxido de hidrogênio, hidroperóxidos orgânicos e peroxinitrito. As células de mamíferos expressam seis isoformas de Prx (de I a VI), classificadas em três subgrupos (2-Cys, 2-Cys atípica e 1-Cys), com base no número e posição dos resíduos de cisteína que participam da catálise.

O presente trabalho aborda especificamente as 2-Cys Prxs que, devido às suas propriedades catalíticas, são consideradas sensores de peróxido de hidrogênio (H2O2), um oxidante relacionado com processos de sinalização celular. A regulação fina dos níveis de H2O2 por 2-Cys Prx estaria, portanto, relacionada com processos tais como supressão de tumores, diferenciação neuronal e doenças cardiovasculares.

As 2-Cys Prxs são capazes de reduzir hidroperóxidos com alta eficiência e especificidade, sendo que a reatividade da cisteína no ambiente do sítio ativo é de uma a dez milhões de vezes mais rápida do que a da cisteína livre do ambiente proteico. Isso se deve a um sítio ativo composto por uma tríade catalítica contendo uma cisteína peroxidásica, uma arginina e uma treonina (ou serina, em algumas espécies).

A cisteína peroxidásica (CP) é um resíduo de cisteína altamente conservado, usado pelas 2-Cys Prx para a redução dos hidroperóxidos, resultando na formação de um ácido sulfênico (CP-SOH). Durante o ciclo catalítico, um segundo resíduo de cisteína, a chamada cisteína de resolução (CR), reage com a CP-SOH do monômero adjacente para formar uma ligação dissulfeto intermolecular (entre dois polipeptídeos distintos). As 2-Cys Prxs são homodímeros que podem se associar em decâmeros, ou seja, pentâmeros de dímeros.

Segundo os autores, uma característica interessante das 2-Cys Prxs é sua capacidade de alternar entre estruturas quaternárias distintas: durante a catálise, elas fazem transições reversíveis entre decâmeros e dímeros. E essas transições dependem do estado de oxidação da cisteína.

Para entender o mecanismo envolvido nessa modulação, eles compararam as estruturas de diversas 2-Cys Prxs. Com base nos dados cromatográficos e estruturais obtidos, concluíram que a treonina catalítica localizada na interface entre dois dímeros funciona como uma espécie de interruptor. Quando a proteína é oxidada, ela sofre uma mudança conformacional e a treonina passa a ocupar o espaço de outros aminoácidos, desestabilizando a estrutura decamérica da enzima. “Esse movimento da treonina ocorre quando a Prx vai de reduzida para oxidada”, explicou Netto, acrescentando que, provavelmente, a desestabilização do decâmero ocorre por impedimento estérico, ou seja, por uma questão espacial. As variantes da proteína que possuem uma serina no sítio ativo são sempre decaméricas. A serina é um aminoácido menor do que a treonina e, por isso, teria mais espaço para se movimentar.

Com base em dados cinéticos obtidos com o apoio dos grupos de pesquisa dos professores Ohara Augusto e José Toledo Jr., membros do Redoxoma, os pesquisadores também constataram que, como uma tendência geral, mutações que estabilizam a proteína na forma decamérica têm uma atividade catalítica maior do que as que são estabilizadas na forma dimérica.

Diversas técnicas foram utilizadas na análise das estruturas e das reatividades das 2-Cys Prxs e, segundo os autores, a estrutura da rede Redoxoma foi muito importante nesse sentido. Para obter as proteínas em grande quantidade, os pesquisadores expressaram genes de peroxirredoxinas de levedura (Tsa1 e Tsa2) em bactéria E. Coli e depois purificaram as proteínas produzidas. Utilizando métodos de biologia molecular, foram geradas mutações de amino ácidos em Tsa1 como forma de testar as hipóteses propostas.

Peroxirredoxinas e sinalização redox

Um dado interessante em relação às peroxirredoxinas é que a sequência de aminoácidos de sua tríade catalítica (treonina, CP e arginina) é altamente conservada, sendo praticamente igual em todos os seres vivos, de bactérias a humanos. Em alguns casos, a treonina da tríade catalítica é substituída por uma serina, que também apresenta um grupo hidroxila na cadeia lateral. E em todas as Prx a CP está na mesma posição.

Os papéis fisiológicos dessas enzimas e os mecanismos pelos quais elas atuam, no entanto, ainda não foram totalmente esclarecidos.

As peroxirredoxinas são muito abundantes e reagem rapidamente com peróxidos, por isso são consideradas sensores de peróxidos nas células e teriam um papel central na sinalização redox, ao interagir com proteínas envolvidas claramente em sinalização celular, como quinases e fatores de transcrição.

Luis Netto exemplifica essa atividade com um dos modelos de sinalização propostos, de acordo com o qual o peróxido de hidrogênio reage com a CP , que é oxidada e em seguida oxida um fator de transcrição específico. Dessa forma, a peroxirredoxina media a oxidação do fator de transcrição, transmitindo o sinal que recebeu do peróxido de forma específica, por meio de uma interação física proteína-proteína.

Quando essas vias de sinalização são interrompidas, podem ser iniciados processos patológicos, como câncer, doenças neurodegenerativas e morte celular.

O pesquisador explica que células são ambientes confinados e congestionados, com milhares de proteínas e compostos de baixo peso molecular. Por isso, além das observações biológicas, são necessários dados químicos para que se possam fazer inferências sobre o que acontece nas células.

O artigo Catalytic Thr or Ser Residue Modulates Structural Switches in 2-Cys Peroxiredoxin by Distinct Mechanisms, de Carlos A. Tairum, Melina Cardoso Santos, Carlos A. Breyer, R. Ryan Geyer, Cecilia J. Nieves, Stephanie Portillo- Ledesma, Gerardo Ferrer-Sueta, José Carlos Toledo Jr., Marcos H. Toyama, Ohara Augusto, Luis E. S. Netto & Marcos A. de Oliveira, pode ser lido em http://www.nature.com/articles/srep33133


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