Transportadores e sistemas de transporte

A vida envolve tanto interconvers˜oes qu´ımicas quanto fluxos atrav´es das membranas bi-ol´ogicas, que referimos como metabolismo e transporte e nenhuma descri¸c˜ao de vida ´e completa sem uma compreens˜ao inclusa de ambos fenˆomenos [Saier, 2000]. Assim, n˜ao

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e estranho que todos os organismos apresentem cerca de um ter¸co de suas prote´ınas como prote´ınas de membrana, e cerca de um ter¸co destas s˜ao prote´ınas de transporte

[Werten et al., 2002]. Assim, os sistemas de transporte em membranas tˆem pap´eis fun-damentais no metabolismo e atividade celular, por catalisarem a transloca¸c˜ao de solutos usando distintos mecanismos moleculares, e funcionam na fisiologia celular em processos distintos, tais como a aquisi¸c˜ao de nutrientes orgˆanicos, e a manuten¸c˜ao da homeostase iˆonica, a extrus˜ao de compostos t´oxicos, a sinaliza¸c˜ao e comunica¸c˜ao celular e ambien-tal, entre outros [Saier, 2000]. Desta maneira pode-se dizer que repert´orio de prote´ınas de transporte da membrana determina o estilo de vida de uma esp´ecie [Ren e Paulsen, 2005].

Os v´arios sistemas de transporte existentes diferem em rela¸c˜ao a sua topologia na estrutura das membranas biol´ogicas, aos mecanismos de acoplamento energ´etico e trans-porte, e a especificidade por substrato [Paulsen et al., 1998]. Contudo, an´alises filogen´ e-ticas entre os diferentes grupos de transporte demonstram que uma classe ´e, frequente-mente, mais hom´ologa a uma prote´ına da mesma classe, em outro organismo distante evolutivamente, que a outra classe de transportador no mesmo organismo. Ent˜ao, pa-rece que pelo menos a especificidade de acoplamento de energia e por substrato evoluiu muito cedo, e antes da divis˜ao dos trˆes dom´ınios da vida: Bacteria, Archaea e Eucarya [Palmgren e Axelsen, 1998].

Isso permite que os transportadores sejam classificados pelo TCDB (Transporter Classification System; http://www.tcdb.org) em fam´ılias e subfam´ılias, de acordo com sua fun¸c˜ao, filogenia e/ou especifidade de substrato. Os mecanismos de acoplamento energ´etico e transporte servem como base preliminar para a classifica¸c˜ao, por causa de suas caracter´ısticas relativamente est´aveis [Saier, 2000].

O website do TCDB detalha um sistema de classifica¸c˜ao global de prote´ınas de transporte de membrana conhecido como a sistema de classifica¸c˜ao do transportadores (TC, de “Transport Classification”). O sistema TC ´e an´alogo ao sitema adotado para a classifica¸c˜ao de enzimas (EC, de “Enzyme Commission”) no entanto ele incorpora tanto informa¸c˜ao funcional quanto filogen´etica. Descri¸c˜oes, n´umeros de TC, e exemplos das mais de 360 fam´ılias de transportadores s˜ao fornecidas. A classifica¸c˜ao dos transportadores de G. diazotrophicus foi realizada seguindo o modelo TCDB que apresenta cinco classes

principais de transportadores [Saier et al., 2006]. Elas s˜ao:

1. Canais/ Poros- Os canais s˜ao prote´ınas complexas que possuem s´ıtios de translo-ca¸c˜ao (poros que atravessam as membranas) para ´ıons espec´ıficos, os quais podem ser abertos ou fechados por altera¸c˜oes na conforma¸c˜ao da prote´ına. Os canais pos-sibilitam a passagem de um grande n´umero de ´ıons, sempre a favor de um gradiente de potencial eletroqu´ımico (diferen¸cas de concentra¸c˜ao de ´ıons e de potencial el´ e-trico), e funcionam como um port˜ao. O tamanho do poro e a densidade das cargas na superf´ıcie interior do canal determinam a afinidade do ´ıon a ser transportado, em uma regi˜ao do canal denominada filtro de seletividade. Um ´unico canal aberto pode permitir a passagem de mais de 100.000.000 de ´ıons (10⁸ ´ıons) por segundo.

Entretanto, os ”port˜oes” abrem ou fecham o canal em resposta a est´ımulos externos, e o tempo de abertura de um canal ser muito curto.

2. Transportadores ativos secund´arios (“Electrochemical Potential-driven trans-porters”) - S˜ao prote´ınas carreadoras que usam o gradiente de de ´ıons como energia.

O transporte ativo secund´ario usa a energia liberada pela difus˜ao de um ´ıon para conseguir o movimento contra gradiente de outro soluto pela membrana. Para a energia da difus˜ao iˆonica ser aproveitada para o transporte ativo, ambos os proces-sos tem que ser mediados pela mesma prote´ına de membrana. S˜ao estereoespec´ıficos.

3. Transportadores ativos prim´arios- Prote´ınas carreadoras que usam ATP como energia. Tamb´em s˜ao comumente chamadas de “bombas”. Elas s˜ao, ao mesmo tempo, prote´ınas carreadoras e ATPases. As bombas s˜ao prote´ınas integrais ativadas por energia qu´ımica (ATP) ou luminosa. Estas bombas tamb´em s˜ao chamadas de bombas eletrogˆenicas, por gerarem diferen¸cas de potencial el´etrico atrav´es das membranas, sendo respons´aveis pela gera¸c˜ao de um gradiente de pr´otons atrav´es das membranas (transporte ativo prim´ario).

4. Translocadores - Transloca¸c˜ao ´e uma forma de transporte ativo que ocorre em procariotos. Na transloca¸c˜ao a substˆancia transportada torna-se quimicamente

al-terada durante o seu transporte atrav´es de uma membrana de modo que uma vez l´a dentro, a membrana citoplasm´atica torna-se imperme´avel a essa substˆancia e ela permanece dentro da c´elula. Um exemplo de transloca¸c˜ao em bact´erias ´e o sistema fosfotransferase. Um grupo fosfato de alta energia ´e transferido a partir de fosfoe-nolpiruvato por uma s´erie de enzimas at´e a glicose. A enzima final fosforila a glicose e transporta-a atrav´es da membrana como glicose-6-fosfato.

5. Carreadores de el´etrons- Catalizam o fluxo de eletrons atrav´es da membrana a partir de doadores localizados em um lado da membrana para receptores localizados no outro lado da membrana. Dependendo da dire¸c˜ao do fluxo de el´etrons esse sistema pode aumentar ou diminuir o potencial da membrana, sendo desta maneira muito importantes para o metabolismo energ´etico celular.

6. N ˜AO UTILIZADO. Os n´umeros 6 e 7 n˜ao s˜ao utilizados para representar nenhum classe do TCDB

7. N ˜AO UTILIZADO.

8. Auxiliadores de transporte - Prote´ınas que, de alguma forma facilitam o trans-porte atrav´es de membranas biol´ogicas, mas n˜ao participam diretamente do trans-porte.

9. Sistemas de transporte ainda n˜ao caracterizados- Classe distinta, onde s˜ao inclu´ıdos transportadores cujo mecanismo energ´etico ou de fun¸c˜ao ainda s˜ao desco-nhecidos.

Apesar das prote´ınas de transportes serem vitais `a compreens˜ao da potencialidade meta-b´olica de organismos, poucos grupos tˆem se dedicado `a an´alise sistem´atica dos sistemas de transportes dos microorganismos, em especial daqueles em que os genomas completos foram publicados e/ou ainda uma an´alise comparativa dos sistemas de transportes entre os mais diferentes microorganismos [Ren e Paulsen, 2005].

Tendo em vista uma an´alise mais detalhada do genoma da G. diazotrophicus, a condu¸c˜ao de um invent´ario de todas as prote´ınas de transporte ´e uma etapa chave para entender as estrat´egias desenvolvidas por este microorganismo para adaptar-se `as circuns-tˆancias ambientais, com interesse adicional para o estudo das prote´ınas de transporte que estejam envolvidas no processo de associa¸c˜ao com o vegetal.

Durante o processo de anota¸c˜ao do genoma daG. diazotrophicus PAL5 os diferentes grupos que integram o RioGene ficaram respons´aveis pela identica¸c˜ao de genes de sua proficiˆencia e interesse. Desse modo, nosso grupo ficou respons´avel pela identica¸c˜ao de ORFs relacionadas com os sistemas de transporte em membranas.