Urease de Canavalia ensiformis e peptídeos derivados : interação com a membrana lipídica e a formação de canais iônicos

Abstract

Ureases (EC 3.5.1.5) são enzimas dependentes de níquel que catalisam a hidrólise da uréia para formar amônia e dióxido de carbono. Elas têm sido isoladas de uma ampla variedade de organismos incluindo plantas, fungos e bactérias, porém não são sintetizadas por animais. As sementes de Canavalia ensiformis são ricas em isoformas de urease, tal como a Canatoxina (CNTX) e JBU (jackbean urease, do inglês). A CNTX é uma proteína neurotóxica, causando diversos efeitos biológicos após injeção por via intraperitoneal em ratos e camundongos, entre eles, atividades pró- inflamatórias e indutora de agregação plaquetária, convulsões, e finalmente, morte dos animais. A CNTX também apresenta efeitos inseticida e antifúngico, potencialmente relevantes para a defesa da planta de origem. Após anos de estudos com a CNTX, verificou-se que JBU também compartilha essas atividades biológicas, como efeitos inseticida e fungitóxico, ativação de plaquetas e de células inflamatórias, incluindo letalidade em ratos e camundongos (por via intravenosa). Na busca pelo mecanismo de ação inseticida, identificou-se um fragmento da urease com efeito letal em insetos, denominado Jaburetox (Jbtx). Indícios da interação desses polipeptídeos com membranas lipídicas nos levou a estudar de que forma esse fenômeno ocorre. Fragmentos do Jbtx originados de mutações sítio-dirigidas foram testados a fim de investigar a relação estrutura X função. Foram usados neste estudo, além de JBU e Jbtx, a porção amino-terminal do Jbtx isolada, chamada de Jbtx N-ter, a sua região carboxi-terminal, ou Jbtx C-ter, e ainda o peptídeo com a região do grampo beta removida, ou Jbtx Δ-β. Por meio de ensaios com lipossomos, foi possível certificar-se que todas as proteínas ligam-se e interagem com as vesículas de maneira muito similar. A capacidade das moléculas de inserção em bicamadas lipídicas foi confirmada através da técnica de planar lipid bilayer, determinando-se as propriedades biofísicas dos canais formados, e sugerindo que o peptídeo Jbtx representa a principal região da JBU capaz de interagir com membranas biológica. Os resultados contribuem para a compreensão mais aprofundada dos mecanismos de ação de ureases e peptídeos derivados, assim como das relações estrutura x função implicadas nesses mecanismos.

Ureases (EC 3.5.1.5) are niquel dependent enzymes that hydrolyse urea into ammonium and carbon dioxide. They have been isolated from many organisms, including plants, fungi and bacteria, but are not synthesized by animals. Canavalia ensiformis seeds are source of urease isoforms, like Canatoxin (CNTX) and jackbean urease (JBU). CNTX is a neurotoxic protein, displaying several biological effects after intraperitoneal injection in rats or mice, including proinflammatory and platelet aggregation activity, and convulsions followed by death of the animals. CNTX also presents insecticidal and fungitoxic effects, which are probably relevant for defense mechanisms of the source plant. After some years of studies, it was found that JBU also share these biological activities, such as entomotoxic and antifungal effects, activation of platelets and inflammatory cells, including lethality in rats and mice (intravenously). In the search for the insecticidal mode of action, an urease fragment lethal to insects was identified and named Jaburetox (Jbtx). Evidence of the interaction of these polypeptides with lipid membranes led us to investigate how this phenomenom takes place. Site-directed mutagenesis to obtain Jbtx fragments was applied in the search for structure X function relationships. Besides JBU and Jbtx, a peptide corresponding to Jbtx’s amino-terminal half (Jbtx N-ter), a peptide corresponding to Jbtx’s carboxi-terminal half (Jbtx C-ter) and a mutant with deletion of a beta hairpin motif (Jbtx Δ-β) were used in the present study. Working with liposomes it was possible to verify that all proteins bind and interact with vesicles, in a similar way. The ability of these molecules to insert into lipid bilayers was confirmed through the planar lipid bilayer technique. The biophysical properties of the ion channels formed by each polypeptide were characterized, suggesting that Jbtx is the main region from JBU able to interact with lipid membranes. The results contribute to deepen our understanding of the modes of action of JBU and derived peptides, as well as of the structure X function relationships involved in these mechanisms.