CIENTISTAS REVELAM MECANISMO MOLECULAR QUE ALIMENTA AS CÉLULAS DE TODAS AS FORMAS DE VIDA

Os cientistas deram um grande passo para a compreensão do complexo mecanismo molecular de uma enzima metabólica produzida na maioria das formas de vida na Terra. O achado é a trans-hidrogenase nucleotídea nicotinamida (TH), uma enzima evolutivamente antiga encontrada tanto no reino animal, quanto em plantas e muitas espécies mais simples. A enzima é parte de um processo chave para a manutenção de células saudáveis e recentemente também tem sido associada a doenças, tais como diabetes e câncer.

O novo estudo fornece insights sobre como uma enzima crítica mitocondrial, transhydrogenase (TH), trabalha em um processo que é fundamental para manter as células saudáveis. Crédito: Josephine Leung, cortesia do laboratório Stout, The Scripps Research Institute

O novo estudo fornece insights sobre como uma enzima mitocondrial, a trans-hidrogenase (TH), que trabalha em um processo fundamental para manter as células saudáveis.
Créditos: Josephine Leung, cortesia do laboratório Stout, The Scripps Research Institute

“Apesar de sua importância, TH tem sido uma das de enzimas mitocondriais com poucos  estudos feitos”, disse o professor C. David Stout. “Nosso novo estudo ajuda a esclarecer alguns mistérios – sugerindo como a estrutura da enzima pode aproveitar prótons  indicando que seus dois lados são capazes de funções alternativas, permanecendo sempre em equilíbrio”.

Ligando a célula

Nos seres humanos e outros organismos superiores, enzimas TH trabalham dentro das mitocôndrias, os minúsculos reatores de oxigênio de casco duplo que ajudam a dar potência a maioria dos processos celulares.

Quando uma mitocôndria queima oxigênio, ela bombeia prótons (átomos de hidrogênio e desfruta de seus elétrons) de seu compartimento interno (matriz), criando um excesso destas partículas carregadas apenas fora sua membrana interna. Enzimas TH, que são fixas numa extremidade dentro dessa membrana, permitem um fluxo dos prótons (um-por-um) de volta através da membrana no interior da matriz. Este processo – que é semelhante ao que faz que o ATP, a fonte universal da célula de energia – também tem sido associado com a produção de um composto chamado de NADPH, que é fundamental para neutralizar os radicais livres de oxigênio para manter a saúde da célula.

O laboratório de Stout e outros têm porções da enzima TH que se projetam a partir da membrana para a matriz mitocondrial descrita anteriormente. Mas uma compreensão precisa do mecanismo de TH foi indescritível. Em sua totalidade, a enzima tem uma estrutura excecionalmente frouxa que torna difícil avaliar usando cristalografia de raios-X, a ferramenta padrão para determinar as estruturas das proteínas grandes com resolução em nível atômico.

“Detalhes importantes que estavam faltando incluíam a estrutura da porção transmembrana de TH, e a maneira pela qual as partes montam toda a enzima”, disse Josephine H. Leung, um estudante de pós-graduação no laboratório Stout, que foi o principal autor do estudo.

Novas pistas para uma estrutura dinâmica

No novo estudo, graças à tecnologia desenvolvida pelo professor Vadim Cherezov, agora, da Universidade do Sul da Califórnia, Leung e seus colegas foram capazes, pela primeira vez conseguem formar cristais (agrupamentos perfeitamente alinhados) da porção transmembranar da TH e usar raio-X e cristalografia para determinar sua estrutura – a uma resolução em nível atômico de 2,8 angstroms (280 bilionésimos de metro).

A equipe também foi capaz de crescer cristais de toda a enzima TH. Estes renderam uma imagem estrutural com baixa resolução, mas os pesquisadores foram capazes de melhorar a resolução de 6,9 angstroms ligando dados de cristalografia de porções individuais de TH. Em um outro estudo, o professor Bridget Carragher e seus colegas do recurso baseado no TSRI Nacional da Automated Microscopia Molecular (NRAMM) e fotografaram cópias individuais da enzima a 18 angstroms, com microscopia eletrônica. Stout enfatizou que sem as colaborações da TSRI fez este trabalho nunca seria possível: “Só um ambiente como em Scripps permitiria o estudo de trans-hidrogenase.”

Os dados de microscopia eletrônica confirmaram que a TH existe naturalmente como um “dímero” – duas cópias idênticas ligadas entre si – e forneceram importantes pistas sobre como TH consegue trabalhar nesta conformação.

Diretamente acima da estrutura transmembranar da TH, apenas dentro da matriz mitocondrial, a estrutura tem o “domínio III” que se liga a molécula NADPH, precursora de NADP +, durante a conversão de NADPH. Biólogos estruturais não tinham entendido como duas dessas estruturas podem trabalhar lado a lado no dímero TH e não interferir na atividade da outra. Os novos dados estruturais sugerem que estas estruturas “lado-a-lado” são altamente flexíveis e sempre têm orientações diferentes.

“Nossa descoberta mais surpreendente foi que as duas estruturas do domínio III não são simétricas – uma delas voltada para cima enquanto o outro está voltado para baixo”, disse Leung.

Em particular, uma das estruturas aparentemente está orientada para catalisar a produção de NADPH, enquanto que a outra está voltada para a membrana, talvez para facilitar o trânsito de um próton. O novo modelo estrutural sugere que, com cada trânsito de prótons, as duas estruturas de domínio III viram e mudar suas funções. “Nós suspeitamos que a passagem do próton é o que de alguma forma faz com que esta inversão das estruturas de domínio II ocorra”, disse Leung.

Mas ainda há muito trabalho a ser feito para determinar a estrutura e mecanismo preciso da TH. Por exemplo, os novos dados estruturais fornecem evidências de um provável canal de prótons na região transmembranar do TH, mas mostram apenas uma conformação fechada dessa estrutura. “Nós suspeitamos que este canal pode ter outra conformação aberta que permite que o próton passar, de modo que é um dos detalhes que queremos estudar mais”, disse Leung.

“Há muitas experiências a serem seguidas”, disse Stout.

Os outros co-autores do estudo, “A divisão do trabalho em trans-hidrogenase alternando translocação de prótons e transferência de hidreto”, foram Robert B. Gennis, professor de bioquímica e biofísica da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e um associado de pesquisa em sua laboratório, Lici A. Schurig-Briccio, que produziu proteínas TH inteiros para análise e caracterizada a atividade de TH quando mutado em locais estruturais fundamentais; Jeffrey A. Speir de NRAAM; ex-membro NRAAM Arne Moeller, agora na Universidade de Aarhus; e Mutsuo Yamaguchi, cientista da equipe no laboratório Stout em TSRI.

Journal Reference:

Josephine H. Leung, Lici A. Schurig-Briccio, Mutsuo Yamaguchi, Arne Moeller, Jeffrey A. Speir, Robert B. Gennis, Charles D. Stout. Division of labor in transhydrogenase by alternating proton translocation and hydride transfer.Science, 2015 DOI: 10.1126/science.1260451

Fonte: Science Daily

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