CIENTISTAS DESCOBREM PISTAS PARA MISTÉRIO DE ATP E COMO FUNCIONAM AS CÉLULAS

Fibras fortes e finas chamadas microfilamentos ou filamentos de actina, estão presentes no citoplasma de quase todas as células do corpo. Ao crescer e diminuir, filamentos de actina desempenham um papel importante no movimento muscular e celular. Uma vez que esses processos exigem grandes quantidades de energia, os filamentos de actina usam muito ATP (Adenosina Trifosfato), uma molécula que é muitas vezes chamada de “moeda energética” da célula.

Rendição artística das estruturas de actina e superfícies de energia livre calculada para ATP hidrólise no G-actina e F-actina, calculado usando QM / MM simulações. Crédito: McCullagh, et al. © 2014 American Chemical Society

Concepção  artística das estruturas de actina e superfícies de energia livre calculada para a hidrólise de ATP em actina-G e actina-F calculado usando simulações QM/MM. Crédito: McCullagh, et al. © 2014 American Chemical Society

Embora muitas partes do processo de movimento celular sejam bem compreendidas, ainda existe um mistério nos detalhes. Um mistério em particular, é que as cadeias poliméricas longas de actina (chamada de actina-F) foram observadas utilizando ATP a uma taxa que é 40 mil vezes mais rápida do que a dos monômeros de actinas individuais (chamadas de actina-G). Esta diferença gigantesca na taxa é experimentalmente investigada há mais de 25 anos, sem nenhuma solução.

A mecânica quântica agora resolve parte deste mistério, em um novo artigo no Journal of the American Chemical Society, os pesquisadores Martin McCullagh, Marissa G. Saunders, e Gregory A. Voth da Universidade de Chicago usaram simulações da ​​mecânica quântica e a mecânica molecular (QM/MM) de actina-F e actina-G, guiados por uma modelagem para investigar como as diferenças estruturais dos dois tipos de actina podem contribuir para a diferença da taxa na qual eles usam ATP, um processo chamado de hidrólise de ATP.

“Eu acho que este trabalho fornece uma compreensão molecular fundamental de como os filamentos de actina catalisam a hidrólise de ATP, que por sua vez é fundamental para o seu comportamento”, disse Voth a Phys.org. “A hidrólise de ATP modula muitas propriedades da actina, o que por sua vez é muito importante para o comportamento do citoesqueleto celular. Algumas destas propriedades são importantes para, por exemplo, a ligação de fármacos anti-câncer em células alvo”.

Na hidrólise de ATP, os filamentos de actina usam ATP rompendo um dos seus três átomos de fósforo. A energia armazenada na ligação de fosfato é liberada e pode ser usado para muitas finalidades. Aqui, a energia é usada para alterar as propriedades dos filamentos de actina, após o qual o polímero pode ser desmontado. Este crescimento contínuo e desmontagem é o que faz com que as células a se mover.

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As moléculas de água pode girar mais livremente em actina-G do que em actina-F. A actina-F (a) tem um fio de três-água, e (b) tem actina-G tem um fio de seis-água. Crédito: McCullagh, et al. © 2014 American Chemical Society

Basicamente, o mistério da diferença na taxa acaba agindo na polimerização e acelera a hidrólise de ATP. Em outras palavras, como actina forma um filamento ela utiliza o mais rápido que pode o ATP. O efeito é cíclico, de modo que quanto maior for á taxa de hidrólise de ATP, maior a taxa com que a actina pode ser despolimerizada. Esta atividade leva a um fenômeno notável chamada actina “treadmilling“, que é essencial para o movimento celular.

As novas simulações QM/MM ajudam a explicar o aumento da taxa dramática da ATP hidrólise que ocorre na actina-F em relação ao actina-G. As simulações mostram que determinados aminoácidos essenciais mudam de posição durante a polimerização, o que promove o rearranjo de moléculas de água. As moléculas da água podem girar mais livremente, o que permite o fácil alinhamento em “fios de água” que transportam os prótons muito rapidamente, de fato, quase instantaneamente. A facilidade resultante com que os prótons podem mover corresponde a uma redução da barreira de energia livre desse processo. Dado que o transporte de prótons é um passo-chave na hidrólise de ATP, é necessária menos energia total para actina-F para hidrolisar as moléculas de ATP.

As simulações revelam uma redução na elevação do limiar que está bem de acordo com o valor medido experimentalmente, e apoiam a explicação de que o ambiente de transporte de prótons favorável em actina-F desempenha um papel importante no aumento da taxa de hidrólise de ATP.

“Há muitas, muitas proteínas que utilizam a hidrolise de ATP (ou GTP) para modular o seu comportamento”, disse Voth. “Eu acho que este trabalho abre a possibilidade de incluir esse processo mais rotineiramente no estudo computacional de proteínas.”

Fonte: Phys.org

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