Ciência: Descobrir estruturalmente o mecanismo metabólico energético dos mitobactérios

Em um novo estudo, os pesquisadores Zihe Rao, Quan Wang, Fei Sun e seus colegas do Instituto de Biofísica da Academia Chinesa de Ciências isolaram o supercomplexo respiratório do Mycobacterium smegmatis e visualizaram sua estrutura tridimensional em uma resolução de 3,5 Å usando a tecnologia de crio-EM. Esta bactéria tem uma estreita parentesco com a bactéria Mycobacterium tuberculosis e é usada para estudar muitosBactériasModelo popular das espécies. Essa estrutura detalhada revela como os elétrons passam dentro da célula em um processo até agora não observado. Os resultados do estudo foram publicados online na revista Science em 25 de outubro de 2018, com o artigo intitulado “An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex”.

Normalmente, durante a respiração celular, a oxidação das fontes de energia (açúcar, ácidos graxos e aminoácidos) é ligada à redução dos receptores eletrônicos (oxigênio, enxofre, nitratos e sulfatos), a partir dos quais a energia química é obtida para sintetizar o trifosfato de adenosina (ATP) e impulsionar as reações celulares. Na respiração aeróbica, essa energia química é gerada quando o doador de eletrões passa através da cadeia de transporte de eletrões (ETC) para o receptor de eletrões terminal, gerando um gradiente de protões transmembranar chamado força motriz de protões (PMF), que impulsiona a síntese de ATP. Neste novo estudo, os pesquisadores revelaram uma correlação direta entre a transferência de eletrões entre enzimas, o que representa um novo padrão de catálise da cadeia respiratória.

Imagem de Science, doi:10.1126/science.aat8923.

A quinona e o citocromo são dois tipos de eletrões na cadeia de transmissão de eletrões.TransportadorÉ usado para transferir elétrons entre estruturas macromoleculares maiores incorporadas em membranas. Quatro redutases de membrana estão envolvidas na transmissão de eletrões na cadeia respiratória mitocondrial. Eles incluem o complexo I (NADH: ubiquinone oxidase reducase, CI), o complexo II (ácido âmbar: ubiquinone oxidase reducase, CII), o complexo III (panol tipo bc1; A citocroma c oxidase, tipo bc1 CIII) e o complexo IV (citocroma c oxidase tipo aa3, tipo aa3 CIV). Funcionalmente, o complexo CIII é capaz de oxidar o panol em ubiquinona e transferir os elétrons para o citocroma c solúvel. Os elétrons são então transferidos para o complexo CIV, onde o oxigênio é reduzido em água. O PMF transmembranar é produzido por bombas de prótons nos complexos CI, CIII e CIV.

Na cadeia respiratória dos protonucleares, a situação é mais complicada. Devido a essa complexidade, as vias completas de transmissão de eletrões ainda não foram identificadas nas células de protonucleares. Portanto, é necessário entender a participaçãoBactériasEstrutura completa de um super-complexo de cadeia respiratória transmitido por eletrões. Neste novo estudo, os pesquisadores extraíram e purificaram este super-complexo da cadeia respiratória a partir de Mycobacterium Scarum e visualizaram sua estrutura em uma resolução de 3,5 Å usando a tecnologia de eletroscópia de baixa temperatura. Essa estrutura fornece insights importantes para revelar o mecanismo de transmissão direta de eletrões neste supercomplexo de cadeia respiratória. Esse super-complexo de cadeia respiratória existe com uma estrutura linear simétrica dentro de uma faixa de dimensões de 200 x 70 x 120 Å, o que * é diferente dos supercomplexos de cadeia respiratória relatados anteriormente. Compositivamente, os dímeros CIV1-CIII2-CIV1 lineares estão dispostos de tal forma que o único complexo CIV1 está localizado em ambos os lados do dímero CIII2 complexo central. Essa informação revela uma correlação direta entre enzimas durante a transferência de eletrões, o que representa um novo padrão de catálise da cadeia respiratória. Essa descoberta estrutural detalhada tem o potencial de ajudar na descoberta de medicamentos resistentes a micobacterias.

Durante os experimentos de cultura de células bacterianas, os pesquisadores usaram uma cepa mutante de Mycobacterium scam resistente ao peróxido de hidrogênio, semelhante a Mycobacterium tuberculosis. Cultivar essas células bacterianas e, em seguida, separar suas membranas celulares de acordo com o método descrito anteriormente (Microbiology, 2006, 152: 823-829, doi: 10.1099/mic.0.28723-0). Depois que as células bacterianas são cultivadas, coletadas e fissadas, a sua membrana celular é recolhida para a precipitação e, em seguida, o supercomplexo da cadeia respiratória é extraído da membrana celular. Eles então usaram métodos espectroscópicos, espectrometria de massa e cromatologia de 3,3'-diaminobifenamina (DAB) para descrever as características deste super-complexo da cadeia respiratória. Para identificar os grupos hemoglobinos, seguindo o método anterior (Journal of Biological Chemistry, 2015, doi: 10.1074/jbc.M114.624312), eles analisaram uma parte da amostra selecionada através do registro espectral antes e depois da redução de disulfato ligado. Eles usaram espectrometria de massa natural para analisar amostras purificadas de super-complexo da cadeia respiratória para estudar sua estrutura e usaram os resultados previamente estabelecidos.Métodos experimentaisAnalise os componentes estruturais individuais deste supercomplexo de cadeia respiratória.

Durante a análise eletroscópica, os pesquisadores usaram peróxido acético de urânio (1%, p / v) para manchar negativamente amostras de um super-complexo da cadeia respiratória de Mycobacterium scam a uma concentração de 5 μl de 0,05 mg / ml e, em seguida, usaram imagens do microscópio FEI Tecnai Spirit em funcionamento a 120 kV para a construção do modelo estrutural inicial. Eles reconstruíram a estrutura de baixa resolução desse supercomplexo de cadeia respiratória, processando 53 imagens ao microscópio de amostras de supercomplexos de cadeia respiratória manchados negativamente. Para reconstruir a estrutura desse super-complexo de cadeia respiratória, eles selecionaram manualmente 7.600 de 8.200 imagens originais durante o processamento de imagens de eletroscópio. Todas as imagens deste estudo foram construídas usando a quimera PyMOL ou UCSF.

Esses pesquisadores revelaram a estrutura de eletroscópia de baixa temperatura do super-complexo da cadeia respiratória CIII-CIV de Mycobacterium Scarius. As vias de transmissão de eletrões dentro desse supercomplexo de cadeia respiratória variam da oxidação do quinol no complexo CIII à redução do oxigênio no complexo CIV. Essas descobertas revelam um novo mecanismo de transmissão de eletrões bifurcados que garante a conversão de energia ao completar o ciclo Q, ou seja, o movimento líquido dos prótons através da dupla camada lipídica. A oxidodiscriminase (ODS) está diretamente envolvida na montagem deste super-complexo da cadeia respiratória, protegendo-o dos danos oxidativos do oxigênio ativo (ROS). A distribuição dos locais de ligação quinônica também fornece um quadro para o desenvolvimento de medicamentos antimicrobianos baseados em estruturas no futuro. (Vale Biológico)

Referências:

Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu et al. Um caminho de transferência de elétrons conecta subunidades de um supercomplexo respiratório micobacteriano. Ciência, Publicado Online: 25 Oct 2018, doi:10.1126/science.aat8923.