Un icono de ID, la ATP sintasa hace más que girar

El icono bioquímico de las máquinas rotativas, la ATP sintasa, sigue siendo noticia con nuevos descubrimientos. Ahora que la microscopía crioelectrónica se usa ampliamente, los biofísicos están analizando la función de las subunidades individuales del motor y averiguando qué hacen. El hecho de que las máquinas moleculares exhiban una elegancia más funcional cuanto más de cerca se mira, indica que el diseño inteligente es la mejor explicación.

Tanto los animales como las plantas contienen estos motores rotativos vitales que satisfacen sus necesidades energéticas en ATP. En los animales, se encuentran en las mitocondrias. En las plantas y otros organismos fotosintéticos, se encuentran en los cloroplastos. La fotosíntesis, al depender de la luz, tiene un problema: cuando está oscuro, sus motores rotativos pueden comenzar a funcionar en reversa, con el riesgo de "una reacción de hidrólisis de ATP inútil".

Trabajando con el alga verde Chlamydomonas reinhardtii (en la foto de arriba) como un "organismo modelo", un equipo de ocho científicos japoneses observó más de cerca la subunidad γ en la ATP sintasa del cloroplasto (esta es la parte del "árbol de levas" del motor que impulsa el síntesis de ATP en el dominio F1). Descubrieron que dos dominios específicos en la subunidad γ actúan como un freno automático en la oscuridad. Escribieron en PNAS en enero,

Entre los complejos FoF1-ATP sintasa de todos los organismos, el cloroplasto FoF1 (CFoCF1) es unúnicoenzima conun mecanismo de regulación redox ; sin embargo, el mecanismo subyacente de la regulación redox de la reacción de síntesis de trifosfato de adenosina (ATP) en CFoCF1 no se ha dilucidado por completo. Al aprovechar la poderosa genética de Chlamydomonas reinhardtii como organismo modelo para la fotosíntesis, llevamos a cabo un análisis bioquímico completo de la molécula CFoCF1. Aquí identificamos determinantes estructurales para la cinética de la respuesta redox intracelular y demostramos que elLa regulación redox de la síntesis de ATP se logra mediante la interacción cooperativa de dos dominios de subunidades γ de CFoCF1 que son exclusivos de los organismos fotosintéticos. [Énfasis añadido.]

La figura 6 del artículo (reproducida por Phys.org) muestra cómo los dos dominios actúan como un tope:

La conformación apretada debilita la interacción entre el bucle redox y la horquilla β. En consecuencia, la horquilla β permanece atrapada en la cavidad entre la subunidad α y β,como un tope, e inhibe la rotación del tallo central (anillo γεc). En una forma reducida, el bucle redoxrecupera la flexibilidad para interactuar con la horquilla β. El bucle redox interactúapara sacar la horquilla β de la cavidad y así acelerar el tallo central, como un regulador cooperativo.

Otro equipo japonés, este de la Universidad de Tokio, observó más de cerca la "permanencia catalítica" en el dominio F1 del motor ATP sintasa donde el ADP se convierte en ATP con la adición de un fosfato. El dominio F1 tiene 3 pares de subunidades α, β dispuestas como pétalos de una flor, cada par en una fase diferente de actividad: inserción de ingredientes, catálisis y eyección de ATP. La subunidad γ, como un árbol de levas, activa cada par α, β a su vez a medida que gira 360°. Dividiendo por tres, cada par α, β siente la fuerza del árbol de levas durante la etapa de catálisis (ADP + P produciendo ATP) dentro de 120° en cada giro completo del cigüeñal. En otras ocasiones, la pareja recibe los ingredientes o expulsa el ATP terminado. Cuando funciona en reversa, el motor F1 se convierte en un cortador de ATP, hidrolizando ATP para producir ADP y P, expulsando protones en el proceso. Entonces, en la hidrólisis, el ATP se convierte en el combustible para hacer que el motor funcione en reversa.

Durante el funcionamiento normal, el motor cataliza ATP. Los biofísicos han sospechado durante mucho tiempo que el árbol de levas (la subunidad γ) ejerce presión sobre el ADP y el P entrantes para unirlos. Si 0° representa el momento en que se cataliza el ATP, estudios previos han encontrado una etapa de pausa corta a 80° y una permanencia más larga en los 40° posteriores de rotación, lo que representa el "esquema de acoplamiento quimiomecánico", como lo llama su artículo.

Sin embargo, en la reacción inversa, el ángulo de ruptura del ATP no estaba claro. El equipo creó una ATP sintasa híbrida que funcionaba extremadamente lentamente para que pudieran observar "el motor de molécula biológica rotatorio más pequeño del mundo" funcionando en reversa. Su híbrido les permitió medir el ángulo en el que se produce la escisión de ATP.

Como resultado, el nuevo F1 híbrido mostró dos ángulos de pausa separados por 200°. Son atribuibles ados pasos de reacción lentos en el β mutado, proporcionando así la evidencia directa de que la escisión del ATP se produce a 200° en lugar de a 80° después de la unión del ATP a 0°. Este escenario resuelve el problema no aclarado de larga data en el esquema de acoplamiento quimiomecánico y brinda información sobre elmecanismo de accionamiento de rotación unidireccional.

Consulte el "Resumen gráfico" en el documento que ilustra esta "permanencia extremadamente larga" que midieron. El hallazgo revela que en ambas direcciones, la ATP sintasa está finamente ajustada para su trabajo. La dirección inversa (hidrólisis) no es como un motor que pierde combustible. Sus partes actúan con precisión para escindir ATP de una manera específica.

Hay un primo de la ATP sintasa. Es una bomba de protones llamada V-ATPasa (trifosfatasa de adenosina de tipo vacuolar), y sus partes catalíticas están etiquetadas como V1Vo en lugar de F1Fo. Al igual que su contraparte, la V-ATPasa funciona con una acción rotatoria pero gasta ATP para bombear protones a los orgánulos. Su trabajo es acidificar vacuolas y otros orgánulos o compartimentos intracelulares que necesitan un pH más bajo para funcionar. La parte Vo bombea los protones (iones H+) hacia la vacuola, aumentando su acidez. Un poco de reflexión muestra que tal motor podría ser peligroso. ¿Le gustaría que un motor generador de ácido se soltara?

Los científicos de un hospital de Toronto, publicando en PNAS, tenían curiosidad por descubrir cómo se construyen estas bombas de ácido sin causar daño a la célula. El complejo Vo se ensambla en el retículo endoplásmico (ER) y luego se transporta al aparato de Golgi para combinarse con V1. ¿Qué mecanismo de control de calidad mantiene los dominios inactivos hasta que estén completamente ensamblados y listos para la acción?

Usando microscopía crioelectrónica, el equipo obtuvo imágenes de tres proteínas (Vma12p, Vma22p y Vma21p) que deben trabajar juntas para lograr el control de calidad para el manejo seguro de las bombas de ácido durante el ensamblaje. "Las estructuras resultantes", encontraron, "muestran cómouna secuencia de interacciones coordinadasy los cambios conformacionales aseguran quesolo correctamente ensambladoVo sale de la sala de emergencias y se evita el bombeo de protones hacia la sala de emergencias neutra". ¡Derramar ácido en la sala de emergencias podría ser malo! "Como era de esperar", comentan, "debido a su importancia para el ensamblaje de Vo, las mutaciones en los homólogos humanos de Vma12p, Vma22p, y Vma21p se han relacionado con enfermedades". Entonces, ¿cómo estas tres proteínas esenciales realizan el control de calidad? ¿Realmente quiere saberlo?

Las estructuras descritas anteriormente sugierenla secuencia de eventos que ocurren durante el ensamblaje de Vo en la membrana del RE y la posterior unión de V1 en el aparato de Golgi…. El anillo c se ensambla alrededor de Voa1p, con la unión de la subunidad d al anillo c8c′c″Voa1p enmascarando el motivo de recuperación de ER de Voa1p. La estructura Vo∆aef:Vma12-22p indica que el complejo Vma12-22p se une a este anillo completamente ensambladoantes de la interacción con las subunidades a, e y f (Fig. 4A). Vma12-22payuda a reclutar y asegurar la interacciónde la subunidad a con el anillo c a través de la interacción de Vma12p con las subunidades a y d….

BIEN BIEN. ¡Baste con decir que se lleva a cabo un conjunto complicado de interacciones para garantizar que el ensamblaje de V-ATPase sea seguro! Los bioquímicos pueden desear trabajar a través de los detalles. Afortunadamente, los autores proporcionaron diagramas y animaciones para ilustrar la dinámica de todas estas partes en funcionamiento. Tenga en cuenta su oración final: "Es importante destacar que las estructuras ilustran cómo Vma21p y Vma12-22p juegan un papel central tanto en el ensamblaje de V-ATPasa como en el control de calidad".

Control de calidad: es un concepto de ingeniería que impregna estos tres estudios. Sin control de calidad, estos motores rotativos nanoscópicos, de los que depende toda la vida, nunca durarían; de hecho, nunca emergerían en primer lugar. El control de calidad pertenece al vocabulario de trabajo del diseño y la ingeniería inteligentes. No se encuentra en el diccionario de Darwin.