O heme é uma parte essencial da proteína hemoglobina, que dá a cor do sangue humano de vermelho. O heme também é crucial para as proteínas do citocromo, que alimentam a célula. Humanos, animais, plantas e bactérias usam heme.
A hemoglobina transporta oxigênio para os tecidos onde é necessário, enquanto os citocromos carregam elétrons para a conversão de energia na célula. Mas entender como o heme se move através das membranas – como é necessário, para se inserir na hemoglobina e nos citocromos – tem sido um desafio. O transporte do heme é transitório, o que significa que o heme se move através das membranas rapidamente e não deixa rastros. E as proteínas da membrana que se ligam ao heme são difíceis de purificar em grandes quantidades.
Em pesquisa publicada em 20 de dezembro na Nature Chemical Biology, cientistas da Washington University em St. Louis descreveram pela primeira vez a estrutura de uma proteína bifuncional, chamada CcsBA, que transporta o heme e o liga aos citocromos. O estudo liderado por Robert Kranz, professor de biologia em Artes e Ciências, capturou dois estados conformacionais de CcsBA, uma proteína bacteriana e cloroplástica, permitindo aos cientistas caracterizar o mecanismo enzimático.
“Este novo artigo aborda a base estrutural de como a máquina CcsBA funciona, revelando as principais mudanças dinâmicas que ocorrem durante o ciclo de transporte do heme”, disse Kranz.
O estudo foi possível graças à colaboração de James Fitzpatrick, diretor do Washington University Center for Cellular Imaging (WUCCI) na Escola de Medicina e professor de neurociência, biologia celular e fisiologia e engenharia biomédica, e Michael Rau, um cientista da equipe e biólogo estrutural em sua equipe. Eles alavancaram uma técnica de biologia estrutural de ponta chamada média de partícula única, que utilizou um microscópio crioeletrônico de última geração (cryo-EM) para visualizar diferentes visualizações da proteína em seu estado nativamente vitrificado (congelado). Depois de classificar todas as diferentes visualizações, eles foram capazes de construir mapas de densidade crio-EM – que são representações tridimensionais da proteína construída a partir de uma série de projeções bidimensionais de várias visualizações – a partir dos quais a equipe de Kranz poderia construir um modelo atômico da estrutura do CcsBA.
“Cryo-EM é uma tecnologia transformadora que nos permite visualizar em nível quase atômico o arranjo estrutural de uma determinada proteína, incluindo a capacidade de separar diferentes conformações de um conjunto de estados”, disse Fitzpatrick. “Essa última habilidade foi a chave para nos permitir capturar o mecanismo de transporte do heme.”
Os dados cyro-EM identificaram dois estados nos quais uma ou duas moléculas heme estavam ligadas.
“Os modelos estruturais que fomos capazes de construir ilustram que o CcsBA está preso ao heme em duas conformações diferentes, que chamamos de estado aberto e fechado”, disse Kranz. “Este novo corpo de trabalho aborda a base estrutural pela qual a máquina CcsBA funciona, revelando uma importante mudança dinâmica que ocorre durante o ciclo de transporte.
“Uma das descobertas mais legais é que uma grande câmara se abre após o transporte do heme”, disse ele. A câmara é para a síntese do citocromo c.
Co-primeira autora Deanna L. Mendez, uma cientista de pós-doutorado em biologia, foi co-autora de um estudo com Kranz na eLIFE sobre a reconstituição das sintases bacterianas e humanas purificadas do heme. CcsBA é diferente da forma humana do transportador de heme / citocromo c sintase. Os conhecimentos obtidos através da identificação de suas estruturas dão aos pesquisadores uma vantagem no desenvolvimento de agentes antimicrobianos que irão alvejar seletivamente as bactérias.
“No CcsBA, observamos um caminho claro entre as hélices alfa transmembrana que podem permitir que o heme se desloque do local transmembrana-heme para o local externo do heme”, disse Mendez. “Como o heme diminui seu gradiente de concentração durante a exportação, não prevemos uma necessidade de fonte de energia para esse processo.”
O co-autor Ethan Lowder é sênior na Washington University e trabalhou neste projeto por dois anos.
“Resolver uma nova estrutura de uma proteína é muito difícil”, disse Lowder. “Neste caso, não havia estruturas semelhantes nas quais pudéssemos confiar como modelo ou ponto de partida. Foi definitivamente um desafio, mas trabalhamos todo o caminho até chegar às estruturas finais.”
O segundo autor, Dustin Tillman, que era graduando na Universidade de Washington quando concluiu este trabalho, foi fundamental para purificar o CcsBA. Ele fez parceria com a equipe WUCCI para otimizar a preparação da amostra para os estudos de crio-EM de partícula única. “Dustin também realizou ensaios de reconstituição em suas preparações purificadas para mostrar que eram sintases ativas”, disse Kranz.
“Sou grato pelas contribuições e envolvimento de nossos talentosos pesquisadores de graduação nesta pesquisa apoiada pelo NIH”, disse Kranz. “Este estudo é o culminar de mais de três décadas em que nosso laboratório estudou transporte de heme e montagem de citocromo, por isso é satisfatório saber a base estrutural de ambos. Isso levará a mais experimentos sobre os mecanismos de abertura da câmara, transporte e a reação sintase na câmara. ”
Publicado em 21/12/2021 05h07
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