Filas de ATP sintasa tal como se formarían en las crestas de las membranas mitocondriales. El ATP, ADP y lípidos se muestran en colores brillantes. Crédito: Gergely Pinke / IST Austria
Primera estructura completa de la ATP-sintasa F1Fo de mamífero.
La ATP sintasa también se conoce como complejo V de la cadena respiratoria, una serie de complejos de proteínas en la membrana de las mitocondrias. Esta cadena respiratoria crea un gradiente de protones, que la ATP sintasa utiliza para producir ATP. Anteriormente, Sazanov fue el primero en resolver la estructura de la proteína del complejo bacteriano I, y el primero en resolver la estructura de un complejo de mamíferos I.En el nuevo estudio, Sazanov y los miembros del laboratorio Gergely Pinke y Long Zhou recurrieron al complejo de mamíferos V, el estructura final sin resolver en la cadena respiratoria de los mamíferos. “La F1Fo-ATP sintasa es una de las enzimas más importantes de la Tierra. Proporciona energía a la mayoría de las formas de vida, incluidos los humanos, pero hasta ahora no sabíamos completamente cómo funciona ”, explica Sazanov.
La rotación enturbia la imagen
Como ya se conoce la estructura del dominio soluble F1 similar a un hongo, Sazanov y su equipo observaron particularmente el dominio Fo, incrustado en la membrana mitocondrial. Aquí, los protones se translocan en la interfaz entre el llamado anillo c, un anillo formado por subunidades de proteínas idénticas, y el resto de Fo. Los protones se mueven a través de la membrana cuando cada subunidad c toma un protón en un lado de la membrana, gira con el anillo y libera el protón en el otro lado. Este anillo en C está unido al eje central de F1 y su rotación genera ATP dentro de F1. Para resolver la estructura del dominio Fo y todo el complejo, los investigadores estudiaron la enzima de las mitocondrias de oveja utilizando microscopía crioelectrónica. Y aquí, la ATP sintasa plantea un problema especial: debido a que gira, la ATP sintasa puede detenerse en tres posiciones principales, así como en subestados. “Es muy difícil distinguir entre estas posiciones, atribuyendo una estructura a cada posición que puede tomar la ATP sintasa. Pero logramos resolver esto computacionalmente para construir la primera estructura completa de la enzima ”, agrega Sazanov.
Ubicación del poro de transición de permeabilidad encontrado
En su estructura de alta resolución de Fo, los investigadores encontraron que el anillo C está obstruido por dos lípidos, uno de cada lado de la membrana. Mientras que el lípido superior (hacia F1) gira junto con el eje, el lípido inferior no gira, ya que probablemente esté conectado al dominio Fo a través de un “aparato de gancho”.
Esta estructura recién descubierta arroja luz sobre una controversia en biología: cómo y dónde se abre el llamado poro de transición de permeabilidad. Este poro está relacionado con la muerte celular y se abre, por ejemplo, durante accidentes cerebrovasculares y ataques cardíacos. Hasta ahora, se sabía que los poros se forman en las mitocondrias en respuesta a los altos niveles de calcio, pero la ubicación exacta del poro sigue siendo desconocida. Ahora, utilizando la estructura completamente resuelta de F1Fo, Sazanov y su grupo pueden describir cómo se forma el poro en la F1Fo-ATP sintasa: cuando el calcio se une a la subunidad F1, se induce un gran cambio conformacional. El complejo tiene que adaptarse a este cambio y, al hacerlo, tira del aparato de gancho. El aparato, a su vez, extrae el tapón de lípidos en el lado inferior del Fo, iniciando la apertura de los poros. “Cuando el poro está abierto durante un período de tiempo más largo, el anillo C se desestabiliza y la formación de poros se vuelve irreversible”, explica Sazanov. “Este modelo es consistente con todos los datos disponibles de mutantes. Para estar completamente seguro de que así es como se forma el poro de transición de permeabilidad, sería necesario resolver la estructura de la ATP sintasa durante las transiciones inducidas por el calcio, lo que estamos haciendo ahora “.
Referencia: “Estructura crio-EM de toda la ATP sintasa de tipo F de mamíferos” por Gergely Pinke, Long Zhou y Leonid A. Sazanov, 14 de septiembre de 2020, Naturaleza Biología Molecular y Estructural.
DOI: 10.1038 / s41594-020-0503-8
