Science: revelando estructuralmente el mecanismo metabólico energético de Mycobacterium

En un nuevo estudio, el académico zihe rao, el investigador Quan wang, el investigador Fei Sun y sus colegas del Instituto de biofísica de la Academia China de Ciencias aislaron el supercomplejo de la cadena respiratoria de Mycobacterium smegmatis y observaron visualmente su estructura tridimensional a una resolución de 3,5. Esta bacteria está estrechamente relacionada con Mycobacterium tuberculosis y es una especie utilizada para estudiar muchosbacteriaModelo endémico de especies. Esta estructura detallada revela cómo los electrones se transmiten dentro de la célula en un proceso que hasta ahora no se había observado. Los resultados de la investigación fueron publicados en línea en la revista Science el 25 de octubre de 2018, y el trabajo se titula "an Electronic Transfer PATH connects subconects of a mycocobacterial Responsibility supercomplex".

En general, durante la respiración celular, la oxidación de las fuentes energéticas (azúcares, ácidos grasos y aminoácidos) se acopla a la reducción de los receptores electrónicos (oxígeno, azufre, nitratos y sulfatos), de los que se puede obtener energía química para sintetizar el trifosfato de adenosina (atp) e impulsar la respuesta celular. En la respiración celular aeróbica, esta energía química se produce cuando el donante de electrones se transmite al receptor de electrones finales a través de la cadena de transporte de electrones (etc), produciendo un gradiente de protones transmembranosos llamado Proton motive Force (pmf), que impulsa la síntesis de atp. En este nuevo estudio, estos investigadores han desvelado la existencia de una correlación directa entre la transmisión electrónica entre las enzimas, lo que representa un nuevo patrón de catálisis de la cadena respiratoria.

Imagen de science, doi: 10.1126 / science.aat8923.

Las Quinonas y los citocromos son dos tipos de electrones en la cadena de transmisión electrónicaPortadorPara la transmisión de electrones entre estructuras macromoleculares más grandes incrustadas en la membrana. Cuatro oxidoreductasas de membrana participan en la transmisión electrónica de la cadena respiratoria mitocondrial. Incluyen el complejo I (nadh: panquina oxireductasa, ci), el complejo II (ácido succínico: panquina oxireductasa, cii), el complejo III (panalcohol bc1; El citocromo c oxidoreductasa, tipo bc1 ciii) y el complejo IV (citocromo C - Oxigenasa tipo aa3, tipo aa3 civ). Funcionalmente, el complejo ciii es capaz de oxidar el pan - alcohol en pan - Quinona y pasar los electrones al citocromo c soluble. los electrones se transmiten luego al complejo civ, donde el oxígeno se reduce al agua. El pmf de membrana cruzada se produce a través del bombeo de protones en los complejos ci, ciii y Civ.

En la cadena respiratoria de los procariotas, la situación es más complicada. Debido a esta complejidad, aún no se ha determinado la vía completa de transmisión electrónica en las células de los procariotas. Por lo tanto, es necesario conocer la participaciónbacteriaEstructura completa de un supercomplejo de cadena respiratoria transmitido por electrones. En este nuevo estudio, estos investigadores extrajeron y purificaron este supercomplejo de la cadena respiratoria de Mycobacterium smegmatis y utilizaron técnicas de microscopía electrónica criogénica para visualizar su estructura a una resolución de 3,5. Esta estructura proporciona ideas importantes para revelar el mecanismo de transmisión directa de electrones en este supercomplejo de cadena respiratoria. Este supercomplejo de cadena respiratoria tiene un tamaño dentro del rango de 200 × 70 × 120 y existe en una estructura lineal simétrica que * es diferente del supercomplejo de cadena respiratoria reportado anteriormente. En términos de composición, los dímeros lineales civ1 - ciii2 - civ1 están tan dispuestos que un solo complejo civ1 se encuentra a ambos lados del complejo ciii2 Dímero en el centro. Esta información revela una correlación directa entre las enzimas durante la transmisión electrónica, lo que representa un nuevo patrón de catálisis de la cadena respiratoria. Este descubrimiento estructural detallado tiene el potencial de ayudar en el descubrimiento de medicamentos contra mycobacterium.

Durante los experimentos de cultivo de células bacterianas, estos investigadores utilizaron mutantes de Mycobacterium estigmatitis resistentes al peróxido de hidrógeno similares a Mycobacterium tuberculosis. Estas células bacterianas se cultivan y luego se aíslan sus membranas celulares siguiendo el método descrito anteriormente (microbiology, 2006, 152: 823 - 829, doi: 10.1099 / mick.0.28723 - 0). Después de que las células bacterianas fueron cultivadas, recogidas y lisadas, sus membranas celulares se precipitaron y luego se extrajeron supercomplejos de la cadena respiratoria en las membranas celulares. Posteriormente describieron las características de este supercomplejo de la cadena respiratoria utilizando métodos espectrales, espectrometría de masas y métodos de teñido de 3,3 '- diaminobifenilamina (dab). Para identificar el Grupo de hemoglobina hemorrágica, siguieron el método anterior (journal of Biological chemisty, 2015, doi: 10.1074 / jbc.m114.624312) y analizaron parte de la muestra seleccionada registrando espectros antes y después de la reducción del disulfato. Utilizan espectrometría de masas natural para analizar muestras purificadas de supercomplejos de la cadena respiratoria para estudiar su estructura y utilizan los establecidos previamente.Métodos experimentalesSe analizan los componentes estructurales individuales en este supercomplejo de cadena respiratoria.

Durante el análisis de microscopía electrónica criogénica, estos investigadores utilizaron acetato de dioxano de uranio (1%, W / v) para teñir negativamente una muestra de supercomplejo de la cadena respiratoria de Mycobacterium smegmatis con una concentración de 5 μl de 0,05 mg / ml, seguida de imágenes tomadas en un microscopio Fei tecnai spirit que funcionaba a 120 kV para la construcción del modelo estructural inicial. Reconstruyeron la estructura de baja resolución de este supercomplejo de cadena respiratoria procesando 53 imágenes microscópicas de muestras de supercomplejo de cadena respiratoria teñidas negativamente. Para * reconstruir la estructura de este supercomplejo de cadena respiratoria, seleccionaron manualmente 7.600 de las 8.200 imágenes originales durante el procesamiento de imágenes de microscopía crioelectrónica. Todas las imágenes del estudio fueron construidas con pymol o UCSF chimera.

Estos investigadores revelaron la estructura de la microscopía electrónica a baja temperatura del supercomplejo de la cadena respiratoria ciii - CIV de Mycobacterium smegmatis. El rango de las vías de transmisión electrónica dentro de este supercomplejo de cadena respiratoria va desde la oxidación del alcohol Quinona (quinol) en el complejo ciii hasta la reducción de oxígeno en el complejo Civ. Estos resultados muestran un nuevo mecanismo de transmisión de electrones bifurcados que garantiza la conversión de energía completando el ciclo de Quinona (ciclo q, es decir, el movimiento neto de protones a través de la bilayer lipídica). La Superóxido dismutasa (sod) participa directamente en el ensamblaje de este supercomplejo de la cadena respiratoria, que puede protegerlo del daño oxidativo del oxígeno activo (ros). La distribución de los sitios de unión a la Quinona también proporciona un marco para el desarrollo futuro de antimicrobianos basados es en estructuras. (valle biológico)

Referencias:

Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu et al. Una ruta de transferencia de electrones conecta subunidades de un supercomplejo respiratorio micobacteriano. Ciencia, Publicado en línea: 25 oct 2018, doi:10.1126/science.aat8923.