Un estudi liderat per l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) revela que els protons i les espècies reactives d’oxigen són mitjancers en el transport de càrrega a llarga distància en la cadena respiratòria mitocondrial, un procés fonamental en la respiració cel·lular dels organismes. Comprendre aquests mecanismes és clau, ja que els mitocondris actuen com la central energètica de totes les cèl·lules i la seva alteració s’associa a nombroses malalties.
Investigadors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) i el CIBER-BBN, en col·laboració amb equips de la Universitat de Barcelona (UB) i de l’Instituto de Investigaciones Químicas – cicCartuja, del CSIC i de la Universitat de Sevilla, han descobert que el transport de càrrega a llarga distància entre dues proteïnes clau de la cadena respiratòria mitocondrial —el citocrom c i el complex respiratori III— té com a mitjancers els protons i l’ió superòxid, una espècie reactiva d’oxigen. L’estudi, publicat recentment a la revista Small, ha estat liderat per Pau Gorostiza, professor de recerca ICREA i cap del grup de Nanosondes i Nanocommutadors de l’IBEC, amb Anna Lagunas, investigadora sènior del grup de Nanobioenginyeria del mateix centre, com a primera autora. Tots dos són també membres del CIBER-BBN.
Entendre aquests mecanismes bàsics és essencial, perquè els mitocondris són la central energètica de les cèl·lules i la seva disfunció està relacionada amb moltes malalties.
Anna Lagunas
Tot i que es tracta d’una recerca fonamental, l’impacte d’aquest treball és doble: per una banda, ajuda a entendre millor la regulació de la respiració cel·lular i, per l’altra, podria inspirar noves aplicacions en camps emergents. «Entendre aquests mecanismes bàsics és essencial, perquè els mitocondris són la central energètica de les cèl·lules i la seva disfunció està relacionada amb moltes malalties» detalla Lagunas. «A més, aquesta troballa podria inspirar el desenvolupament de nous dispositius protònics, equivalents als electrònics però que funcionen amb càrrega positiva», afegeix Gorostiza.
Aquest treball culmina una línia de recerca que tots aquests equips porten desenvolupant en col·laboració des de fa anys i de la qual el 2018 es van publicar els primers resultats, quan els investigadors van demostrar per primer cop que dues proteïnes podien transferir electrons a distàncies sorprenentment llargues a través d’una solució aquosa, sense necessitat de formar un complex estable. Posteriorment, el 2022, es va publicar un segon estudi que va revelar com la fosforilació regula aquest procés i la seva rellevància en la senyalització cel·lular. El nou article completa aquesta “trilogia”, en paraules de Pau Gorostiza: «Són tres peces d’una mateixa història. Aquest capítol de la sèrie deixa obertes algunes preguntes intrigants però ens dona una perspectiva molt més àmplia sobre com pot funcionar aquest mecanisme fonamental».
A questa troballa podria inspirar el desenvolupament de nous dispositius protònics, equivalents als electrònics però que funcionen amb càrrega positiva.
Pau Gorostiza
Encara que el transport d’electrons dins d’una mateixa proteïna o complex s’ha estudiat amb detall amb tècniques estructurals i funcionals, la transferència entre proteïnes encara guarda alguns misteris. Això es deu a la presència del solvent aquós i al caràcter dinàmic i transitori tant de la interacció molecular entre les proteïnes com de l’esdeveniment de transferència electrònica en si. Precisament, el nou treball de l’IBEC aborda aquest repte amb tècniques nanomètriques i de proteïnes individuals i permet observar un procés fonamental que fins ara havia estat molt difícil d’investigar amb tècniques macroscòpiques.
El paper fonamental dels protons
Per descobrir qui és el mediador d’aquest transport electrònic a llarga distància a través de l’aigua, l’equip va dur a terme diversos experiments. En primer lloc, van variar l’acidesa (és a dir, la concentració de protons) de la solució dins d’uns marges compatibles amb l’estabilitat de les proteïnes i van observar que el transport era més eficient en condicions lleugerament àcides (amb més protons). A continuació, van substituir el medi habitual per aigua pesant —una variant de l’aigua en què els àtoms d’hidrogen estan substituïts per deuteri, una forma més pesada d’aquest element—i van comprovar que el deuteri dificultava el procés. Ambdós resultats apunten al paper essencial dels protons en el transport de càrrega. Finalment, van repetir les mesures en solucions amb diferents concentracions d’oxigen dissolt i van constatar que l’absència d’oxigen escurçava la distància de transport entre les proteïnes.
Com explica Lagunas: «Aquests resultats ens indiquen que els protons i l’oxigen tenen un paper central en aquest mecanisme. Tot apunta a un procés de transferència d’electrons acoblada a protons (proton-coupled electron transfer o PCET), on el bescanvi d’un electró està íntimament lligat al d’un protó, i que podria implicar mecanismes de transport de protons com el de Grotthuss, en què cadenes de molècules d’aigua es passen el protó com si es donessin la mà».
Els investigadors també suggereixen que l’anió superòxid, una espècie reactiva d’oxigen que es produeix de manera natural al complex III i és relativament estable, també podria actuar com mitjancer en aquest procés.
Des d’una perspectiva biològica, els professors Irene Díaz-Moreno i Miguel A. De la Rosa subratllen la rellevància d’aquesta troballa. Recorden que «l’eficiència de la respiració mitocondrial determina directament la capacitat de la cèl·lula per a produir ATP, la “moneda energètica” que sosté tots els processos vitals. En un entorn cel·lular congestionat (“crowding”), optimitzar la transferència d’electrons resulta essencial per a aprofitar al màxim l’energia disponible, evitant pèrdues i reduint la producció descontrolada d’espècies reactives d’oxigen. Per això, comprendre com protons i superòxid mitjançaven la transferència a llarga distància no només amplia el coneixement bàsic, sinó que també ofereix claus per entendre com es regula l’eficiència energètica cel·lular i què ocorre quan aquest procés s’altera en malalties metabòliques i degeneratives».
Article de referència:
Anna Lagunas, Alexandre M. J. Gomila, Alba Nin-Hill, Alejandra Guerra-Castellano, Gonzalo Pérez-Mejías, Josep Samitier, Carme Rovira, Miguel A. De la Rosa, Irene Díaz-Moreno, Pau Gorostiza. Long-Distance Charge Transport between Cytochrome c and Complex III is Mediated by Protons and Reactive Oxygen Species. Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202501286
