Investigadors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) i del CIBER-BBN, han aconseguit obtenir una visió nanoscòpica de la transferència d’electrons que té lloc dins dels mitocondris, la qual cosa permet entendre millor el procés de regulació de la respiració cel·lular. El treball, liderat per les investigadores de l’IBEC Anna Lagunas i Marina I. Giannotti, s’ha publicat en la revista científica Nature Communications i obre noves possibilitats en la recerca d’aquesta important funció biològica.
Els mitocondris, coneguts com el motor de les cèl·lules pel seu paper en la producció d’energia, són orgànuls units a la membrana que es troben en gairebé totes les cèl·lules eucariotes (animals, plantes i fongs). La seva funció principal en les cèl·lules animals és convertir els nutrients en energia química, emmagatzemada en forma de molècules de trifosfat d’adenosina (ATP), a través de l’anomenada respiració cel·lular, que inclou un procés altament regulat de transport d’electrons entre proteïnes. A més d’aquesta funció, els mitocondris també són responsables d’altres funcions, com la inducció de la mort cel·lular en resposta a esdeveniments estressants. La disfunció dels mitocondris s’ha relacionat amb una sèrie de malalties, com la demència i les malalties cardíaques.
Un nou estudi liderat per l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) ha utilitzat tècniques nanoscòpiques d’avantguarda per a obtenir una visió sense precedents de la regulació del transport d’electrons entre les proteïnes que impulsen els processos mitocondrials. Aquest treball ha demostrat que la fosforilació, el procés mitjançant el qual s’afegeix un grup fosfato i que permet l’ajust de la funció de proteïnes, afecta també al transport d’electrons en la cadena respiratòria mitocondrial. A causa de l’important paper que exerceix aquest orgànul cel·lular tant en els estats de salut com de malaltia, aquest estudi és clau per a la comprensió de la funció d’aquesta estructura a nivell molecular.
L’estudi, publicat recentment en la revista Nature Communications, ha estat realitzat per Anna Lagunas, investigadora sènior del grup de Nanobioenginyeria de l’IBEC liderat per Josep Samitier, i Marina I. Giannotti, investigadora sènior del grup de Nanosondes i Nanocommutadors de l’IBEC liderat per Pau Gorostiza. Ambdues són investigadores del CIBBER-BBN. En aquest estudi també han contribuït els investigadors de l’IBEC Alexandre M. J. Gomila, Laura Casas-Ferrer i Sthefany Ortiz-Tescari, així com els equips de recerca de la Prof. Irene Díaz-Moreno de l’Institut de Recerques Químiques (IIQ-cicCartuja, Universitat de Sevilla-CSIC) i de la Prof. Carme Rovira de l’Institut de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona.
Regulació del transport d’electrons
La respiració cel·lular és el procés mitjançant el qual les cèl·lules converteixen els nutrients en energia química i alliberen productes de deixalla. Aquest procés té lloc mitjançant un conjunt de reaccions bioquímiques, algunes de les quals són reaccions redox, que impliquen la transferència d’electrons entre proteïnes. En els mitocondris, el citocrom c i el citocrom bc1 són dos de les proteïnes que participen en aquest procés. Un estudi anterior realitzat per Anna Lagunas i liderat per Pau Gorostiza de l’IBEC va demostrar que aquestes dues proteïnes poden transferir electrons a una certa distància a través d’un conducte de càrrega que s’estableix entre elles, la qual cosa implica que no és necessària la formació d’un complex fortament unit en el reconeixement molecular, permetent així mantenir l’especificitat en un procés que ha de ser altament eficient. “En aquest nou estudi, volíem comprendre millor com la fosforilació regula aquest procés”, comenta Giannotti.
Aquest treball combina l’anàlisi del transport d’electrons a nivell molecular amb la mesura de les forces d’interacció entre proteïnes, la qual cosa ha permès als investigadors comprendre millor els efectes de la fosforilació del citocrom c en la regulació molecular de la cadena respiratòria mitocondrial. S’ha descobert que la fosforilació altera el transport d’electrons bloquejant el conducte de càrrega i augmentant l’afinitat entre citocrom c i citocrom c1, la qual cosa donaria lloc a la formació de colls d’ampolla en el procés alentint el flux d’electrons en la cadena.
“La fosforilació del citocrom c exerceix un paper crucial en la regulació de la respiració mitocondrial i en el metabolisme cel·lular en general”, explica Lagunas.
“Nosaltres observem que, a causa de la fosforilació, el conducte de càrrega entre citocrom c i citocrom c1 es desorganitza i la interacció entre totes dues proteïnes es reforça i s’allunya de l’equilibri d’unió/desunió en les condicions de l’experiment. Això altera la via de difusió de les molècules de citocrom c, alentint el procés i afectant per tant el flux d’electrons en la cadena respiratòria, alentint la respiració mitocondrial”.
Encara que aquest estudi es va centrar en dues proteïnes específiques, el citocrom c i el citocrom c1, el mecanisme de regulació descobert podria aplicar-se a altres proteïnes involucrades en processos de transferència electrònica, així com a altres funcions biològiques i tipus de regulació mitjançant fosforilació. “Aquest és el primer estudi que mesura tant la força de la interacció com el transport de càrrega entre aquestes dues proteïnes aïllades; en combinar totes dues mesures, hem aconseguit una visió nanoscòpica de la interacció entre proteïnes en les cadenes de transport d’electrons i els seus mecanismes de regulació”, conclou Giannotti.
Reference article:
Alexandre M. J. Gomila, Gonzalo Pérez-Mejías, Alba Nin-Hill, Alejandra Guerra-Castellano, Laura Casas-Ferrer, Sthefany Ortiz-Tescari, Antonio Díaz-Quintana, Josep Samitier, Carme Rovira, Miguel A. De la Rosa, Irene Díaz-Moreno, Pau Gorostiza, Marina I. Giannotti & Anna Lagunas. Phosphorylation disrupts long-distance electron transport in cytochrome c. Nature Communications, volume 13, Article number: 7100 (2022)
