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la microscopia del Cryo-electrón revela cómo la proteína de transporte trabaja muy eficientemente

La estructura de un complejo del transporte usado por las bacterias para importar el aspartato ha sido correlacionada en detalle único por la universidad de los científicos de Groninga. Las proteínas eran reflejadas usando microscopia del cryo-electrón. Los resultados revelan que el transportador trabaja muy eficientemente. Esto es especialmente tan interesante que un transportador similar es vital para la transducción de la señal entre las neuronas humanas. Los resultados del estudio fueron publicados en comunicaciones de la naturaleza el 21 de febrero.

Las células utilizan una miríada de las proteínas de transporte para ir y substancias a través de sus membranas: se importan la comida y los bloques huecos, las toxinas y se exporta el otro desecho. Un ejemplo es el transportador del aspartato, que las bacterias utilizan para importar este aminoácido. El grupo de investigación de la enzimología de la membrana llevado por profesor Dirk Slotboom y el grupo estructural de la biología llevado por el Dr. Albert Guskov en el instituto de Groninga para las ciencias y la biotecnología biomoleculares han estudiado este transportador por varios años, en parte porque es un buen modelo para el transportador humano que quita el glutamato del neurotransmisor de la hendidura sináptica, un paso vital en el trabajo de nuestras neuronas.

Fuerza ascensional de mercancías

El transportador del aspartato en membranas bacterianas es un trímero, así que significa que tres unidades idénticas están ligadas apretado para formar un complejo. El aspartato se toma del ambiente, se transporta a través de la membrana celular y se libera en el interior de la célula. Tres iones del sodio por unidad mueven por motor esta transición, que se puede comparar a una fuerza ascensional de mercancías: los iones del aspartato y del sodio atan a la parte de la proteína de transporte, que entonces incorpora la célula. Después de entregar el aspartato, sale otra vez.

“Correlacionamos previamente la estructura del complejo con el aspartato usando la cristalografía de la radiografía,” explicamos Slotboom. Estos estudios mostraron que las tres fuerza ascensionales en el complejo estaban siempre en la misma posición. “Sin embargo, las pruebas bioquímicas sugirieron que puede ser que trabajen independientemente de otra.” Por eso él decidía estudiar el complejo del transporte en un ambiente más nativo, dentro de una membrana. Esto fue hecha usando la microscopia del cryo-electrón, un método para crear imágenes de los complejos de la proteína.

Preguntas

Las proteínas fueron insertadas en los pequeños remiendos de los bilayers del lípido, guardados juntos por un cinturón de la proteína. Estos nanodiscs del lípido fueron congelados y estudiados rápidamente en un microscopio del cryo-electrón. Combinando un gran número de imágenes, el complejo del transporte era reflejado en una resolución de 3.2-3.5 angstromes.

Qué vimos era muy diferente de las estructuras obtenidas con cristalografía de la radiografía: en la mayoría de los complejos, las fuerza ascensionales estaban en diversas posiciones, constantes con los movimientos independientes.”

Valentina Arkhipova, investigador postdoctoral en el grupo de Slotboom y primer autor del papel

Esto plantea la cuestión de porqué la proteína formaría un complejo trímero. Arkhipova: “La pieza de la ascensional de cada unidad requiere el apoyo moverse a través de la membrana. Una única fuerza ascensional anclada dentro de la membrana pudo comenzar a tambalearse. Pero tres fuerza ascensionales con las anclas conectadas forman una estructura estable.”

Fuga

Otra posibilidad es que la pieza del ancla del trímero hace la membrana alrededor de ella un poco diluente y el menos rígido, que hace más fácil para que la fuerza ascensional pase a través. “Un monómero tendría solamente este efecto sobre un lado, que es enérgico menos ventajoso,” explica Slotboom. De hecho, estudios de los nanodiscs del lípido que contienen doblar complejo de la demostración del transporte del bilayer.

Las estructuras también ofrecen una indicación de cómo el sistema de transporte previene el fuga del sodio. Slotboom: “La fuerza ascensional tiene una clase de puerta que, cuando está abierto, resalta y evita que la fuerza ascensional se mueva.” El proceso de transporte primero requiere que dos iones del sodio incorporen la fuerza ascensional. Negativo - el aspartato cargado puede entonces atar dentro, que permite a un tercer ión del sodio entrar y atar a la puerta, cerrándola. Es por lo tanto imposible que la fuerza ascensional transporte solamente el sodio, que disiparía el gradiente del sodio a través de la membrana que impulsa el transporte.

Cerebros

“Hace el sistema muy eficiente”, dice Slotboom. Para las bacterias, esta eficiencia puede ser solamente una pequeña ventaja evolutiva selectiva. Sin embargo, para el transportador análogo del glutamato en nuestros cerebros, es vital. El glutamato es excretado por las células nerviosas en la hendidura sináptica, donde excita la neurona adyacente. Después de la excitación, tiene que ser quitado muy de manera rápida y eficiente para reducir ruido en la transmisión de la señal. Slotboom: “Para este sistema, es vital que no haya fuga.”

Source:
Journal reference:

Arkhipova, V., et al. (2020)  Structural ensemble of a glutamate transporter homologue in lipid nanodisc environment. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-020-14834-8.