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domingo, 25 de junio de 2017

El enlace químico que equilibra la vida y la muerte de las células

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Con el láser de rayos X y el sincrotrón del SLAC, los científicos midieron exactamente cuánta energía hace falta para mantener el enlace químico crucial que desencadena la espiral de muerte de una célula.

Un láser óptico (verde) excita el sitio activo que contiene hierro de la proteína citocromo c, y luego un láser de rayos X (blanco) sondea el hierro de unos pocos femtoseconds a unos picosegundos más tarde. El enlace crítico de hierro-azufre se rompe a medida que el láser óptico calienta la proteína, y se vuelve a conectar a medida que el sistema se enfría. Crédito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Los cambios leves en la maquinaria de una célula determinan si vive o comienza un proceso natural conocido como la muerte programada de la célula. En muchas formas de vida --desde las bacterias a los humanos-- solo el enlace químico de una proteína llamada citocromo c puede hacer esta llamada. Mientras el enlace esté intacto, la proteína transfiere los electrones necesarios para producir energía a través de la respiración. Cuando el enlace se rompe, la proteína desencadena la ruptura de las mitocondrias, las estructuras que impulsan las actividades de la célula.

Por primera vez, los científicos han medido exactamente la cantidad de energía que le lleva a la proteína citocromo c mantener ese enlace en un estado lo suficientemente fuerte como para soportarlo y, a la vez, lo suficientemente fácil de romper cuando la vida de la célula termina.

Utilizaron rayos X intensos de dos instalaciones, el láser de rayos X del Linac Coherent Light Source (LCLS) y la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía. La colaboración, dirigida por Edward Solomon, profesor de química en la Universidad de Stanford y el dispositivo del SLAC, publicaron sus resultados en Science.
«Este es un proceso muy general, pero extremadamente importante en bioquímica, y con la ayuda del láser de rayos X ahora tenemos una mejor idea de cómo funciona esta regulación", señala Roberto Alonso-Mori, científico del LCLS y coautor del estudio. "Estos son procesos que se repiten un millón de veces en nuestros cuerpos y en todas partes donde hay vida.»
El estudio marca la primera vez que alguien ha sido capaz de cuantificar experimentalmente cómo la estructura rígida de la molécula del citocromo c apoya este vínculo crucial entre el hierro y los átomos de azufre, en lo que se conoce como un estado entático, donde la proteína mantiene un vínculo lo suficiente fuerte para realizar sus dos trabajos, dice Michael Mara, autor principal del estudio y ex-investigador postdoctoral de la Universidad de Stanford, ahora en la Universidad de California, Berkeley.
«Esto era importante, ya que habíamos demostrado que el enlace es débil y no debería estar presente a temperatura ambiente en ausencia de restricciones de proteínas», dice Solomon. «Sin embargo, la proteína es capaz de aportar energía para mantener intacto este enlace para la transferencia de electrones. Con este experimento de LCLS, se determinó exactamente cuánta energía le restaba a la proteína para mantener el enlace: alrededor de 4 kcal/mol que se deriva de un red de enlaces de hidrógeno adyacentes

«Pudimos demostrar cómo la naturaleza ajusta este sistema para cambiar las propiedades a un nivel fundamental y realizar dos funciones muy diferentes», añadió Mara. «La contribución energética de la citocromo c está realmente en un punto dulce, me hace preguntarme qué tipo de efectos similares se pueden ver en otros sistemas de proteínas, y nos permite visualizar nuevos y excitantes avances en el horizonte.»
Cambios ultrarrápidos

La citocromo c está presente en una amplia gama de formas de vida y contribuye tanto a la respiración celular como a la muerte celular programada, el final natural del ciclo de vida de una célula. Hasta qué punto el estado del vínculo se relaciona con estas dos funciones aún no se había demostrado o cuantificado.

Los científicos sabían por estudios anteriores que la clave era un enlace de hierro-azufre. Cuando el hierro de la proteína se une al contenido de azufre de uno de los bloques de construcción de aminoácidos de la proteína, la citocromo c participa en la transferencia de electrones. Mediante la transferencia de electrones, la proteína ayuda a generar la energía necesaria para los procesos biológicos que mantienen la vida.

Pero cuando la citocromo c encuentra cardiolipina, un lípido presente en la membrana de las mitocondrias celulares, el enlace hierro-azufre se rompe, y la proteína se convierte en una enzima que crea una serie de agujeros en la membrana externa de la mitocondria, el primer paso para la muerte celular programada.

Estos cambios ocurren increíblemente rápidos, en menos de 20 picosegundos, por lo que el experimento requiere de pulsos ultrarrápidos de rayos X generados por LCLS para tomar instantáneas del proceso.
«Nosotros fotoexcitamos los átomos de hierro en el sitio activo de la proteína (la cual contiene un compuesto rico en hierro conocido como hemo) con un láser ultrarrápido, antes de probarlo con los pulsos de rayos X LCLS en diferentes tiempos", explica Alonso-Mori.»
Cada pulso láser de 50 femtosegundos calentaba el hemo un par de cientos de grados. Los pulsos de rayos X de LCLS iban tomando imágenes de lo que pasaba mientras el calor viajaba desde el hierro a otras partes de la proteína. Después de 100 femtosegundos, el enlace de hierro-azufre se rompió, sólo para formarse de nuevo una vez que la muestra se enfriaba. Ver este proceso permitió a los científicos medir las fluctuaciones de energía en tiempo real y comprender mejor cómo se forma y se rompe este crítico enlace.
«El concepto de estado entático es realmente interesante, pero uno tiene que llegar a formas creativas para demostrarlo y cuantificarlo", apunta Ryan Hadt, ex doctorando de la Universidad de Stanford con una beca Enrico Fermi en Argonne National Laboratory, que junto con su tutor, el profesor Solomon, se le ocurrió la idea del experimento y co-escribió la propuesta inicial en 2009.»

«Nuestro grupo de investigación estaba entusiasmado con este nuevo instrumento y quería utilizarlo para realizar un experimento definitivo», añadió Hadt.
La pregunta planteada por un trabajo anterior

Este experimento se basa en un estudio anterior, llevado a cabo en el SSRL, que encontró que el enlace de hierro-azufre era bastante débil, decía Thomas Kroll, científico de SSRL y autor principal del estudio previo.
En este estudio más reciente, la espectroscopía en SSRL también construyó el marco para un experimento de bomba-sonda en el LCLS. Permitió a los científicos comparar lo que la molécula originalmente parecía respecto a cómo cambió cuando subió la temperatura.
«Es importante entender cómo funcionan realmente estas proteínas», dice Kroll. «Porque si no lo entiendes, ¿cómo podríamos crear mejores medicamentos de manera informada y controlada?»
El conocimiento de la función de la citocromo c también es valiosa para los campos de la bioenergía y la ciencia ambiental, ya que es una proteína de importancia crítica en las bacterias y las plantas.

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Traducido/editado por Pedro Donaire
Ref. ScienceDaily.com, 22 de junio de 2017
“How a single chemical bond balances cells between life and death”
Fuente: Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC

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