Um novo estudo da Universidade de Miami e da Universidade de Nebraska-Lincoln derrubou décadas de doutrina sobre uma enzima cuja mutação ou mau funcionamento pode desencadear doenças fatais no início da vida. A equipe de pesquisa, que inclui Jonathan Dietz e Javier Seravalli, de Nebraska, relatou suas descobertas na revista Nature Communications .
Essa enzima, citocromo c oxidase, reside nas mitocôndrias, atuando como uma porta de entrada para as organelas celulares mais conhecidas por gerar energia que alimenta todos os tipos de operações que sustentam a vida. A citocromo c oxidase também está entre os atores finais em um desfile de interações ao estilo de Rube Goldberg que transportam e, finalmente, convertem a moeda bioquímica – oxigênio e glicose – na molécula de armazenamento de energia conhecida como ATP.

A montagem da própria citocromo c oxidase também não é um processo simples. Na verdade, os bioquímicos passaram anos montando como a enorme enzima é montada.

"É um maquinário realmente sofisticado", disse Oleh Khalimonchuk, professora de bioquímica Susan J. Rosowski em Nebraska e coautora do estudo.

Os bioquímicos inicialmente investigaram a enzima em bactérias, leveduras e outros organismos unicelulares que desenvolveram a citocromo c oxidase muito antes dos humanos. Mas a complexidade das células humanas e da enzima, que consiste em mais de uma dúzia de subunidades, complicou as tentativas de avaliar sua montagem nessas células. Até o momento, porém, os pesquisadores presumiram que a montagem do núcleo catalítico da enzima ocorre em humanos da mesma forma que em microorganismos.

Liderada por Antoni Barrientos e Eva Nývltová, de Miami, a equipe Hurricane-Husker assumiu a extenuante tarefa de deletar, um por um, mais de uma dúzia de genes que direcionam a produção de proteínas e outras moléculas que se acredita montar a enzima em humanos. Ao analisar os resultados de cada exclusão, os pesquisadores conseguiram identificar os MVPs moleculares na linha de montagem, caracterizar suas contribuições para essa montagem e determinar sua ordem de operações com precisão quase sem precedentes.

Parte do que eles encontraram contrariava a literatura da área há muito aceita.

"A maneira como os conceitos foram apresentados em estudos de bactérias e leveduras não é exatamente o mesmo em células humanas", disse Khalimonchuk sobre os componentes de montagem de enzimas. "Acho que isso basicamente quebra um paradigma de décadas em termos de como esses fatores estão se comportando."

Uma das principais surpresas veio na forma de COX11, uma proteína de assistência à montagem tão crítica em leveduras que sem ela, disse Khalimonchuk, "essas mitocôndrias estão mortas na água". Em células humanas, a equipe confirmou, a COX11 faz parceria com outras proteínas para acompanhar átomos de cobre em uma célula e aninha-los em duas subunidades centrais da citocromo c oxidase. A partir daí, os átomos de cobre ajudam a desencadear a produção de ATP, que armazena energia, aceitando elétrons e passando prótons para uma mitocôndria.

No entanto, quando os pesquisadores eliminaram o gene responsável pela COX11, descobriram que as células resultantes ainda conseguiram reunir cerca de 15% do número de citocromo c oxidases que normalmente fazem, mantendo cerca de 60% de sua produção usual de ATP. Mais tarde, a equipe determinou que as células humanas sem COX11 podem chamar outras proteínas que, apesar da média de rebatidas mais baixa, podem efetivamente ser atingidas por ela. E quando a equipe manipulou células para produzir mais da proteína conhecida como PET191, a montagem sem COX11 de oxidases de citocromo c saltou de 15% para 40%.

"Isso resolveu um enigma, porque muitas mutações nos fatores de montagem da citocromo oxidase estão ligadas a doenças em humanos", disse Khalimonchuk. "Há toneladas de doenças congênitas, mas nunca foram relatadas com uma mutação na COX11 - ao contrário de qualquer outro fator com o qual estamos lidando. Isso foi tão bizarro. Mas agora esses dados realmente explicam o porquê:porque é parcialmente dispensável ."

Mas Khalimonchuk e seus colegas também concluíram que a COX11, que se une a certas proteínas até que essas proteínas estejam prontas para acompanhar o cobre às subunidades centrais da enzima, atua como uma proteção regulatória contra o acúmulo de moléculas tóxicas a longo prazo. Isso é particularmente importante, disse ele, dado o coquetel explosivo de oxigênio e moléculas ricas em elétrons, muitas vezes girando em torno das mitocôndrias.

"Você pode pensar na oxidase como uma bomba-relógio, porque você tem todas essas coisas que estão prontas para uma reação imediata - aceitar elétrons, reagir com oxigênio e assim por diante", disse Khalimonchuk. "Então, tudo tem que ser ajustado e se encaixar (no momento certo). Se algo não está certo - se você tem alguma montagem imprópria, algumas subunidades órfãs, algo exposto a um ambiente que não deveria estar - isso é uma situação realmente perigosa, eles vão disparar imediatamente, e isso tem algumas consequências bastante prejudiciais para uma célula.

"Parte da razão pela qual essas doenças são consideradas tão desagradáveis ​​e drásticas é por causa dessas características da citocromo oxidase".

Dessa forma, examinar as minúcias da citocromo c oxidase será essencial para melhor diagnosticar e, eventualmente, tratar as doenças nefastas que sua disfunção pode causar, disse Khalimonchuk. Um exemplo raro, mas devastador, a síndrome de Leigh, aflige o sistema nervoso de recém-nascidos, que geralmente sobrevivem não mais do que alguns anos.

"Há todo um espectro de doenças congênitas", disse Khalimonchuk. "Eles são todos de início precoce, porque você precisa respirar (e produzir ATP) praticamente desde o início. As doenças mitocondriais são desagradáveis ​​em geral, mas estas são particularmente desagradáveis".

Ao explicar o valor das descobertas focadas nas mitocôndrias, Khalimonchuk citou pesquisas recentes que mostram que a administração de oxigênio a pacientes com doenças mitocondriais graves – uma tática comum em salas de emergência – é realmente prejudicial.

Isso por si só representa progresso, disse Khalimonchuk. Mas passar de corretivos e recomendações para medicamentos potencialmente salvadores de vidas exigirá que os bioquímicos continuem vasculhando as letras miúdas dos manuais de instruções da citocromo c oxidase e da maquinaria mitocondrial como ela. Isso significa colaboração, disse ele, e disposição para assumir o "longo trabalho" do trabalho árduo, mas crucial.

"Esperamos que haja mais acompanhamentos, não apenas necessariamente por nós, para entender ainda melhor todo esse processo", disse Khalimonchuk, "e talvez encontrar outras peças que faltam". + Explorar mais

Arquitetura de uma usina bacteriana descriptografada