Nuestras células mueven energía y materia a los lugares donde se necesita. Pero, ¿cómo lo hacen en tiempo real y desde la perspectiva de una sola molécula? Un equipo de investigación danés ha descubierto con éxito nuevas ideas básicas sobre este mundo invisible,haciendo experimentos que rastrean cómo funciona una sola molécula de la proteína 'motor' conocida como la bomba de calcio.
Por primera vez ha sido posible mirar directamente a uno de los motores más fundamentales del cuerpo: las bombas de iones que alimentan los sistemas de transporte y señalización de la célula. Estas funciones apuntalan los mecanismos biomoleculares cruciales para usted, para mí y para todos los que vivencriatura.
La bomba de calcio puede no parecer mucho. Cada bomba solo mide unos pocos nanómetros, millonésimas de milímetros, en cada dirección, y se sienta en las membranas celulares de nuestros cuerpos. Pero a pesar de su tamaño diminuto, es crucial para la vida. Esta bomba es la razón por la cual nuestros músculos pueden contraerse, y que las neuronas pueden enviar señales. Si la pequeña bomba dejara de funcionar, las células dejarían de comunicarse. Sin ella, no podríamos movernos ni pensar. Es por eso que las células usan tantoenergía, aproximadamente un cuarto del combustible del cuerpo conocido como ATP, para mantener las bombas en funcionamiento.
Hay muchas cosas que aún no sabemos sobre la estructura y la función de esta bomba vital. El conocimiento sobre la bomba es esencial para comprender el equilibrio energético y otras funciones importantes en el cuerpo.
Un grupo de investigación danés acaba de publicar un nuevo estudio que muestra por primera vez cómo funciona la bomba al nivel de una sola molécula y cómo garantiza que los iones se bombean en la dirección correcta. En otras palabras, cómo funciona la bombafunciona como una calle de sentido único molecular. El descubrimiento acaba de ser publicado en la revista, Naturaleza .
"Este trabajo representa el siguiente paso de una búsqueda profunda e importante para comprender la estructura y función atómicas de la bomba. Ahora estamos un paso más cerca de comprender cómo las bombas de iones aseguran las funciones de las células. Hemos caracterizado cómo bombea ionesfuera de la célula a un nivel de detalle sin precedentes. La importancia de tal conocimiento básico de los procesos biofísicos solo puede subestimarse. Tendrá una gran influencia en nuestra comprensión de los procesos de la vida y, con el tiempo, en el tratamiento de la enfermedad ", diceEl profesor Poul Nissen, director del Centro de Excelencia, PUMPkin, y del centro de neurociencia, DANDRITE, es uno de los principales expertos mundiales en esta familia de bombas y coautor del artículo.
El tope molecular
Hasta cierto punto, la historia comenzó en la década de 1950, cuando el profesor Jens Christian Skou hizo su trabajo pionero en la Universidad de Aarhus, que descubrió las funciones de bombeo en nuestras células. La bomba de calcio es un primo cercano de la bomba de sodio-potasio Skou trabajóy utilizan un mecanismo de bombeo similar. El trabajo de Skou le valió un Premio Nobel de química en 1997. Desde entonces, numerosos investigadores han dedicado su vida laboral a descubrir el mecanismo y la función de estas bombas, incluidas muchas en el Centro de Excelenciapara Bombas de membrana en células y enfermedades, PUMPkin, en la Universidad de Aarhus.
Una idea clave en la nueva publicación se refiere a la naturaleza unidireccional del transporte de iones. Anteriormente, se suponía que la naturaleza unidireccional del bombeo surgía en la escisión de la molécula rica en energía ATP. La hipótesis era quecuando se cortó el ATP, la bomba no pudo retroceder y reformar el ATP. Eso resultó estar lejos de ser cierto :
"Hemos identificado un nuevo estado cerrado en el ciclo de bombeo, en el que la bomba solo puede entrar si el ion calcio proviene de los fluidos intracelulares y la bomba ha escindido ATP. No puede alcanzar este estado si el ion proviene del entorno de la célulaCuando se libera calcio de este estado, es el 'punto de no retorno'. Este es el mecanismo que explica que la bomba funciona como una bomba y no solo como un canal pasivo.
Esta visión realmente única se basa en experimentos altamente avanzados. Estos experimentos nos permiten ver directamente la bomba haciendo su trabajo por primera vez ", explica Postdoc Mateusz Dyla, quien es el primer autor del nuevo artículo, y quiensido la principal fuerza impulsora del proyecto que comenzó como su proyecto de doctorado.
La bomba de calcio necesita energía, que se obtiene al cortar una molécula de ATP como se explicó anteriormente. La energía liberada se convierte en el trabajo de la bomba. Esto explica cómo se acumulan grandes gradientes de concentración entre el interior y el exterior dela célula. La diferencia de concentración puede ser más de 10,000 veces, y esta gran diferencia es esencial para la comunicación entre las células, como en la señalización nerviosa.
humo y espejos
La razón por la cual los experimentos son tan complejos es bastante clara: la bomba es tan pequeña que no se puede visualizar directamente en un microscopio óptico. Hasta ahora, y con gran dificultad, los investigadores han creado modelos moleculares de estados estables de la bomba usando untécnica conocida como cristalografía de rayos X. Esto es análogo a una película de stop motion. Los científicos se han referido en broma a su visualización del movimiento de las bombas entre estos estados como 'Pump Fiction'. El nuevo estudio, que lleva cinco años en desarrollo, mueve la visualización del movimiento detenido a imágenes en vivo de los movimientos funcionales de la bomba. La mejora técnica en las técnicas microscópicas ha permitido observar el nuevo estado.
La técnica utilizada se conoce como espectroscopía de fluorescencia de molécula única y utiliza un fenómeno conocido como Transferencia de energía de resonancia Förster, en resumen FRET. Aquí, la luz láser intensa y las cámaras ultrasensibles se combinan para permitir la observación directa de una molécula única a través dela pequeña cantidad de luz que emite cada molécula.
El grupo de investigación ha aprovechado una bomba de calcio de la bacteria Listeria, que ha sido preparada para los estudios mediante ingeniería de proteínas. La ingeniería de la proteína sola tardó varios años en completarse.
En los experimentos FRET, se unen dos moléculas de tinte a la proteína, que luego se ilumina con luz láser. Un tinte, el donante, absorberá la luz láser y la emitirá con un color característico. Alternativamente, puede transferir elenergía para el otro tinte, el aceptador que luego emitirá luz con otro color. Por lo tanto, la luz será emitida por los dos tintes, y los científicos pueden medir la distancia entre los dos tintes midiendo la cantidad de luz emitida por cada color.Debido a que los colorantes se han insertado cuidadosamente en dos posiciones específicas en la bomba, estos cambios de distancia siguen los movimientos de bombeo de la bomba.
La técnica de molécula única es lo que ha permitido los nuevos descubrimientos, explica Magnus Kjærgaard, miembro del Instituto de Estudios Avanzados de Aarhus, AIAS, que también ha contribuido al descubrimiento :
"Hemos pasado de 'Pump Fiction' a 'Pump Live'. Anteriormente, siempre registramos las señales de muchas moléculas al mismo tiempo, lo que difumina los movimientos. Usando técnicas FRET de una sola molécula podemos enfocarnos en una molécula enel tiempo, lo que nos permite observar directamente los cambios estructurales. Esto nos proporciona un video de la bomba en acción con menos espacios. Nuestra película de Pump Fiction inicialmente recibió su nombre, porque sabíamos las transiciones entre los diferentes estados del cicloeran ficticios, y que podría haber ideas adicionales ocultas en las brechas entre los estados conocidos. Ahora hemos demostrado esto en abundancia y, al mismo tiempo, revelamos nuevas ideas críticas sobre cómo funciona la bomba ".
Además de aumentar nuestro conocimiento de los procesos básicos de la vida, la comprensión de estas bombas también puede tener aplicaciones prácticas. Las mutaciones en las bombas pueden causar defectos en las células cerebrales, y esto puede causar trastornos neurológicos como migraña, parálisis temporal o neurodegenerativatrastornos.
Los mecanismos de estas bombas de iones son, por lo tanto, fundamentales para comprender los errores en la bomba, especialmente con el fin de desarrollar nuevos medicamentos dirigidos a la bomba.
"¡Aún no hemos llegado al estado en el que podamos transferir nuestras investigaciones de bombas de iones al tratamiento de enfermedades! Sin embargo, las nuevas ideas han dado lugar a ideas que pueden usarse para desarrollar el tratamiento de, por ejemplo, defectos en la señalización neuronal. Pero estoes un trabajo para el futuro. En este momento, hay muchas razones para celebrar la revelación de los detalles íntimos de una de las enzimas más importantes de la vida. El trabajo se ha basado en grandes colaboraciones aquí en la universidad y con investigadores en los Estados Unidos.Ya hemos comenzado nuevas colaboraciones emocionantes que nos permitirán dar los próximos pasos ", dice el profesor Poul Nissen.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Aarhus . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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