Estrutura, dinâmica e reatividade de cofatores na cadeia de transporte de elétrons

• Autor(a) principal: Teixeira, Murilo Hoias
• Data de Publicação: 2020
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46131/tde-23092021-093730/
• topic: Agregados de ferro-enxofre; Cadeia transportadora de elétrons; Complexo respiratório I; Dinâmica molecular; Electron transport chain; Energia livre; Free energy; iron-sulfur clusters; Molecular dynamics; Quinonas; Quinones; Respiratory complex I

Simulação computacional é uma ferramenta poderosa para estudos em diversos campos da ciência. Neste trabalho utilizamos modelagem molecular para investigar microscopicamente o funcionamento de cofatores da cadeia transportadora de elétrons (ETC) em bactérias e mitocôndrias. As quinonas e agregados de ferro-enxofre (Fe-S) estudados aqui são respectivamente os maiores responsáveis pelo transporte de elétrons inter- e intracomplexos da cadeia respiratória. Entender o comportamento de quinonas dentro de membranas permite fazer previsões sobre as suas interações com proteínas. Simulações de dinâmica molecular clássica com campos de força aditivos realizadas aqui mostraram que a localização de diversas quinonas em uma membrana lipídica com composição similar à membrana interna de mitocôndrias é constante para diferentes quinonas naturais e compatível com a posição dos respectivos sítios de ligação em domínios membranares dos complexos da ETC. O flip-flop de ubiquinona na membrana mitocondrial é facilitado pela sua maior porosidade, fruto de lipídeos insaturados que permitem a intrusão de algumas moléculas de água junto à cabeça polar da quinona. A difusão transversal facilitada impede que este evento limite a taxa de renovação da ETC. O complexo respiratório I da ETC apresenta o sítio de redução de quinonas mais enterrado entre seus pares. O substrato ubiquinona deve transitar de um ambiente membranar por um longo e estreito túnel até o domínio hidrofílico proteico, onde o processo de redução para a forma quinol é catalisado. Para entender este processo, foram realizadas simulações atomísticas com amostragem aumentada por potencial guarda-chuva do processo de ligação da quinona no complexo I da bactéria Thermos thermophilus. Nestas simulações, um segundo sítio estável, um intermediário no processo de ligação, foi identificado. Este pode estar relacionado ao acoplamento entre o transporte de elétrons e o bombeamento de prótons catalisados pelo complexo I. Recentemente, este intermediário foi isolado e comprovado experimentalmente. Também detectamos uma abundante hidratação interna do túnel de ligação que dificilmente é detectada em experimentos devido à mobilidade e tamanho das moléculas de água. O balanço desta hidratação é responsável pela energética de ligação de quinonas de cauda longa e curta observada nos perfis de energia livre calculados. Outros cofatores, agregados de Fe-S, têm papel fundamental no transporte de elétrons entre sítios distantes dentro de uma mesma proteína. Além disso, agregados de Fe-S oferecem suporte para o enovelamento e estruturação de enzimas envolvidas em diversas vias metabólicas. Aqui, um modelo isolado para hidrólise do agregado mononuclear de Fe-S foi utilizado para explorar os possíveis mecanismos desta reação. O mecanismo concertado de complexação e desprotonação de uma molécula de água com a saída de um grupo tiol apresenta as menores barreiras. Em pH baixo, este mecanismo apresenta barreiras ainda menores e, portanto, pode ser o mecanismo catalítico utilizado por enzimas na síntese e degradação de agregados de Fe-S. As baixas barreiras observadas em meio ácido sugerem que agregados de Fe-S devem estar enterrados em proteínas para evitar sua degradação