Base estrutural da captação de íons no cobre

Mar 01, 2024

Nature Communications volume 13, número do artigo: 5121 (2022) Citar este artigo

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O cobre é essencial para as células vivas, mas é tóxico em concentrações elevadas. As ATPases classe 1B do tipo P (P1B-) estão presentes em todos os reinos da vida, facilitando a exportação celular de metais de transição, incluindo o cobre. As ATPases do tipo P seguem um mecanismo de acesso alternado, com conformações E1 voltadas para dentro e E2 voltadas para fora. No entanto, nenhuma informação estrutural sobre os estados E1 está disponível para P1B-ATPases, dificultando a compreensão mecanicista. Aqui, apresentamos estruturas que atingem resolução de 2,7 Å de uma P1B-ATPase específica de cobre em uma conformação E1, com dados e análises complementares. Nossos esforços revelam um arranjo de domínio que gera espaço para interação com acompanhantes doadores de íons e sugere uma transferência direta de Cu+ para o núcleo transmembrana. Uma metionina desempenha um papel fundamental, auxiliando a liberação do íon ligado à chaperona e formando um local de entrada de carga junto com as cisteínas do motivo de assinatura CPC. Coletivamente, as descobertas fornecem informações sobre o transporte mediado por P1B, provavelmente aplicável também a membros humanos de P1B.

O cobre é um metal de transição que executa funções vitais dentro das células e, portanto, é um micronutriente essencial para os organismos em todos os reinos da vida. A sua capacidade de ciclo redox entre estados reduzido (Cu+) e oxidado (Cu2+) é explorada numa paleta de enzimas chave, por exemplo, a citocromo c oxidase ou NADH desidrogenase, crítica para processos metabólicos fundamentais, como a respiração celular1. No entanto, o cobre intracelular livre pode desencadear a formação de radicais hidroxila tóxicos e deslocar outros metais das proteínas2. Consequentemente, os níveis intracelulares de cobre são fortemente regulados, mediados por numerosos acompanhantes, reguladores e proteínas de exportação dedicados, mais notavelmente ATPases do tipo P transportadoras de cobre.

As ATPases do tipo P compreendem uma grande superfamília que acopla a energia da hidrólise do ATP ao transporte de carga através das membranas biológicas. Eles são subdivididos em cinco subfamílias, P1-5, com até quatro subclasses, AD, com base na identidade de sequência e especificidade de transporte3, que varia de cátions metálicos a fosfolipídios4, poliaminas5 e hélices transmembrana6. A subclasse específica de metal de transição 1B (P1B-ATPases) catalisa o efluxo de, por exemplo, Zn2+, Co2+, Fe2+ do interior da célula e inclui membros específicos de cobre que são historicamente subdivididos em P1B-1- (CopA) e P1B-3- ATPases (CopB)7,8. As P1B-ATPases são abundantes em procariontes, protegendo o organismo do estresse por metais pesados. Duas proteínas CopA estão presentes em humanos, ATP7A e ATP7B. O mau funcionamento desses membros causa graves distúrbios neurológicos, doença de Menkes e doença de Wilson, respectivamente9,10.

As ATPases do tipo P compartilham uma arquitetura geral comum que consiste em três domínios citosólicos (atuador (A-), fosforilação (P-) e ligação de nucleotídeos (N-)), juntamente com um domínio que abrange a membrana (M-) composto por seis domínios onipresentes. hélices transmembranares, M1-M6 (Figura 1 suplementar). Além disso, as P1B-ATPases possuem duas hélices transmembrana N-terminais MA e MB, e um a seis domínios de ligação de metais pesados ​​tipicamente N-terminais (HMBDs), este último tendo um papel enigmático para a função ligada à captação de íons e/ou regulamentação11,12,13. A superfamília segue o chamado ciclo de reação Post Albers, um mecanismo de acesso alternado definido pelas conformações E1 voltadas para dentro e E2 voltadas para fora com alta e baixa afinidade, respectivamente, para a carga transportada do citoplasmático (in) para o extracelular/luminal. lados (externos) (Fig. 1)14,15. A captação de carga e a oclusão do citosol são realizadas nas conformações E1 e, juntamente com a fosforilação dependente de ATP de um aspartato catalítico invariante no domínio P, produzindo a forma E1P, isso leva à transição para o estado E2P voltado para fora. A carga é então liberada para o espaço extracelular e após a desfosforilação (E2), a bomba retorna à conformação E1 voltada para dentro.