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Bombas de calcio en nuestras células
Bombas de calcio en nuestras células...

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Bombas de calcio en nuestras células

Comprender el mecanismo biomolecular crucial para la vida: bombas de calcio en nuestras células.

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 nuevos conocimientos básicos sobre este mundo invisible, haciendo experimentos que rastrean cómo funciona una sola molécula del "motor" de proteínas conocido como la bomba de calcio.

Por primera vez, se ha podido observar directamente 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 mecanismos biomoleculares cruciales para ti, para mí y para cualquier otra criatura viviente.

La bomba de calcio puede no parecer mucho. Cada bomba solo mide unos pocos nanómetros, millonésimas de milímetro, en cada dirección, y se sientan en las membranas celulares de nuestros cuerpos. Pero a pesar de su diminuto tamaño, es crucial para la vida. Esta bomba es la razón por la que nuestros músculos pueden contraerse y las neuronas pueden enviar señales. Si la pequeña bomba dejara de funcionar, las células dejarían de comunicarse. Sin eso, no podríamos ni movernos ni pensar. Esta es la razón por la cual las células usan mucha de su energía, aproximadamente una cuarta parte del combustible del cuerpo conocido como ATP, para mantener las bombas en funcionamiento.

Hay muchas cosas que todavía 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, por primera vez, muestra cómo funciona la bomba al nivel de una sola molécula y cómo garantiza que los iones se bombeen en la dirección correcta. En otras palabras, cómo funciona la bomba como una calle de sentido único molecular. El descubrimiento acaba de ser publicado en la revista Nature.

"Este trabajo representa el siguiente paso de una búsqueda profunda e importante para comprender la estructura y función atómica de la bomba. Ahora estamos un paso más cerca de comprender cómo las bombas de iones garantizan las funciones de las células. Hemos caracterizado cómo bombea iones de la célula en 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, en el tiempo, en el tratamiento de la enfermedad ", dice el profesor Poul Nissen, directora del Centro de Excelencia, PUMPkin, y del centro de neurociencia, DANDRITE. El Prof. Nissen es uno de los principales expertos mundiales en esta familia de bombas y coautor del artículo.

El respaldo 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 y potasio en la que trabajó Skou, y usan 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 Excelencia para 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 de un solo sentido del transporte de iones. Anteriormente, se suponía que la naturaleza unidireccional del bombeo surgió en la escisión de la molécula rica en energía ATP. La hipótesis era que cuando el ATP se escindía, la bomba no podía retroceder y reformar el ATP. Eso resultó estar lejos de ser cierto:

"Hemos identificado un nuevo estado cerrado en el ciclo de bombeo, que la bomba solo puede ingresar 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 célula. el calcio se libera de este estado, es el "punto de no retorno". Este es el mecanismo que explica que la bomba funcione como una bomba y no solo como un canal pasivo.

Esta idea realmente única se basa en experimentos muy avanzados. Estos experimentos nos permiten ver directamente a la bomba haciendo su trabajo por primera vez ", explica el Postdoc Mateusz Dyla, que es el primer autor del nuevo documento, y que ha sido la fuerza motriz principal del proyecto que comenzó como su Proyecto de doctorado.

La bomba de calcio necesita energía, que se obtiene al dividir 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 de la celda. La diferencia de concentración puede ser más de 10 000 veces, y esta gran diferencia es esencial para la comunicación entre 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 obtener una imagen directamente en un microscopio óptico. Hasta ahora, y con gran dificultad, los investigadores han creado modelos moleculares de estados estables de la bomba utilizando una técnica 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 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 de Förster, en pocas palabras, FRET. Aquí, la luz láser intensa y las cámaras ultrasensibles se combinan para permitir la observación directa de una sola molécula a través de la pequeña cantidad de luz que emite cada molécula.

El grupo de investigación ha aprovechado una bomba de calcio de la bacteria Listeria, que se ha preparado para los estudios mediante ingeniería de proteínas. La ingeniería de la proteína solo tardó varios años en completarse.

En los experimentos de FRET, dos moléculas de colorante se unen 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 la energía al otro tinte, el aceptor que luego emitirá luz con otro color. La luz, por lo tanto, se emitirá desde los dos tintes, y los científicos pueden medir la distancia entre los dos tintes midiendo cuánta luz se emite de cada color. Debido a que los colorantes se han insertado cuidadosamente en dos posiciones específicas en la bomba, estos cambios de distancia rastrean los movimientos de bombeo de la bomba.

La técnica de una sola molécula es lo que ha permitido los nuevos descubrimientos, explica Magnus Kjærgaard, miembro del Instituto de Estudios Avanzados de Aarhus, AIAS, quien también ha contribuido al descubrimiento:

"Pasamos de 'Pump Fiction' a 'Pump Live'. Anteriormente, siempre grabamos las señales de muchas moléculas al mismo tiempo, lo que desdibuja los movimientos. Usando técnicas de FRET de una sola molécula podemos enfocarnos en una molécula en el momento , lo que nos permite observar los cambios estructurales directamente. Esto nos proporciona un video de la bomba en acción con menos huecos. Nuestra película de la Bomba de ficción inicialmente obtuvo su nombre, porque sabíamos que las transiciones entre los diferentes estados del ciclo eran ficticias , y que podría haber ideas adicionales que se esconden en las brechas entre los estados conocidos. Ahora hemos demostrado esto en abundancia y, al mismo tiempo, hemos revelado nuevos conocimientos críticos sobre cómo funciona la bomba ".

Además de agregar a 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 del cerebro, y esto puede causar un trastorno neurológico, como migraña, parálisis temporal o trastornos neurodegenerativos.

Los mecanismos de estas bombas de iones son por lo tanto fundamentales para comprender los errores en la bomba, especialmente con vistas a desarrollar nuevos fármacos dirigidos a la bomba.

"Todavía no hemos llegado al estado en el que podemos transferir nuestra investigación de bombas de iones al tratamiento de la enfermedad. Sin embargo, las nuevas ideas han llevado a ideas que pueden usarse para desarrollar el tratamiento de, por ejemplo, defectos en la señalización neuronal. 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 comenzó nuevas colaboraciones emocionantes que nos permitirán dar los próximos pasos ", dice el profesor Poul Nissen.


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