O nunca visto: observan as mitocondrias con tanta resolución que agora entendemos como xeran enerxía con eficiencia / Science
A todos sóanos esa frase de que as mitocondrias son as centrais enerxéticas da célula. Está nos libros do colexio (aínda que probablemente mal descrito), nas explicacións rápidas sobre bioloxía, en memes e camisetas. Pero algunha vez preguntácheste como producen exactamente esa enerxía? Ata o de agora, incluso a ciencia tiña só pezas soltas do crebacabezas. Sabiámolo en teoría, pero non lograramos velo con claridade total dentro dunha célula viva. Iso cambiou.
Un grupo de científicos do Biozentrum da Universidade de Basilea conseguiu algo extraordinario: observar cun nivel de detalle sen precedentes a estrutura dos complexos mitocondriales responsables de producir enerxía. Grazas a unha técnica de imaxe revolucionaria, capturaron as primeiras imaxes en 3D e alta resolución destes sistemas funcionando na súa contorna natural. O que atoparon non só é fascinante a nivel visual, senón que revela pistas cruciais sobre por que nosas células son tan eficientes xerando enerxía.
As mitocondrias teñen unha tarefa fundamental: xerar ATP, a molécula que fornece enerxía a todas as funcións celulares. Para facelo, utilizan unha serie de proteínas especializadas chamadas complexos respiratorios. Estes complexos actúan como estacións de paso: reciben electróns, bombean protóns e crean unha diferenza de concentración que impulsa a produción de ATP.
O realmente interesante é que estes complexos non están illados, senón que se organizan formando supercomplexos coñecidos como respirasomas. A existencia destas estruturas xa se suxeriu en estudos previos, pero ata o de agora, só observáronse en laboratorios tras extraer e purificar as mitocondrias, o que alteraba o seu estado natural.
Grazas á criotomografía electrónica, o equipo liderado por Florent Waltz e Ben Engel puido observar estes supercomplejos directamente en células vivas da alga Chlamydomonas reinhardtii. Así comprobaron que os complexos I, III e IV ensamblábanse formando un único tipo de respirasoma cunha estrutura repetida e sorprendentemente organizada: dous monómeros de complexo I, catro de complexo III e seis de complexo IV (I₂ III₄ IV₆).
Tomograma dunha mitocondria en Chlamydomonas reinhardtii con segmentación dos seus complexos moleculares, destacando a organización de mitorribosomas, ATP sintasas e respirasomas na membrana interna e as cristas / Science
Para lograr esta fazaña, os investigadores usaron unha técnica que parece sacada de ciencia ficción: a criotomografía electrónica con feixes de ións enfocados. En palabras sinxelas, conxelan células vivas tan rápido que a auga non se cristaliza, e logo usan un microscopio electrónico para observar finísimas seccións tridimensionales das súas estruturas internas.
Este proceso permitiu visualizar o interior das mitocondrias cunha resolución de ata 5,4 angstroms, o suficientemente alta para distinguir a posición de proteínas individuais. Como explican no estudo, “a análise da estrutura do respirasoma permitiunos determinar que está composto por dous monómeros do complexo I, dous dímeros do complexo III e seis monómeros do complexo IV”.
Este nivel de detalle non só é impresionante visualmente. É clave para entender como os electróns e protóns flúen entre os complexos, como se transfire a enerxía e como se organiza o espazo dentro das mitocondrias para que nada se desperdicie.
O descubrimento deste respirasoma específico en Chlamydomonas revela un deseño molecular moi eficiente. Os supercomplexos están aliñados de maneira que optimizan o fluxo de electróns e protóns, e isto probablemente axuda a reducir a perda de enerxía e previr a formación de radicais libres daniños.
Segundo os investigadores, “esta arquitectura podería facer que a produción de ATP sexa máis eficiente, optimizar o fluxo de electróns e minimizar a perda de enerxía”. E o máis interesante: parece que estas estruturas non están alí só por eficiencia, senón tamén por estabilidade e organización. O complexo I, por exemplo, non se observa nunca de forma illada no estudo, o que suxire que se ensamblan directamente como parte do supercomplexo.
Ademais, atoparon que as proteínas respiratorias están segregadas en diferentes dominios da membrana interna mitocondrial, mentres que as ATP sintasas (as verdadeiras fábricas de ATP) agrúpanse nas puntas das cristas mitocondriais. Isto crea unha paisaxe molecular onde a topografía física favorece a produción de enerxía.
Saber como están organizados estes supercomplejos in situ é moito máis que unha curiosidade estrutural. Pode ter implicacións profundas en medicina e biotecnoloxía. Moitas enfermidades están relacionadas co mal funcionamento mitocondrial, e un dos desafíos foi entender que exactamente falla a nivel de organización interna.
O feito de que agora se poida observar a arquitectura funcional da mitocondria na súa contorna natural abre a porta a novas estratexias terapéuticas. Por exemplo, modular a formación de supercomplejos podería converterse nunha vía para restaurar a eficiencia enerxética en células enfermas, ou para previr o exceso de especies reactivas de osíxeno que danan o ADN.
Doutra banda, en biotecnoloxía, entender como estes supercomplexos logran unha eficiencia case perfecta podería inspirar novos deseños en sistemas artificiais de xeración de enerxía ou en bioprocesos industriais que imiten esta organización.
Un dos achados máis intrigantes do estudo é que a estrutura observada en Chlamydomonas é distinta das que se describiron en animais, plantas ou fermentos. No artigo afírmase claramente que “o respirasoma I₂ III₄ IV₆ ten unha organización distinta dos complexos respiratorios descritos previamente noutros organismos”.
Isto suxire que a natureza non ten un único deseño universal para a maquinaria enerxética celular. Cada especie pode axustar esta arquitectura segundo as súas necesidades metabólicas, e ese axuste podería explicar a diversidade de formas e comportamentos mitocondriales observados en diferentes organismos.
Os autores tamén destacan que esta é, ata a data, a única estrutura completa de respirasomas obtida dentro de células vivas, o que converte este traballo nun fito para a bioloxía estrutural.
O estudo está publicado na revista Science.
FONTE: Eugenio M. Fernández Aguilar/muyinteresante.com/ciencia
