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Jan 07, 2024

Il legame al substrato nel trasportatore ADP/ATP mitocondriale è un passo

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3585 (2022) Citare questo articolo

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I trasportatori mitocondriali di ADP/ATP importano ADP nella matrice mitocondriale ed esportano ATP nel citosol per alimentare i processi cellulari. Le strutture degli stati citoplasmatici inibiti e di matrice aperta hanno confermato un meccanismo di trasporto ad accesso alternato, ma i dettagli molecolari del legame con il substrato rimangono irrisolti. Qui, valutiamo il ruolo dei residui esposti al solvente della via di traslocazione nel processo di legame del substrato. Identifichiamo il sito di legame principale, comprendente tre residui caricati positivamente e un insieme di residui alifatici e aromatici, che legano ADP e ATP in entrambi gli stati. Inoltre, ci sono due coppie di residui di asparagina/arginina sui lati opposti di questo sito che sono coinvolti nel legame del substrato in modo dipendente dallo stato. Pertanto, i substrati vengono diretti attraverso una serie di pose di legame, inducendo i cambiamenti conformazionali del trasportatore che portano alla loro traslocazione. Le proprietà di questo sito spiegano la natura elettrogenica e reversibile del trasporto del nucleotide adenina.

La vitalità e la funzione delle cellule eucariotiche si basano sul trasporto di metaboliti e ioni attraverso la membrana interna mitocondriale impermeabile per sostenere le vie metaboliche del mitocondrio e del citosol e per fornire composti per il mantenimento degli organelli e delle cellule. La maggior parte di questi composti viene trasportata dalla famiglia di trasportatori mitocondriali (SLC25), che è la più grande famiglia di trasportatori di soluti negli esseri umani1,2,3. Il trasportatore mitocondriale ADP/ATP, chiamato anche traslocasi dell'adenina nucleotide, svolge una delle fasi di trasporto più prolifiche del corpo umano. Il trasportatore importa ADP citosolico nella matrice mitocondriale per la conversione in ATP da parte dell'ATP sintasi ed esporta ATP nello spazio intermembrana, che è confluente con il citoplasma, per alimentare i processi che richiedono energia della cellula, come parte integrante del fosforilazione ossidativa4. Il trasportatore passa ciclicamente tra due stati, che sono convenzionalmente chiamati stato di matrice aperta e stato citoplasmatico aperto, a causa dell'orientamento del sito di legame del substrato verso questi compartimenti5,6. Gli studi funzionali e strutturali sono stati aiutati dalla disponibilità di inibitori stato-specifici. Il carrier è bloccato in uno stato di apertura citoplasmatica dall'atractyloside (ATR)7 e dal carbossiatractyloside (CATR)8,9, mentre è bloccato in uno stato di matrice aperta dall'acido bongkrekic (BKA)10,11,12. Entrambi gli stati legati agli inibitori sono abortivi perché l'inibizione si ottiene prevenendo il legame del substrato e intrappolando il trasportatore in una conformazione strutturale che non fa parte del ciclo di trasporto5,6.

Come la maggior parte dei membri SLC25, il trasportatore ADP/ATP è costituito da tre ripetizioni di sequenze omologhe di circa 100 aminoacidi ciascuna13, che si ripiegano in una struttura pseudosimmetrica tripla con una via di traslocazione centrale per i substrati14. La struttura atomica del trasportatore ADP/ATP bovino nello stato aperto citoplasmatico legato al CATR ha mostrato che ciascuna ripetizione di sequenza codifica un dominio costituito da un'α-elica transmembrana di numero dispari (H1, H3, H5), un loop contenente un breve elica (h12, h34, h56) che corre parallela alla membrana sul lato della matrice e un'α-elica transmembrana con numero pari (H2, H4, H6) 15 (Figura 1 supplementare). Questa topologia di base è stata confermata dalle strutture atomiche dei trasportatori di ADP/ATP fungini bloccati nello stato aperto citoplasmatico legato al CATR16 e nello stato aperto alla matrice legato al BKA17.

In ciascuno dei tre domini, l'elica con numero dispari, l'elica della matrice e la parte N-terminale dell'elica con numero pari fino al "punto di contatto"17,18,19, costituiscono l'elemento centrale, mentre il terminale C parte dell'elica con numeri pari forma l'elemento gate17 (Figura 1 supplementare). L'interconversione tra i due stati avviene in modo alternato20 e comporta estesi movimenti dei sei elementi strutturali, rendendo il trasportatore ADP/ATP il trasportatore di soluti più dinamico finora identificato5,17. I tre elementi gate aprono e chiudono il lato citoplasmatico del carrier, mentre i tre elementi core chiudono e aprono alternativamente il lato matrice. L'apertura e la chiusura sono regolate dalla rottura e dalla formazione di due reti e sostegni di ponti salini: la rete di ponti salini della matrice del motivo [PS]x[DE]xx[KR]15,16 e il rinforzo di glutammina16 sugli elementi centrali e sul citoplasma rete di ponti salini del motivo [FY] [DE] xx [RK] 17,20,21 e bretelle di tirosina 17 sugli elementi del cancello (Figura 1 supplementare). Il movimento coordinato di questi sei elementi strutturali è guidato dal legame e dal rilascio del substrato come unica fonte diretta di input energetico22,23.