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    El estudio con láser de rayos X identifica un intermedio cristalino en nuestro camino hacia la respiración

    Austin Echelmeir (de izquierda a derecha), Alexandra Ros, Petra Fromme y Raimund Fromme, todos de la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU y del Centro de Descubrimiento Estructural Aplicado del Instituto Biodesign. Crédito:Mary Zhu

    Por primera vez, Los científicos de la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU, en colaboración con colegas de la Facultad de Medicina Albert Einstein de la ciudad de Nueva York, han capturado instantáneas de estructuras cristalinas de intermediarios en la vía bioquímica que nos permite respirar.

    Publicado hoy en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias —Impresionante de un intermedio de oxígeno en la reacción catalítica de la citocromo c oxidasa— sus resultados proporcionan información clave sobre el paso final de la respiración aeróbica.

    "Se necesita un equipo para realizar un experimento tan sofisticado, "explica la profesora asociada de SMS, Alexandra Ros, quien, junto con su estudiante graduado Austin Echelmeier y el ex becario Gerrit Brehm, desarrolló el mezclador de enfoque hidrodinámico haciendo posible estos experimentos.

    El mezclador es un dispositivo de microfluidos, que es de alta resolución, Impreso en 3D y permite que dos corrientes de tampón saturado de oxígeno se mezclen perfectamente con una corriente central que contiene microcristales de citocromo c oxidasa bovina (bCcO). Esto inicia una reacción catalítica entre el oxígeno y los microcristales.

    Al principio

    Esta investigación fue instigada por una conversación entre la profesora de SMS, Petra Fromme, director del Centro de Descubrimiento Estructural Aplicado del Instituto Biodesign (CASD), Raimund Fromme, Profesor investigador asociado de SMS, y el profesor Denis Rousseau del Albert Einstein College of Medicine en la ciudad de Nueva York que trabaja en la estructura de la citocromo c oxidasa, una enzima clave involucrada con la respiración aeróbica.

    La citocromo c oxidasa (CcO) es la última enzima en la cadena de transporte de electrones respiratorios de las células ubicadas en la membrana mitocondrial. Recibe un electrón de cada una de las cuatro moléculas del citocromo c, y los transfiere a una molécula de oxígeno (dos átomos), convertir el oxígeno molecular en dos moléculas de agua.

    Investigadores de CASD, incluido el profesor de física Richard Snell de ASU, John Spence, ayudó a ser pionero en una nueva técnica llamada cristalografía en serie de femtosegundos (millonésima de mil millonésima de segundo) resuelta en el tiempo (TR-SFX). Esta técnica aprovecha un láser de electrones libres de rayos X (XFEL) en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía (DOE), Stanford.

    SFX es una técnica prometedora para la determinación de la estructura de proteínas, donde una corriente líquida que contiene cristales de proteínas se cruza con un haz XFEL de alta intensidad que es mil millones de veces más brillante que las fuentes tradicionales de rayos X de sincrotrón.

    Mientras que los cristales difractan e inmediatamente después son destruidos por el intenso rayo XFEL, los patrones de difracción resultantes se pueden registrar con detectores de última generación. Se han desarrollado nuevos y poderosos métodos de análisis de datos, permitiendo a un equipo analizar estos patrones de difracción y obtener mapas de densidad de electrones e información estructural detallada de proteínas.

    El método es especialmente atractivo para proteínas difíciles de cristalizar, como las proteínas de membrana, ya que produce información estructural de alta resolución a partir de pequeños microcristales o nanocristales, reduciendo así la contribución de los defectos cristalinos y evitando el tedioso (si no imposible) crecimiento de cristales grandes como se requiere en la cristalografía tradicional basada en sincrotrón.

    Este nuevo método de "difracción antes de la destrucción" ha abierto nuevas vías para la determinación estructural de biomoléculas frágiles en condiciones fisiológicamente relevantes (a temperatura ambiente y en ausencia de crioprotectores) y sin daño por radiación.

    El CcO reduce el oxígeno al agua y aprovecha la energía química para impulsar la reubicación del protón (átomo de hidrógeno cargado positivamente) a través de la membrana mitocondrial interna mediante un mecanismo no resuelto previamente.

    En resumen, Los estudios TR-SFX han permitido la determinación estructural de un oxígeno intermedio clave de bCcO. Los resultados de los experimentos del equipo proporcionan nuevos conocimientos sobre el mecanismo de reubicación de protones en la enzima de la vaca en comparación con el de los CcO bacterianos. y allana el camino para la determinación de las estructuras de otros intermedios de CcO, así como especies transitorias formadas en otras reacciones enzimáticas.


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