Un nuevo estudio de la Universidad de Miami y la Universidad de Nebraska-Lincoln ha puesto patas arriba décadas de doctrina sobre una enzima cuya mutación o mal funcionamiento puede desencadenar enfermedades mortales en etapas tempranas de la vida. El equipo de investigación, que incluía a Jonathan Dietz y Javier Seravalli de Nebraska, informó sus hallazgos en la revista Nature Communications .

Esa enzima, la citocromo c oxidasa, reside en las mitocondrias y actúa como puerta de entrada a los orgánulos celulares más conocidos por generar energía que impulsa todo tipo de operaciones de mantenimiento de la vida. La citocromo c oxidasa también se encuentra entre los actores finales en un desfile de interacciones al estilo de Rube Goldberg que transportan y finalmente convierten la moneda bioquímica (oxígeno y glucosa) en la molécula de almacenamiento de energía conocida como ATP.

El ensamblaje de la propia citocromo c oxidasa tampoco es un proceso simple. De hecho, los bioquímicos han pasado años descifrando cómo se ensambla la enorme enzima.

"Es una maquinaria realmente sofisticada", dijo Oleh Khalimonchuk, profesora de bioquímica Susan J. Rosowski en Nebraska y coautora principal del estudio.

Los bioquímicos inicialmente investigaron la enzima en bacterias, levaduras y otros organismos unicelulares que desarrollaron citocromo c oxidasa mucho antes que los humanos. Pero la complejidad tanto de las células humanas como de la enzima, que consta de más de una docena de subunidades, ha complicado los intentos de evaluar su ensamblaje en esas células. Sin embargo, hasta la fecha, los investigadores han supuesto que el ensamblaje del núcleo catalítico de la enzima se desarrolla en los humanos tanto como en los microorganismos.

Dirigido por Antoni Barrientos y Eva Nývltová de Miami, el equipo Hurricane-Husker emprendió la ardua tarea de eliminar, uno por uno, más de una docena de genes que dirigen la producción de proteínas y otras moléculas que se cree que ensamblan la enzima en los humanos. Al analizar los resultados de cada eliminación, los investigadores lograron identificar los MVP moleculares en la línea de ensamblaje, caracterizar sus contribuciones a ese ensamblaje y determinar su orden de operaciones con una precisión casi sin precedentes.

Parte de lo que encontraron iba en contra de la literatura del campo aceptada desde hace mucho tiempo.

"La forma en que se han presentado los conceptos en los estudios de bacterias y levaduras resultó no ser exactamente la misma en las células humanas", dijo Khalimonchuk sobre los componentes de ensamblaje de enzimas. "Creo que esto básicamente rompe un paradigma de décadas en términos de cómo se comportan estos factores".

Una de las principales sorpresas llegó en forma de COX11, una proteína que ayuda al ensamblaje tan crítica en la levadura que sin ella, dijo Khalimonchuk, "esas mitocondrias están muertas en el agua". En las células humanas, confirmó el equipo, la COX11 se asocia con otras proteínas para acompañar a los átomos de cobre a través de una célula y anidarlos en dos subunidades centrales de la citocromo c oxidasa. A partir de ahí, los átomos de cobre ayudan a desencadenar la producción de ATP que almacena energía al aceptar electrones y pasar protones a una mitocondria.

Sin embargo, cuando los investigadores eliminaron el gen responsable de la COX11, descubrieron que las células resultantes todavía lograron ensamblar alrededor del 15 % de las oxidasas de citocromo c que suelen hacer, manteniendo aproximadamente el 60 % de su producción habitual de ATP. Más tarde, el equipo determinó que las células humanas a las que les falta COX11 pueden llamar a otras proteínas que, a pesar del promedio de bateo más bajo, pueden ser efectivas. Y cuando el equipo manipuló las células para producir más cantidad de la proteína conocida como PET191, el conjunto de oxidasas de citocromo c sin COX11 saltó del 15 % al 40 %.

"Resolvió un enigma, porque muchas mutaciones en los factores de ensamblaje de la citocromo oxidasa están vinculadas a enfermedades en humanos", dijo Khalimonchuk. "Hay toneladas de enfermedades congénitas, pero nunca se habían informado con una mutación en COX11, a diferencia de cualquier otro factor con el que hemos estado lidiando. Esto fue muy extraño. Pero ahora estos datos realmente explican por qué:porque es parcialmente prescindible ."

Pero Khalimonchuk y sus colegas también concluyeron que la COX11, que se une a ciertas proteínas hasta que esas proteínas están listas para acompañar al cobre en las subunidades centrales de la enzima, actúa como una protección reguladora contra la acumulación a largo plazo de moléculas tóxicas. Eso es particularmente importante, dijo, dado el cóctel explosivo de oxígeno y moléculas ricas en electrones que a menudo se arremolinan alrededor de las mitocondrias.

"Puede pensar en la oxidasa como una bomba de relojería, porque tiene todas estas cosas que están preparadas para una reacción inmediata:aceptar electrones, reaccionar con oxígeno, etc.", dijo Khalimonchuk. "Así que todo tiene que estar bien afinado y estar en su lugar (en el momento adecuado). Si algo no está bien, si tiene un ensamblaje incorrecto, algunas subunidades huérfanas, algo expuesto a un entorno que no debería ser, eso es una situación realmente peligrosa. Se encenderán de inmediato, y eso tiene algunas consecuencias bastante perjudiciales para una célula.

"Parte de la razón por la que se cree que estas enfermedades son tan desagradables y drásticas se debe a estas características de la citocromo oxidasa".

De esa manera, el examen de las minucias de la citocromo c oxidasa resultará esencial para un mejor diagnóstico y, finalmente, el tratamiento de las nefastas enfermedades que puede causar su disfunción, dijo Khalimonchuk. Un ejemplo raro pero devastador, el síndrome de Leigh, afecta el sistema nervioso de los recién nacidos, que generalmente sobreviven solo unos pocos años.

"Hay todo un espectro de enfermedades congénitas", dijo Khalimonchuk. "Todos son de inicio temprano, porque necesitas respirar (y producir ATP) prácticamente desde el principio. Las enfermedades mitocondriales son desagradables en general, pero estas son particularmente desagradables".

Al explicar el valor de los hallazgos centrados en las mitocondrias, Khalimonchuk citó investigaciones recientes que muestran que administrar oxígeno a pacientes con enfermedades mitocondriales graves, una táctica común en las salas de emergencia, en realidad es perjudicial.

Eso solo representa progreso, dijo Khalimonchuk. Pero pasar de los correctivos y las recomendaciones a los medicamentos que pueden salvar vidas exigirá que los bioquímicos sigan revisando la letra pequeña de los manuales de instrucciones de la citocromo c oxidasa y la maquinaria mitocondrial similar. Eso significa colaboración, dijo, y la voluntad de asumir el "largo esfuerzo" del trabajo arduo pero crucial.

"Esperamos que haya más seguimientos, no solo necesariamente por nosotros, para comprender aún mejor todo este proceso", dijo Khalimonchuk, "y tal vez encontrar algunas otras piezas faltantes". + Explora más

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