Basi strutturali dell'assorbimento di ioni nel rame

Mar 01, 2024

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5121 (2022) Citare questo articolo

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Il rame è essenziale per le cellule viventi, ma è tossico a concentrazioni elevate. Le ATPasi di tipo P di classe 1B (P1B-) sono presenti in tutti i regni della vita, facilitando l'esportazione cellulare di metalli di transizione compreso il rame. Le ATPasi di tipo P seguono un meccanismo di accesso alternato, con conformazioni E1 rivolte verso l'interno ed E2 rivolte verso l'esterno. Tuttavia, non sono disponibili informazioni strutturali sugli stati E1 per le P1B-ATPasi, ostacolando la comprensione meccanicistica. Qui presentiamo strutture che raggiungono una risoluzione di 2,7 Å di una P1B-ATPasi specifica del rame in una conformazione E1, con dati e analisi complementari. I nostri sforzi rivelano una disposizione dei domini che genera spazio per l'interazione con accompagnatori donatori di ioni e suggerisce un trasferimento diretto di Cu+ al nucleo transmembrana. Una metionina svolge un ruolo chiave assistendo il rilascio dello ione legato al chaperone e formando un sito di ingresso del carico insieme alle cisteine ​​del motivo distintivo CPC. Nel complesso, i risultati forniscono approfondimenti sul trasporto mediato da P1B, probabilmente applicabile anche ai membri P1B umani.

Il rame è un metallo di transizione che svolge funzioni vitali all'interno delle cellule ed è quindi un micronutriente essenziale per gli organismi di tutti i regni della vita. La sua capacità di effettuare cicli redox tra gli stati ridotto (Cu+) e ossidato (Cu2+) viene sfruttata in una gamma di enzimi chiave, ad esempio la citocromo c ossidasi o la NADH deidrogenasi, fondamentali per processi metabolici fondamentali come la respirazione cellulare1. Tuttavia, il rame intracellulare libero può innescare la formazione di radicali ossidrili tossici e spostare altri metalli dalle proteine2. Di conseguenza, i livelli di rame intracellulare sono strettamente regolati, mediati da numerosi chaperon, regolatori e proteine ​​di esportazione dedicati, in particolare ATPasi di tipo P che trasportano il rame.

Le ATPasi di tipo P comprendono una grande superfamiglia che accoppia l'energia derivante dall'idrolisi dell'ATP al trasporto del carico attraverso le membrane biologiche. Sono suddivisi in cinque sottofamiglie, P1-5, con un massimo di quattro sottoclassi, AD, in base all'identità di sequenza e alla specificità di trasporto3, che spazia dai cationi metallici ai fosfolipidi4, alle poliammine5 e alle eliche transmembrana6. La sottoclasse 1B specifica del metallo di transizione (P1B-ATPasi) catalizza l'efflusso, ad esempio, di Zn2+, Co2+, Fe2+ dall'interno della cella e include membri specifici del rame che sono storicamente suddivisi in P1B-1- (CopA) e P1B-3- ATPasi (CopB)7,8. Le P1B-ATPasi sono abbondanti nei procarioti, proteggendo l'organismo dallo stress dei metalli pesanti. Nell'uomo sono presenti due proteine ​​CopA, ATP7A e ATP7B. Il malfunzionamento di questi membri causa rispettivamente gravi disturbi neurologici, la malattia di Menkes e quella di Wilson9,10.

Le ATPasi di tipo P condividono un'architettura complessiva comune costituita da tre domini citosolici (attuatore (A-), fosforilazione (P-) e legame nucleotidico (N-)), insieme a un dominio che attraversa la membrana (M-) composto da sei domini onnipresenti eliche transmembrana, M1-M6 (Figura 1 supplementare). Inoltre, le P1B-ATPasi possiedono due eliche transmembrana N-terminali MA e MB, e da uno a sei domini leganti i metalli pesanti (HMBD) tipicamente N-terminali, questi ultimi con un ruolo enigmatico per la funzione legata all'assorbimento di ioni e/o regolamento11,12,13. La superfamiglia segue il cosiddetto ciclo di reazione Post Albers, un meccanismo di accesso alternato definito da conformazioni E1 rivolte verso l'interno ed E2 rivolte verso l'esterno con alta e bassa affinità, rispettivamente, per il carico trasportato dal citoplasma (interno) a quello extracellulare/luminale. lati (esterni) (Fig. 1)14,15. L'assorbimento del carico e l'occlusione dal citosol si realizzano nelle conformazioni E1 e, insieme alla fosforilazione ATP-dipendente di un aspartato catalitico invariante nel dominio P che produce la forma E1P, questo porta alla transizione allo stato E2P rivolto verso l'esterno. Il carico viene quindi rilasciato nello spazio extracellulare e dopo la defosforilazione (E2), la pompa ritorna alla conformazione E1 rivolta verso l'interno.