Complexos de proteínas da cadeia de transporte de elétrons reforçam o caso de um criador

Imagem gerada por IA (acervo de Lexica)

por Fazale Rana

6 de fevereiro de 2019

Quando eu era criança, eu passava muitas tardes de sábado “ajudando” meu pai a consertar o carro da família. Que desajeitado.

Não tínhamos garagem, então estacionávamos o carro na rua em frente à casa. Nossa casa era construída em uma encosta e a única maneira de chegar até ela era subir um longo lance de escadas da rua.

Eu não era muito velho na época — talvez 6 ou 7 — então meu trabalho era servir como ajudante do meu pai. Em vez de me pedir para carregar sua caixa de ferramentas para cima e para baixo no lance de escadas, ele me mandava para frente e para trás quando precisava de uma ferramenta específica. Geralmente era assim: "Fuz, vá me buscar uma chave de fenda". Eu subia e descia as escadas. E, quando eu voltava: "Essa é a chave de fenda errada. Dê-me a de ponta chata". Novamente, depois que eu voltava de outra ida e volta nas escadas: "Não, aquela de ponta chata e cabo azul". Eu subia e descia as escadas, mas novamente: "Por que você trouxe todas as chaves de fenda? Leve o resto de volta para cima das escadas e coloque-as na caixa de ferramentas". Quando ele terminou de trabalhar em nosso carro, eu estava frustrado e exausto.

Embora eu não tenha me divertido muito ajudando meu pai, eu gostava de espiar sob o capô do nosso carro. Eu era fascinado pelo motor. Do meu ponto de vista quando criança, o motor do carro parecia ser desconcertantemente complexo. E de alguma forma meu pai sabia o que fazer para fazer o carro funcionar. Claramente, ele entendia como ele foi projetado e montado.

Como estudante de pós-graduação, quando comecei a estudar bioquímica a sério, fiquei surpreso com a complexidade desconcertante dos sistemas químicos da célula. Como um motor de automóvel, a complexidade da célula não é aleatória, mas exibe um grau notável de ordem e organização. Há uma engenhosidade subjacente à maneira como os sistemas bioquímicos são montados e à maneira como operam. E, na maior parte, os bioquímicos adquiriram uma boa compreensão de como esses sistemas são projetados.

Nessa linha, uma das revelações mais notáveis e provocativas sobre sistemas bioquímicos foi a descoberta de complexos proteicos que servem à célula como máquinas e motores em escala molecular — muitos dos quais têm uma semelhança assustadora com máquinas feitas pelo homem. Dois estudos recentes ilustram essa semelhança impressionante ao revelar novas informações sobre a estrutura e a função de dois complexos proteicos que fazem parte da cadeia de transporte de elétrons: a F₁-F₀ ATPase e o complexo respiratório I. Esses complexos proteicos onipresentes são duas das enzimas mais importantes na biologia devido ao papel central que desempenham nas reações de coleta de energia.

F₁-F₀ ATPase

Este complexo proteico bem estudado desempenha um papel fundamental na coleta de energia para a célula usar. F₁-F₀ ATPase é um motor rotativo em escala molecular (veja a Figura 1). A porção F₁ do complexo tem formato de cogumelo e se estende acima da superfície da membrana. O “botão do cogumelo” corresponde literalmente a uma turbina de motor. A turbina F₁-F₀ ATPase interage com a parte do complexo que se parece com um “talo de cogumelo”. Este componente semelhante a um talo funciona como um rotor.

 

Figura 1: Um desenho do motor rotativo F₁-F₀ ATPase.
(Cam = came / Stator = estator / Turbine = turbina / F₀ Channel = Canal F₀)
Imagem de Reasons to Believe.

Localizada na membrana interna da mitocôndria, a F₁-F₀ ATPase faz uso de um gradiente de prótons através da membrana interna para conduzir a produção de ATP (adenosina trifosfato), um composto de alta energia usado pela célula para alimentar muitas de suas operações. Como os prótons são carregados positivamente, a região externa fora da membrana interna é carregada positivamente e a região interna é carregada negativamente. O diferencial de carga criado pelo gradiente de prótons é análogo a uma bateria, e a membrana interna é como um capacitor.

O fluxo de íons de hidrogênio carregados positivamente através do componente F₀, embutido na membrana celular, impulsiona a rotação do rotor. Uma estrutura de proteína em forma de haste que também se estende acima da superfície da membrana serve como um estator. Esta haste de proteína interage com a turbina, mantendo-a estacionária enquanto o rotor gira.

A corrente elétrica que flui pelos canais do complexo F₀ é transformada em energia mecânica, que então impulsiona o movimento do rotor. Um came que se estende em um ângulo reto da superfície do rotor causa deslocamentos da turbina. Esses movimentos de vai e vem são usados para produzir ATP.

Embora os bioquímicos tenham aprendido muito sobre esse complexo proteico, eles ainda não entendem algumas coisas. Recentemente, uma equipe de colaboradores dos EUA determinou o caminho que os prótons tomam ao se moverem através do componente F₀ embutido na membrana interna. [1]

Para realizar esse feito, a equipe de pesquisa prendeu o complexo enzimático em uma única conformação fundindo o estator ao rotor. Esse procedimento expôs os canais no complexo F₀ e revelou o caminho preciso tomado pelos prótons conforme eles se movem pela membrana interna. Conforme os prótons passam por esses canais, eles desencadeiam mudanças conformacionais que impulsionam a rotação do rotor em uma volta completa para cada próton conforme ele se move pelo canal.

Complexo Respiratório I

O complexo respiratório I serve como o primeiro complexo enzimático da cadeia de transporte de elétrons. Este complexo transfere elétrons de alta energia de um composto chamado nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH) para uma pequena molécula associada à membrana interna da mitocôndria chamada coenzima Q. Os elétrons de alta energia do NADH são capturados durante a glicólise e o ciclo de Krebs, duas vias metabólicas envolvidas na quebra do açúcar, glicose.

Durante o processo de transferência de elétrons, o complexo respiratório I também transporta quatro prótons do interior da mitocôndria através da membrana interna para o espaço externo (Figura 2). Em outras palavras, o complexo respiratório I ajuda a gerar o gradiente de prótons F₁-F₀ que a ATPase usa para gerar ATP. Segundo algumas estimativas, o complexo respiratório I é responsável por estabelecer cerca de 40 por cento do gradiente de prótons através da membrana interna.

Figura 2: Cadeia de transporte de elétrons na mitocôndria (Wikimedia Commons via Ciência Hoje)
[A imagem original usada por Reasons to Believe não pode ser reproduzida aqui. Para vê-la, acesse o artigo em inglês aqui ou veja a imagem original em Shutterstock.]
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De tamanho maciço, 45 subunidades de proteínas individuais compõem o complexo respiratório I. As subunidades interagem para formar dois braços, um embutido na membrana interna e outro se estendendo para dentro da matriz mitocondrial. Os dois braços são dispostos para formar uma geometria em forma de L.

Figura 3: Desenho do complexo respiratório I. (Imagem de Wikipedia via Reasons to Believe; tradução de Sobre As Origens)

O processo de transferência de elétrons ocorre no braço periférico que se estende para dentro da matriz mitocondrial (para cima na Figura 3). Por outro lado, o mecanismo de transporte de prótons ocorre no braço embutido na membrana (à direita).

O mecanismo de translocação de prótons através da membrana interna serviu como foco de um estudo conduzido por uma equipe de pesquisa da Universidade de Oxford, no Reino Unido. [2] Esses pesquisadores descobriram que o transporte de prótons através da membrana interna é conduzido pelo comportamento semelhante ao de uma máquina do complexo respiratório I. O processo de transferência de elétrons através do braço periférico resulta em mudanças conformacionais (mudanças na forma) nesta parte do complexo. Essa mudança conformacional conduz o movimento de um cilindro de hélice alfa como um pistão no braço de membrana do complexo. O movimento de bombeamento da hélice alfa faz com que três outros cilindros se inclinem e, ao fazer isso, abre canais para os prótons se moverem através do braço de membrana do complexo.

Argumento do Relojoeiro Revitalizado

A descoberta de enzimas com domínios semelhantes a máquinas por bioquímicos como exemplificado pela F₁-F₀ ATPase e complexo respiratório I, revitaliza o Argumento do relojoeiro. Popularizado por William Paley no século XVIII, esse argumento afirma que, assim como um relógio requer um relojoeiro, a vida também requer um Criador.

Essa analogia simples, porém poderosa, foi desafiada por céticos como David Hume, que afirmam que a conclusão necessária de um Criador, com base no raciocínio analógico, só é convincente se houver um alto grau de similaridade entre os objetos que formam a analogia. Os céticos há muito argumentam que a natureza e um relógio são suficientemente diferentes para que a conclusão tirada do Argumento do relojoeiro seja infundada.

Mas devido à semelhança impressionante entre as partes de máquina dessas enzimas e dispositivos feitos pelo homem, a descoberta de enzimas com domínios que são análogos diretos a dispositivos feitos pelo homem aborda essa preocupação. Para esse fim, é provocativo que quanto mais aprendemos sobre complexos enzimáticos como F₁-F₀ ATPase, mais seu caráter de máquina se torna aparente. Também é instigante que, à medida que os bioquímicos estudam a estrutura e a função de complexos de proteínas, novos exemplos de análogos a máquinas feitas pelo homem surgem. Em ambos os casos, o argumento do relojoeiro recebe nova vitalidade.

Quando criança, espiando sob o capô do carro da nossa família e observando meu pai trabalhar no motor, me convenci de que algumas pessoas realmente inteligentes que sabiam o que estavam fazendo projetaram e construíram aquela máquina. Da mesma forma, as notáveis propriedades semelhantes a máquinas exibidas por muitos complexos de proteínas na célula tornam racional concluir que a vida vem do trabalho de uma Mente.

Recursos {Os artigos foram já traduzidos e publicados aqui no blog.}

• The Cell’s Design: How Chemistry Reveals the Creator’s Artistry (O design da célula: Como a química revela a arte do criador) por Fazale Rana (livro)
• “Um relógio bioquímico encontrado em uma célula” por Fazale Rana (artigo)
• “O caso provocativo do design: nova descoberta destaca o caráter semelhante ao de uma máquina do flagelo bacteriano” por Fazale Rana (artigo)
• “Estrutura do flagelo bacteriano reforça o caso do design” por Fazale Rana (artigo)
• “Estruturas de proteínas revelam ainda mais evidências de design” por Fazale Rana (artigo)
• “Nova descoberta aumenta evidências para o design” por Fazale Rana (artigo)
• “Abordando as preocupações de um crítico e o caso do design” por Fazale Rana (artigo)

Notas de Fim

1. Anurag P. Srivastava et al., “High-Resolution Cryo-EM Analysis of the Yeast ATP Synthase in a Lipid Membrane”, Science 360, n.º 6389 (11 de maio de 2018), doi:10.1126/science.aas9699.
2. Rouslan G. Efremov et al., “The Architecture of Respiratory Complex I”, Nature 465 (27 de maio de 2010): 441–45, doi:10.1038/nature09066.

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Traduzido de Electron Transport Chain Protein Complexes Rev Up the Case for a Creator (RTB)

Etiquetas:

bioquímica - argumento a partir do design