Pesquisadores descobrem como organismos fotossintéticos regulam e sintetizam ATP – ScienceDaily

O ATP, composto essencial para o funcionamento de organismos fotossintéticos como plantas e algas, é produzido por uma enzima chamada “cloroplasto ATP sintase” (CF_oCF₁). Para controlar a produção de ATP sob diferentes condições de luz, a enzima usa um mecanismo regulador redox que modifica a atividade de síntese de ATP em resposta a mudanças no estado redox dos resíduos de cisteína (Cys), que existem como ditióis sob condições redutoras (luz), mas formam uma ligação dissulfeto sob condições oxidantes (escuras). No entanto, esse mecanismo ainda não foi totalmente compreendido.

Agora, em um estudo publicado no Anais da Academia Nacional de Ciênciasuma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo Prof. Toru Hisabori, do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), descobriu o papel das sequências de aminoácidos presentes na CF_oCF₁revelando como a enzima regula a produção de ATP em organismos fotossintéticos.

Compreender como é a conformação dos aminoácidos presentes na CF_oCF₁ contribui para o mecanismo de regulação redox, os pesquisadores usaram a alga verde unicelular, Chlamydomonas reinhardtii, para produzir a enzima. “Ao alavancar a poderosa genética de Chlamydomonas reinhardtii como um organismo modelo para a fotossíntese, realizamos uma análise bioquímica abrangente do CF_oCF₁ molécula”, explica o Prof. Hisabori.

Com a alga como organismo hospedeiro, a equipe introduziu plasmídeos (molécula de DNA extracromossômica que pode se replicar independentemente) que codificam o F₁ componente do CF_oCF₁ proteína, ou seja, a parte da enzima que contém sítios catalíticos para a síntese de ATP. Eles também introduziram versões mutantes do gene para alterar as sequências de aminoácidos da proteína, visando especificamente o motivo DDE (um aglomerado de aminoácidos carregados negativamente), o loop redox e o domínio β-hairpin.

Eles então purificaram o CF_oCF₁gerando cinco variações diferentes dela que incluíam uma cepa do tipo selvagem sem alterações na sequência de aminoácidos e quatro cepas mutantes: uma com o motivo DDE substituído por aminoácidos neutros, Asn-Asn-Gln, uma sem o β-hairpin domínio, um sem o loop redox e um sem o loop redox e o domínio β-hairpin.

Ao testar a atividade de síntese de ATP desses mutantes em condições redutoras (imitando as condições de luz) e oxidantes (imitando as condições escuras), os pesquisadores descobriram que a enzima do tipo selvagem e a enzima mutante com alterações no motivo DDE funcionavam normalmente (mostraram alta atividade quando reduzida e baixa atividade quando oxidada). No entanto, os complexos enzimáticos sem o loop redox ou o domínio β-hairpin não mostraram a resposta redox, indicando que ambas as regiões estavam envolvidas no mecanismo de regulação redox.

Os pesquisadores sugeriram que, em condições escuras, a ligação dissulfeto entre os resíduos Cys torna o loop redox rígido e enfraquece a interação entre o loop redox e o β-hairpin. Isso faz com que o gancho β permaneça preso dentro de uma cavidade na proteína. No entanto, quando a ligação dissulfeto é reduzida na presença de luz, o loop redox recupera sua flexibilidade e puxa o grampo β para fora da cavidade, permitindo que ele participe da atividade de síntese de ATP.

“A regulação redox da síntese de ATP é realizada por uma interação cooperativa entre dois domínios de subunidade γ de CF_oCF₁ exclusivo para organismos fotossintéticos”, diz o Prof. Hisabori. “Propomos que resulta da interação do β-hairpin e do loop redox com o sítio catalítico.”

Os resultados são um passo importante para entender melhor o processo de fotossíntese, com potencial para implicações significativas nas áreas de agricultura e bioenergia.