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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.46.2020.tde-23092021-093730
Documento
Autor
Nome completo
Murilo Hoias Teixeira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2020
Orientador
Banca examinadora
Arantes, Guilherme Menegon (Presidente)
Coutinho Neto, Mauricio Domingues
Kowaltowski, Alícia Juliana
Nascimento, Alessandro Silva
Título em português
Estrutura, dinâmica e reatividade de cofatores na cadeia de transporte de elétrons
Palavras-chave em português
Agregados de ferro-enxofre
Cadeia transportadora de elétrons
Complexo respiratório I
Dinâmica molecular
Energia livre
Quinonas
Resumo em português
Simulação computacional é uma ferramenta poderosa para estudos em diversos campos da ciência. Neste trabalho utilizamos modelagem molecular para investigar microscopicamente o funcionamento de cofatores da cadeia transportadora de elétrons (ETC) em bactérias e mitocôndrias. As quinonas e agregados de ferro-enxofre (Fe-S) estudados aqui são respectivamente os maiores responsáveis pelo transporte de elétrons inter- e intracomplexos da cadeia respiratória. Entender o comportamento de quinonas dentro de membranas permite fazer previsões sobre as suas interações com proteínas. Simulações de dinâmica molecular clássica com campos de força aditivos realizadas aqui mostraram que a localização de diversas quinonas em uma membrana lipídica com composição similar à membrana interna de mitocôndrias é constante para diferentes quinonas naturais e compatível com a posição dos respectivos sítios de ligação em domínios membranares dos complexos da ETC. O flip-flop de ubiquinona na membrana mitocondrial é facilitado pela sua maior porosidade, fruto de lipídeos insaturados que permitem a intrusão de algumas moléculas de água junto à cabeça polar da quinona. A difusão transversal facilitada impede que este evento limite a taxa de renovação da ETC. O complexo respiratório I da ETC apresenta o sítio de redução de quinonas mais enterrado entre seus pares. O substrato ubiquinona deve transitar de um ambiente membranar por um longo e estreito túnel até o domínio hidrofílico proteico, onde o processo de redução para a forma quinol é catalisado. Para entender este processo, foram realizadas simulações atomísticas com amostragem aumentada por potencial guarda-chuva do processo de ligação da quinona no complexo I da bactéria Thermos thermophilus. Nestas simulações, um segundo sítio estável, um intermediário no processo de ligação, foi identificado. Este pode estar relacionado ao acoplamento entre o transporte de elétrons e o bombeamento de prótons catalisados pelo complexo I. Recentemente, este intermediário foi isolado e comprovado experimentalmente. Também detectamos uma abundante hidratação interna do túnel de ligação que dificilmente é detectada em experimentos devido à mobilidade e tamanho das moléculas de água. O balanço desta hidratação é responsável pela energética de ligação de quinonas de cauda longa e curta observada nos perfis de energia livre calculados. Outros cofatores, agregados de Fe-S, têm papel fundamental no transporte de elétrons entre sítios distantes dentro de uma mesma proteína. Além disso, agregados de Fe-S oferecem suporte para o enovelamento e estruturação de enzimas envolvidas em diversas vias metabólicas. Aqui, um modelo isolado para hidrólise do agregado mononuclear de Fe-S foi utilizado para explorar os possíveis mecanismos desta reação. O mecanismo concertado de complexação e desprotonação de uma molécula de água com a saída de um grupo tiol apresenta as menores barreiras. Em pH baixo, este mecanismo apresenta barreiras ainda menores e, portanto, pode ser o mecanismo catalítico utilizado por enzimas na síntese e degradação de agregados de Fe-S. As baixas barreiras observadas em meio ácido sugerem que agregados de Fe-S devem estar enterrados em proteínas para evitar sua degradação
Título em inglês
Structure, dynamics and reactivity of cofactors in the electron transport chain
Palavras-chave em inglês
Electron transport chain
Free energy
iron-sulfur clusters
Molecular dynamics
Quinones
Respiratory complex I
Resumo em inglês
Computer simulations are powerful tools in several science fields. Here, we apply molecular modeling to microscopically investigate how cofactors of the electron transport chain (ETC) work in bacteria and mitochondria. Quinones and iron-sulfur (Fe-S) clusters studied here are the major players respectively on inter- and intra-electron transport on respiratory chain complexes. Understanding of how quinones behave inside membranes allows predictions of their interactions with proteins. Classical molecular dynamics simulations with additive force fields performed here have shown that localization of different quinones in a lipid membrane with similar composition to inner mitochondrial membranes is constant to several natural quinones and compatible with respective quinone binding sites located in hydrophobic domains of ETC complexes. Ubiquinone flip-flop in the mitochondrial membrane is easier due to a higher porosity, created by unsaturated lipids that allow intrusion of few water molecules together with the the quinone polar head. A facilitated transversal diffusion prevents this event to limit the turnover rate of ETC. The respiratory complex I presents the most buried quinone reduction site of all ETC complexes. The substrate ubiquinone has to transit from a membrane environment through a narrow and long tunnel up to the hydrophilic protein domain, where the reduction process to quinol form is catalyzed. To understand this process, atomistic umbrella sampling simulations of the quinone binding process in the complex I of the bacteria Thermos thermophilus were performed. On these simulations, a second stable site, an intermediary in the binding process, was identified. This may be related to the coupling between the electron transport and proton pumping processes catalyzed by complex I. Recently, this intermediary was isolated and verified experimentally. We also found extensive internal hydration inside the binding tunnel which is hardly detected experimentally due to the size and mobility of water molecules. The balance of such hydration is responsible for the binding energetics of long and small tail quinones observed on the calculated free energy profiles. Another class of cofactors, Fe-S clusters, has a fundamental role in the electron transport between distant sites present inside the same protein. Moreover, Fe-S clusters offer structural support to folding and shape of enzymes involved in several metabolic pathways. Here, an isolated model for hydrolysis of a mononuclear Fe-S cluster was chosen to explore possible mechanisms for this reaction. The concerted mechanism of complexation and deprotonation of a water molecule with the leave of a thiol group presents the smaller energy barriers. At low pH, this mechanism presents even smaller barriers and, therefore, may be the catalytic mechanism employed by enzymes in biosynthesis and degradation of Fe-S clusters. The small barriers found in acidic conditions suggest that functional Fe-S clusters should be buried in proteins to avoid its degradation
 
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Data de Publicação
2021-09-24
 
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