Efluxo de Ca2+ facilitado por co

Biologia das Comunicações volume 6, Número do artigo: 573 (2023) Citar este artigo

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O Ca2+ é um importante mensageiro de sinalização. Em microrganismos, fungos e plantas, sabe-se que os antiportadores de H+/Ca2+ (CAX) desempenham papéis-chave na homeostase do Ca2+ intracelular, catalisando seu efluxo através da membrana celular. Aqui, nós revelamos que o YfkE, homólogo de CAX bacteriano, transporta Ca2+ em dois modos distintos: um modo de troca de H+/Ca2+ de baixo fluxo e um modo de alto fluxo no qual Ca2+ e íons fosfato são co-transportados (1:1) em troca de H+. O acoplamento com fosfato acelera muito a atividade de efluxo de Ca2+ de YfkE. Nossos estudos revelam que o Ca2+ e o fosfato se ligam a locais adjacentes em uma via de translocação central e levam a percepções mecanísticas que explicam como esse CAX altera seus motivos de repetição alfa conservados para adotar o fosfato como um "chaperon de transporte" específico para a translocação de Ca2+. Esta descoberta revela um mecanismo de cotransporte dentro da família CAX que indica que esta classe de proteínas contribui para a homeostase celular de Ca2+ e fosfato.

Os íons de cálcio estão entre os íons metálicos mais abundantes na natureza e são cruciais para muitas funções importantes nas células, onde o Ca2+ serve como um mensageiro versátil1,2. Os sinais de Ca2+ são tipicamente iniciados pelo influxo de Ca2+ para o citoplasma por meio de canais de membrana seletivos e são ainda aumentados pelo efluxo de Ca2+ de organelas intracelulares, como o retículo endoplasmático. No entanto, altos níveis sustentados de Ca2+ citosólico são letais. Os antiportadores de cátion-cálcio (CaCA) são essenciais para restaurar a homeostase do Ca2+. Essa família de transportadores de membrana, que inclui os antiportadores H+/Ca2+ (CAX) e os trocadores Na+/Ca2+ (NCX), sequestram e exportam ativamente Ca2+ para fora do citosol, alimentados pelo influxo de gradientes eletroquímicos transmembranares descendentes de H+ ou Na+3,4.

CAXs são onipresentes em bactérias, fungos e plantas3. Por exemplo, três homólogos de CAX, conhecidos como CAX1-3, foram identificados em Arabidopsis e mais de vinte outros em macieiras3,5. Nas células vegetais, as proteínas CAX estão presentes nas membranas plasmática e tonoplástica e facilitam o movimento do Ca2+ citosólico para fora da célula ou de volta para os vacúolos ácidos, em resposta a vários estímulos, incluindo frio, salinidade e mudanças no pH do solo5,6, 7,8. Os homólogos de CAX também são onipresentes em microrganismos, embora seus papéis fisiológicos requeiram mais investigação. O Ca2+ está envolvido em uma ampla gama de processos bacterianos, incluindo quimiotaxia, divisão celular e esporulação;9 a sinalização de Ca2+ também foi implicada na infecção bacteriana e nas interações patógeno-hospedeiro10. É provável que as proteínas CAX desempenhem um papel central nesses processos, pois parecem ser os principais sistemas de efluxo de Ca2+ nas bactérias. Portanto, elucidar o mecanismo de transporte de CAX ajudará a entender como esses organismos mantêm o equilíbrio de Ca2+ em resposta a perturbações e sinalização de Ca2+.

Estruturalmente, todas as proteínas CAX parecem compartilhar uma arquitetura básica comum, consistindo de onze hélices transmembrana (TM). Dois motivos de sequência conservada, referidos como α-repeats, são encontrados nas hélices TM2-3 e TM7-8 e parecem fornecer sítios para reconhecimento de H+ e Ca2+. As estruturas de raios-X começaram recentemente a revelar a base molecular do mecanismo desta classe de antiportadores, nomeadamente os YfkE de Bacillus subtilis, VCX1 de Saccharomyces cerevisiae e CAX_Af de Archaeoglobus fulgidus11,12,13. Essas estruturas sugerem um mecanismo em que as hélices TM2-3 e TM7-8 adotam arranjos distintos que expõem alternadamente sítios de reconhecimento para H+ e Ca2+ em ambos os lados da membrana. Essas três estruturas, no entanto, capturam um estado semelhante no mecanismo de acesso alternado, ou seja, um que é aberto internamente (ou seja, para o citosol), no qual dois resíduos de glutamato conservados importantes para a atividade de troca H+/Ca2+ estão localizados adjacentemente em um íon central -local de ligação. Esses dois resíduos carboxilatos coordenam um íon Ca2+ na estrutura VCX111. Se as estruturas de YfkE e CAX_Af capturam um estado não ligado ou ligado a H+ não ficou imediatamente aparente, embora os dois resíduos de carboxilato (E72 e E255 em YfkE) adotem conformações diferentes em comparação com o estado ligado a Ca2+ de VCX1. Recentemente, nossos estudos para YfkE também descobriram que seu mecanismo de acesso alternado é alostericamente regulado pela ligação de Ca2+ a um minissensor intracelular de Ca2+12.