Arquitetura do Heme

Nature Communications volume 14, número do artigo: 5190 (2023) Citar este artigo

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Os citocromos c mono- e multiheme são maturados pós-tradução pela ligação covalente do heme. Para isso, Escherichia coli emprega o tipo mais complexo de máquinas de maturação, o sistema Ccm (para maturação do citocromo c). Consiste em dois complexos de proteínas de membrana, um dos quais transporta o heme através da membrana até um acompanhante móvel que então entrega o cofator ao segundo complexo, uma apoproteína:heme liase, para ligação covalente. Aqui relatamos estruturas microscópicas crioeletrônicas do complexo de translocação heme CcmABCD de E. coli, isoladamente e ligadas ao acompanhante heme CcmE. O CcmABCD forma um complexo heterooctamérico centrado no transportador ABC CcmAB que por si só não transporta o heme. Nossos dados sugerem que o complexo transfere um grupo heme do folheto interno para o externo em suas interfaces CcmBC, impulsionado pela hidrólise de ATP em CcmA. Um motivo conservado de manipulação de heme (WxWD) no lado periplasmático de CcmC gira o heme em 90° para ligação covalente à chaperona heme CcmE que encontramos interagindo exclusivamente com a subunidade CcmB.

Os citocromos c são uma família diversa e versátil de metaloproteínas presentes em todos os reinos da vida1. Eles contêm uma ou múltiplas cópias do cofator tetrapirrol Fe-protoporfirina IX, ou heme, e sua característica definidora é a ligação covalente desta porção metalorgânica a motivos de ligação característicos da sequência C-Xn-CH (mais comumente n = 2; Suplementar Figura 1a)2. O propósito desta modificação pós-tradução é pelo menos duplo. Primeiro, os citocromos c são invariavelmente implantados num ambiente extracitoplasmático, de modo que a ligação covalente serve para prevenir a perda do cofator. Em segundo lugar, a fixação dos grupos heme à cadeia peptídica alivia a necessidade de formar bolsas de ligação volumosas, permitindo uma relação cofator:proteína muito elevada e com ela a formação de cadeias compactadas de grupos heme dentro de uma única proteína3. Consequentemente, os papéis típicos dos citocromos c estão na transferência de elétrons ou na catalisação de reações redox multieletrônicas . O membro mais proeminente desta família de proteínas é indiscutivelmente o monoheme citocromo c da cadeia respiratória mitocondrial, onde transporta elétrons do complexo citocromo bc1 para o citocromo c oxidase5. No entanto, os procariontes desenvolveram sistemas de complexidade muito maior6, com vários e até dezenas de grupos heme numa única cadeia peptídica. Organismos selecionados, como Geobacter sulfurreducens, codificam mais de cem citocromos multiheme c em seu genoma . A maturação dos citocromos c é elaborada. Os apo-citocromos contêm uma sequência de sinal para exportação do citoplasma através do translocon Sec, e a cadeia peptídica nascente é então processada no compartimento extracitoplasmático por um complexo heme liase que reconhece os motivos de ligação ao heme e medeia a ligação covalente do cofator por adicionando os dois grupos cisteína tiol às suas cadeias laterais de vinil. Mais notavelmente, este processo é independente da sequência global da proteína e funciona para apocitocromos de tamanhos muito diferentes. A cadeia peptídica é escaneada pela liase que reconhece especificamente os motivos de ligação ao heme. Em todas as heme liases conhecidas, as proteínas da família do “manuseio do heme” desempenham um papel crucial, e a sua marca registrada é um motivo rico em triptofano, abreviado como “motivo WxWD”, pelo qual os cofatores são mantidos e posicionados para interação com a proteína8 . Como os citocromos c são uma família de proteínas evolutivamente antiga, as maturases se diversificaram ao longo do tempo, e as classificações atuais listam cinco sistemas diferentes de heme liases9,10. O mais complexo deles é o sistema I, o sistema Ccm (para maturação do citocromo c) que é encontrado em proteobactérias α e β, mitocôndrias de plantas, deinococos, arquéias e algumas proteobactérias γ e δ. Na maioria dos casos é codificado em um único operon da composição ccmABCDEFGHI (Figura 1b Complementar), cujos produtos proteicos formam dois complexos proteicos integrais de membrana com funcionalidade distinta . Aqui, um complexo CcmFHI serve como módulo de heme liase que varre o apopeptídeo, reduz dissulfetos que podem ter se formado no ambiente oxidante através de um módulo de tiorredoxina e liga cofatores heme na subunidade central da liase CcmF12,13. CcmG é uma tiorredoxina semelhante a DsbA que fornece equivalentes redutores ao complexo liase. O segundo módulo é o CcmABCD, outro complexo integral de proteínas de membrana centrado no transportador ABC CcmAB. Foi descrito como um exportador de heme que transloca os cofatores através da membrana para ligá-los à chaperona heme CcmE no periplasma . CcmE é uma proteína de membrana monotópica que se dobra em um domínio compacto de barril β e forma uma ligação covalente ao heme com um resíduo de histidina localizado em sua cauda C-terminal flexível . CcmE é o elemento que conecta o complexo de translocação heme CcmABCD e o complexo heme liase CcmFHI17, e embora CcmF invariavelmente contenha um grupo heme tipo b, são apenas cofatores entregues via CcmE que estão ligados às cadeias de apo-citocromo (Fig. 1c).