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Motores de pistão se juntam a motores rotatórios nas células

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Motores de pistão se juntam a motores rotatórios nas células 


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NADH dehydrogenase ( Complexo I ) na mitocondria

Nós derivamos a maior parte das energia que consumimos a partir de um processo altamente eficiente denominado fosforilação oxidativa. durante este processo, a parte do alimento que nós comemos  é usado como combustível é completamente oxidada na mitocôndria para no final, produzir ATP. ATP sintase opera no fim de uma sequência de máquinas moleculares supercomplexas na cadeia respiratória que gera energia química (sob a forma de ATP) Ela exerce sua função a base da força motriz de prótons - um fluxo de prótons que impulsionam o rotor da ATP sintase tipo carrossel. Mas como o gradiente de prótons se estabelece? Esse é o trabalho do Complexo Respiratório I, a primeira máquina molecular  na cadeia .A construção desta bomba de protões é um esforço cooperativo de genes que residem tanto nas mitocôndrias quanto no núcleo.



As realizações de biologia molecular das duas últimas décadas culminaram em 2010 com a decifração de uma estrutura cristalina espetacular deste complexo respiratório enorme ( sendo uma proteína ) chamada NADH desidrogenase, ou também Complexo mitocondrial I. A estrutura, neste caso, não é um motor rotativo, mas, ainda mais surpreendentemente, e completamente inesperado, parece com um mecanismo de alavanca, não  muito diferente ao pistão de um motor a vapor. Alguns cientistas acham que esta importante descoberta  rivaliza com o entusiasmo da descoberta da ATP sintase.

Um tipo especial de "elemento de transmissão", que não é conhecido e encontrado em qualquer outra proteína, um novo princípio de nano- tecnologia parece ser responsável pela transdução de energia dentro do complexo por meio de acoplamento mecânico em nanoescala. Transferido para o mundo técnico, este poderia ser descrito como uma transmissão de energia por uma haste de acoplamento, que liga, por exemplo, as rodas de um trem de vapor. 




A cadeia de transporte respiratória nas mitocôndrias inclui incrivelmente hastes de acoplamento que atuam como pequenas locomotivas. Essas varas se movem extremamente rápidas. Elas  bombeiam prótons a todo o vapor, 24x7, todos os anos de sua vida. Esta maravilha mecânica é apenas um dispositivo surpreendente na primeira fase de uma cadeia respiratória que inclui cerca de 40 complexos proteicos e enzimas. A maquinaria deslumbra  uma vez que continua no seu caminho para o clímax da ATP sintase, uma das máquinas nano moleculares mais elegantes, espetaculares, eficientes e perfeitas.

Depois de dez anos de trabalhos de investigação, a análise cristalográfica de raios-x do enorme e mais complicado complexo de proteína da cadeia respiratória mitocondrial foi bem-sucedida em 2010. O complexo contém mais de 40 proteínas diferentes, marca a entrada para a respiração celular e é, portanto, também é chamado complexo I mitocondrial.

Uma e outra vez, encontramos pesquisadores ignorando o darwinismo como eles descobrem o funcionamento de máquinas moleculares na célula. O próprio Darwin nunca poderia ter imaginado que a vida em suas bases seria tão complexa, com partes agindo como dispositivos mecânicos semelhante as invenções humanas, mas, muito mais difícil de realizar, em escala atómica. Ele tem toda a aparência de relógio de bolso de Paley - só que mais elegante, mais eficiente, e mais bonito em uma escala inimaginavelmente pequena. E este é apenas um dos milhares de tais máquinas. 



O complexo I toma electrões do alimento, armazena-os em moléculas de NADH, e transfere-os em uma cadeia de receptores de electrões para partes da máquina que bombeia protões através da membrana mitocondrial para a criação de um gradiente de protões no periplasma. Torna-se agora evidente que eu Complexo inclui peças que se movem como pistões. Complexo I foi relatado em um artigo Science Express como tendo uma haste de acoplamento absolutamente incrível, semelhante a uma locomotiva ferroviária. Visualize uma velha locomotiva rugindo nas trilhas. Uma das imagens características que certamente vem à mente é o movimento oscilatório das hastes de acoplamento nas rodas. As longas varas que ligavam as rodas e forneciam uma maneira de converter a energia térmica do vapor em energia mecânica

Parece agora que o temos triliões de dispositivos mecânicos semelhantes, como estas hastes de acoplamento. Elas servem para transmitir a energia dos alimentos que ingerimos em energia mecânica, a condução de um bomba de protões dentro da mitocôndria. É tudo parte de uma série incrível de máquinas eletromecânicas nas potências da célula. NADH desidrogenase, também chamado Complexo mitocondrial I, é uma parte essencial do processo de respiração (também chamado de fosforilação oxidativa) que passa elétrons, prótons e oxigênio através de uma sofisticada cadeia de transporte de energia, de modo que a energia pode ser armazenada em ATP. Complexo I, composto por quatro partes principais e de forma semelhante a uma vara de hóquei, produz 40% da força motriz de prótons utilizados pelo ATP sintase para produzir ATP. Seu trabalho é para derivar prótons de NADH e entregá-los para cofatores adicionais e enzimas na cadeia de transporte que irão bombear os prótons para dentro da membrana mitocondrial. O potencial eléctrico criado, assim, através da membrana impulsiona o motor rotativo ATP sintase  no final da cadeia. Ao discutir o papel publicado na Science Express 3, Science Daily menciona alguns fatos surpreendentes sobre o mecanismo da respiração e como ele lida  delicadamente com os  ingredientes explosivos:

Em um experimento de laboratório, hidrogênio e gás oxigênio reagiria em uma explosão e a energia contida seria liberada na forma de calor. Na oxidação biológica, a energia é liberada pelos complexos de proteínas da cadeia respiratória fixados na  membrana   de uma maneira controlada em pequenos pacotes. Comparável a uma célula de combustível, este processo gera um potencial eléctrico da membrana, que é a força motriz da síntese de ATP. A superfície total de todas as membranas mitocondriais de um corpo humano abrange cerca de 14 metros quadrados. Este é responsável por uma produção diária de cerca de 65 kg de ATP.

O peso de 65 kg, por sinal, está perto do peso médio do corpo humano. Isso é o quanto ATP o corpo humano sintetiza a cada dia - mesmo durante o sono. Em qualquer momento, no entanto, o nosso corpo contém apenas o  ATP equivalente a energia de uma bateria AA. O potencial elétrico gerado através dos 14 metros quadrados de membrana mitocondrial impulsiona a síntese de ATP que nos sustenta - e todas as coisas vivas. O que há de novo e interessante é que uma haste de acoplamento é parte da cadeia de transporte de energia. Mais acima na enzima, uma série de conjuntos do ferro-enxofre funcionam algo como um fio eléctrico, transferindo electrões a partir do primeiro domínio para o segundo domínio. O transporte é construído de modo a evitar a formação de espécies de oxigénio reativos (ROS) perigosos. Entre o segundo e terceiro domínio, parece que a energia eléctrica é convertida em energia mecânica por meio de uma haste de acoplamento constituída por uma bobina de alfa 6 nanômetros que é "essencial para a transdução de energia conformacional para elementos de protões de bombagem no módulo distal do braço da membrana. "Em outras palavras, ele tem partes móveis.



Acoplamento indireto de transferência de elétrons para a função mecânica de bombeamento de  prótons  no complexo I. Complexo I, uma enzima encontrada na mitocôndria e membranas bacterianas, converte a energia por transferência de eletrons de acoplamento para o bombeamento de prótons.A estrutura revela  que a subunidade NuoL da enzima na transmembrana projeta uma α-hélice longa ( nossa haste de acoplamento ) que atravessa as subunidades NuoM e Nuon adjacentes. Segue a sugestão do seguinte mecanismo para explicar como a transferência de elétrons leva ao bombeamento de prótons. 
a) pares de elétrons do  intermediário metabólico NADH são transferidos para um cofator (mono nucleotídio de flavina, FMN) e, em seguida, passam  e descem ao longo de uma cadeia de ferro-enxofre na região trans membranar do complexo I, e eventualmente atingem um cofactor de quinona; setas azuis indicam a via de transferência de electrons. Isso permite que um protão (H +) passa através do complexo I na interface das regiões extra e intra membranar. Prótons também são possível entrarem pelos  canais NuoL, NuoM e Nuon do citoplasma, mas não conseguem passar. Círculos brancos com sinais de menos no desenho representam aminoácidos negativamente carregados, que são chave para o transporte de prótons.
b) Alterações conformacionais nas subunidades NuoA / j / k / h empurram a longo a α-hélice ( haste de acoplamento ) para as outras subunidades da transmembrana. Este inclina outros três hélices em NuoL,
NuoM e Nuon, provocando a reorientação de certos resíduos nas subunidades dos canais. Estas alterações conformacionais locais permitem os prótons passar através dos canais e entrar no periplasma. (o espaço
entre as membranas bacterianas exteriores e interiores).

Como este complexo proteico , e a cadeia de transporte de elétrons na mitocondria surgiu ? Bem, cenários altamente especulativos são propostos pelos proponentes de evolução. Como de Alberts por exemplo:

 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26849/

Para mim, este é mais um exemplo da maestria inventiva do designer inteligente, que soube bem antes da gente como solucionar o problema energético, para permitir a vida acontecer!!

post original:

http://reasonandscience.heavenforum.org/t2140-nadh-dehydrogenase-complex-i-in-mitochondria#4590

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