Mecanismos moleculares do complexo respiratório I

• Processo: 20/14542-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de maio de 2021
• Data de Término da vigência: 30 de abril de 2023
• Área de conhecimento: Ciências Biológicas - Biofísica - Biofísica Molecular
• Pesquisador responsável: Guilherme Menegon Arantes
• Beneficiário: Caroline Simões Pereira
• Instituição Sede: Instituto de Química (IQ). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Assunto(s): Bioquímica Química quântica Transporte de elétrons Mecanismos moleculares Simulação de dinâmica molecular Ubiquinona Enzimologia Proteínas da membrana
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: cadeia de transporte de elétrons | Dinâmica Molecular | Enzimologia | Mm | potenciais híbridos QM | Proteinas de membrana | simulação molecular | Bioquímica computacional

Resumo

O complexo respiratório I é responsável pela transdução de cerca de metade da energia química usada numa célula ao catalisar a transferência de elétrons do metabólito NADH para coenzima-Q acoplada ao bombeamento de prótons e à geração de um gradiente eletroquímico transmembranar. Embora décadas de pesquisa, incluindo impressionantes avanços estruturais recentes, tenham contribuído para compreensão do funcionamento molecular do complexo I, dúvidas fundamentais ainda persistem, principalmente em relação ao mecanismo do acoplamento. Aqui propomos aplicar metodologias avançadas de simulação molecular em combinação com resultados experimentais obtidos por colaboradores para elucidar diferentes aspectos mecanísticos do complexo I. Em particular, investigaremos como ocorre a re-protonação dos resíduos catalíticos envolvidos na redução do substrato coenzima-Q e o bombeamento de prótons em regiões transmembranares, determinando propriedades de hidratação interna e perfis de energia livre para processos de transferência de prótons com simulações de dinâmica molecular e potenciais híbridos de Química Quântica e Mecânica Molecular (QM/MM). Empregaremos simulações a pH constante para identificar mudanças conformacionais correlacionadas a alteração dos estados de protonação em resíduos expostos aos sítios de ligação de coenzima-Q e na região central transmembranar, em diferentes ocupações e composições de substrato. Também simularemos a ligação de rotenona e derivados para compreender seus mecanismos de atividade inibitória. A pesquisa aqui proposta é ambiciosa mas totalmente exequível dada experiência da candidata e de nosso grupo de pesquisa, pioneiro no Brasil no uso de potenciais híbridos QM/MM e em simulações moleculares da cadeia de transporte de elétrons. Esta proposta será desenvolvida em estreita colaboração com o grupo da Profa. Judy Hirst (University of Cambridge, Reino Unido), autoridade em pesquisa experimental do complexo I, cujos estudos estruturais e cinéticos serão usados em direta comparação, refinamento e validação de nossas simulações. (AU)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

PEREIRA, CAROLINE S.; TEIXEIRA, MURILO H.; RUSSELL, DAVID A.; HIRST, JUDY; ARANTES, GUILHERME M.. Mechanism of rotenone binding to respiratory complex I depends on ligand flexibility. SCIENTIFIC REPORTS, v. 13, n. 1, p. 9-pg., 2023-04-25. (20/14542-3, 19/21856-7)

CHUNG, INJAE; WRIGHT, JOHN J.; BRIDGES, HANNAH R.; IVANOV, BOZHIDAR S.; BINER, OLIVIER; PEREIRA, CAROLINE S.; ARANTES, GUILHERME M.; HIRST, JUDY. Cryo-EM structures define ubiquinone-10 binding to mitochondrial complex I and conformational transitions accompanying Q-site occupancy. NATURE COMMUNICATIONS, v. 13, n. 1, p. 13-pg., 2022-05-19. (19/21856-7, 20/14542-3)