Desentrañando el ritmo circadiano con cianobacterias

cianobacterias

Cómo cambia de forma a lo largo del día una proteína del "reloj" circadiano

¿Pájaro mañanero o noctámbulo? El ritmo circadiano, el "reloj" biológico interno que controla cuándo dormimos y nos despertamos, entre otras cosas, es un objeto de fascinación y, a veces, frustración para muchos de nosotros. Pero los humanos están lejos de estar solos: los organismos, desde las plantas hasta los microbios, tienen un reloj interno que da forma a sus ritmos diarios a medida que la Tierra gira sobre su eje.

Ahora, científicos de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón han revelado una visión detallada de cómo funciona el ritmo circadiano en las cianobacterias, bacterias fotosintéticas que normalmente viven tanto en agua dulce como salada.

Las cianobacterias operan el reloj circadiano conocido más simple de la vida, controlado por tres proteínas llamadas KaiA, KaiB y KaiC. Un reloj circadiano es importante para estas diminutas criaturas porque realizan la fotosíntesis, lo que requiere luz solar y produce oxígeno, durante el día, y fijan nitrógeno durante la noche.

El ritmo circadiano es creado por KaiC agregando y eliminando grupos químicos de fosfato en el transcurso de un ciclo de aproximadamente 24 horas. KaiA ayuda a KaiC a agregar grupos de fosfato, mientras que KaiB contrarresta la actividad de KaiA. Otras proteínas rastrean las señales del entorno, como la luz, y las traducen a las proteínas Kai para ajustar el reloj.

ritmo circadiano de las cianobacterias

Imagen: Ilustración de la base del reloj circadiano de cianobacterias. Crédito: NINS/IMS.

Al comienzo de un ciclo, KaiA se une a KaiC y estimula a KaiC para que se agregue grupos de fosfato. A medida que avanza el ciclo, KaiB también se une a KaiC y KaiC comienza a eliminar sus grupos de fosfato. Una vez hecho esto, KaiC y KaiB se separan y el ciclo comienza de nuevo.

En el proceso, KaiC usa energía almacenada en una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP). Al romper un enlace en la ATP, la energía se libera para impulsar las otras reacciones químicas. Por lo tanto, la adición y eliminación de grupos de fosfato (conocidas como fosforilación y desfosforilación, respectivamente) y el consumo de energía por hidrólisis de ATP son las reacciones químicas clave que intervienen en el ciclo circadiano de las cianobacterias.

A medida que KaiC se une a diferentes proteínas y agrega y elimina grupos de fosfato, su forma cambia ligeramente en un proceso conocido como alosteria.

En el nuevo artículo, el equipo de investigación utilizó la cristalografía de proteínas para estudiar la alosteria en KaiC a nivel atómico. KaiC se cristalizó en ocho estados diferentes para comprender los cambios alostéricos a través de los ciclos de fosforilación e hidrólisis de ATP.

El equipo descubrió que los dos ciclos estaban estrechamente acoplados entre sí, como dos engranajes en una máquina. Los dos procesos están conectados a través de cambios en los enlaces de hidrógeno dentro de KaiC.

reloj circadiano de las cianobacterias

Imagen: Ilustración de los hallazgos clave del artículo que vinculan la hidrólisis de ATP y el ciclo de fosforilación por KaiC a través de la regulación del enlace de hidrógeno. Crédito: NINS/IMS.

"Debido a que las proteínas están compuestas por una gran cantidad de átomos, no es fácil comprender los mecanismos de sus complicadas pero ordenadas funciones", dice el autor Yoshihiko Furuike, profesor asistente en el Instituto de Ciencias Moleculares de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales.

"Necesitamos rastrear con paciencia los cambios estructurales de las proteínas".

Los hallazgos pueden tener aplicación para comprender las proteínas del reloj circadiano en todo el árbol de la vida, incluidos los mamíferos y las plantas.

"La lógica detrás de la relación entre la dinámica de KaiC y las funciones del reloj se puede aplicar a otros estudios en varios organismos", dice Furuike.

Los hallazgos se publican en Science Advances: Elucidation of master allostery essential for circadian clock oscillation in cyanobacteria

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