Artigos nos meios de comunicação populares frequentemente mostram neurônios e células musculares lançando flashes miniatura de relâmpagos quando são estimulados. Nas células reais, estes processos são menos brilhantes mas ainda assim fascinantes. Movimentos, pensamentos, sensações, memórias, sensações e muito mais são possíveis pelos íons que entram e saem das células através de poros estreitos em proteínas chamadas canais de íons, que se abrem e fecham em resposta a vários estímulos (como uma mudança na voltagem ou tensão da membrana, ou uma molécula que se liga à proteína do canal de íons). Os canais iônicos estão embutidos na membrana celular, e as correntes iônicas que passam por eles alteram a voltagem através da membrana, criando um sinal elétrico que pode ser propagado para o interior da célula ou para outras células (Hille, 2001).
Como todas as outras proteínas, os canais iônicos são o produto da seleção natural (Anderson e Greenberg, 2001), e podemos aprender sobre sua evolução comparando os genes que codificam canais iônicos similares em diferentes espécies (Moran e Zakon, 2014). Uma propriedade importante de um canal iônico é a sua seletividade, que determina os tipos de íons que podem passar por ele. Os canais de íons de sódio foram identificados em bactérias e outros procariotas, e alguns desses canais podem sofrer mutações para ganhar seletividade para o cálcio, mas até recentemente nenhum canal de íons de cálcio nativo tinha sido observado em procariotas.
Agora, na eLife, Katsumasa Irie da Universidade de Nagoya e colegas – incluindo Takushi Shimomura como primeiro autor – relatam a primeira identificação de um canal de íon de cálcio procariótico nativo no Meiothermus ruber, uma espécie de bactéria que vive em fontes termais (Shimomura et al., 2020). Eles também propõem um mecanismo de seletividade que é diferente daquele encontrado nos canais de íons de cálcio em eucariotas.
Alinhando sequências múltiplas de DNA de canais de sódio e cálcio de procariotas, Shimomura et al. também reconstruíram uma árvore filogenética para mostrar como os canais de sódio e cálcio em diferentes espécies evoluíram de um ancestral comum (Figura 1). Isto revelou um novo ramo da árvore filogenética contendo o que eles chamaram de canais de sódio do tipo ancestral (que são homólogos aos canais de sódio contemporâneos). Os filtros de seletividade do canal de cálcio recentemente identificado e os canais de sódio do tipo ancestral têm seqüências similares ao previsto para um ancestral de um canal de sódio encontrado em bactérias (Liebeskind et al, 2013) e, notavelmente, para as sequências encontradas em vários canais de cálcio de mamíferos.
Árvore revolucionária para os canais de cálcio e iões de sódio.
Os resultados de Shimomura et al. sugerem que dois tipos de domínios de canais de cálcio humano (topo esquerdo), CatSper humano (um conjunto de canais de cálcio encontrados no esperma), os canais bacterianos de sódio homólogos ao encontrado em Arcobacter butzleri (NavAb-like BacNavs), os canais bacterianos de sódio homólogos aos da espécie Bacillus (Bacillus BacNavs), e o canal de cálcio nativo encontrado em M. ruber (e também os canais de sódio do tipo ancestral; ver texto principal) têm um ancestral comum (fundo). Os canais de íons são representados por duas subunidades idênticas, e os filtros de seletividade são mostrados em cinza com os resíduos mais conservados mostrados em cores (veja guia). Note que a presença de glicina pode ser associada à seletividade do cálcio tanto nos canais de cálcio humano como nos canais de cálcio M. ruber. A membrana plasmática é representada em amarelo.
As sequências para dois homólogos dos canais procarióticos de sódio foram então utilizadas para sintetizar os canais correspondentes em células de mamíferos e insectos, para que as suas propriedades eléctricas pudessem ser medidas. O canal baseado em M. ruber mostrou uma alta seletividade para íons com uma carga de 2+: de fato, sua seletividade para Ca2+ foi ~200 vezes maior do que sua seletividade para Na+. Geralmente pensa-se que a seletividade dos canais de cálcio é devida à presença de aspartatos, que são carregados negativamente, no filtro de seletividade (Catterall e Zheng, 2015). Entretanto, quando o canal de cálcio M. ruber foi mutado para eliminar um aspartato nesta região, o canal reteve a maior parte de sua seletividade para íons Ca2+.
Por outro lado, o canal de Plesiocystis pacifica, uma espécie bacteriana que vive no solo, foi três vezes mais seletivo para íons Na+ do que para íons Ca2+. Além disso, o fluxo de íons Na+ através deste canal poderia ser bloqueado por altas concentrações de íons Ca2+ extracelulares. Além disso, o efeito de bloqueio do Ca2+ poderia ser aumentado pela adição de um resíduo de alanina, que não tem carga, ao filtro de seletividade, apesar da presença de três aminoácidos carregados negativamente nesta região.
Estes resultados sugerem que a seletividade destes dois canais de íons pode não depender apenas da presença de cargas negativas no filtro.
Os resultados de M. ruber e P. pacifica levaram Shimomura et al. a investigar a base molecular da seletividade de Ca2+ nestes canais. Eles descobriram que se o filtro de seletividade do canal de cálcio M. ruber foi mutado para ser o mesmo que o canal de sódio P. pacifica, este novo canal perdeu sua seletividade de Ca2+ e se comportou como um canal não-seletivo. Entretanto, quando o canal de P. pacifica sodium foi mutado para ser o mesmo que o canal de M. ruber calcium, ele demonstrou níveis de seletividade de cálcio similares aos observados em M. ruber.
M. ruber e P. pacifica têm diferentes aminoácidos nas posições 4 e 6 em seus filtros de seletividade. Shimomura et al. descobriram que a mudança da glicina na posição 4 em M. ruber para uma serina ou aspartato reduziu a seletividade Ca2+ por um fator de quase 25, e eliminou qualquer seletividade para íons com uma única carga positiva (como Na+). O pequeno e flexível resíduo de glicina na posição 4 tornaria o poro mais largo e facilitaria a entrada de íons com uma carga de 2+, como o Ca2+. A conservação deste resíduo de glicina em alguns canais eucarióticos de cálcio sugere que ele pode fazer parte de um mecanismo mais geral de seletividade do cálcio. A análise estrutural dos novos canais irá esclarecer esta possibilidade.
Finalmente, o último trabalho indica que a sinalização de Ca2+ dependente de voltagem é mais antiga do que se pensava anteriormente, e a presença de canais de cálcio em procariotas sugere a possibilidade de que os canais Ca2+-selectivos em eucariotas não são derivados de canais de sódio, como se postulava anteriormente. A nova família de canais descrita por Shimomura et al. abre uma janela tentadora para uma vasta paisagem evolutiva que estamos apenas começando a compreender.