La bacteriorrodopsina es una proteína utilizada por Archaea , sobre todo por haloarchaea , una clase de Euryarchaeota . [1] Actúa como una bomba de protones ; es decir, captura energía luminosa y la usa para mover protones a través de la membrana fuera de la célula. [2] El gradiente de protones resultante se convierte posteriormente en energía química. [3]
Función
La bacteriorrodopsina es un transportador de iones H + impulsado por la luz que se encuentra en algunas haloarchaea, sobre todo en Halobacterium salinarum (antes conocido como sin. H. halobium ). La ATP sintasa utiliza la fuerza motriz del protón generada por la proteína para generar trifosfato de adenosina (ATP) . Al expresar bacteriorrodopsina, las células arqueas pueden sintetizar ATP en ausencia de una fuente de carbono. [4] [5]
Estructura
La bacteriorrodopsina es una proteína de membrana integral de 27 kDa que generalmente se encuentra en parches cristalinos bidimensionales conocidos como "membrana púrpura", que pueden ocupar casi el 50% de la superficie de la célula arquea. El elemento repetitivo de la red hexagonal está compuesto por tres cadenas de proteínas idénticas, cada una rotada 120 grados con respecto a las demás. [6] Cada monómero tiene siete hélices alfa transmembrana y una hoja beta de dos hebras que mira extracelular . [7] [8]
La bacteriorrodopsina se sintetiza como un precursor de proteína , conocido como bacterio-opsina, que se modifica ampliamente después de la traducción . [9] [10] Las modificaciones son:
- Conjugación covalente de una molécula retiniana con el residuo Lys216, a través de una base de Schiff , para crear el cromóforo de retinilideno. [11]
- Escisión del péptido señal , los primeros 13 aminoácidos en el extremo N y la conversión del residuo Gln14 en piroglutamato [12]
- Eliminación del residuo Asp262 en el extremo C-terminal [12]
Propiedades espectrales
La molécula de bacteriorrodopsina es de color púrpura y es más eficaz para absorber la luz verde (en el rango de longitud de onda de 500 a 650 nm ). En la membrana nativa, la proteína tiene una absorbancia máxima a 553 nm, sin embargo, la adición de detergente altera la forma trimérica, lo que provoca una pérdida del acoplamiento de excitones entre los cromóforos, y la forma monomérica tiene, en consecuencia, un máximo de absorción de 568 nm. [13] [14]
La bacteriorrodopsina tiene un amplio espectro de excitación. Para una longitud de onda de detección entre 700 y 800 nm, tiene una emisión detectada apreciable para longitudes de onda de excitación entre 470 nm y 650 nm (con un pico a 570 nm). [15] Cuando se bombea a 633 nm, el espectro de emisión tiene una intensidad apreciable entre 650 nm y 850 nm. [dieciséis]
Mecanismo
Descripción general del fotociclo
La bacteriorrodopsina es una bomba de protones impulsada por luz. Es la molécula de la retina la que cambia su estado de isomerización de todo- trans a 13- cis cuando absorbe un fotón . La proteína circundante responde al cambio en la forma del cromóforo, experimentando una secuencia ordenada de cambios conformacionales (conocidos colectivamente como fotociclo). [17] Los cambios conformacionales alteran los valores de p K a de los aminoácidos conservados en el núcleo de la proteína, incluidos Asp85, Asp96 y el átomo de N de base de Schiff (Lys216). Estos cambios secuenciales en la constante de disociación ácida dan como resultado la transferencia de un protón del lado intracelular al lado extracelular de la membrana por cada fotón absorbido por el cromóforo.
El fotociclo de bacteriorrodopsina consta de nueve etapas distintas, comenzando desde el suelo o el estado de reposo, que se denomina 'bR'. Los intermedios se identifican por letras simples y pueden distinguirse por sus espectros de absorción . [18] Las nueve etapas son:
- bR + fotón → K ⇌ L ⇌ M 1 ⇌ M 2 ⇌ M 2 '⇌ N ⇌ N' ⇌ O ⇌ bR [18]
Estado fundamental + fotón → estado K → estado L
La bacteriorrodopsina en el estado fundamental absorbe un fotón y la retina cambia la isomerización de todo- trans 15- anti al tenso 13- cis 15- anti en el estado K. La reacción de isomerización es rápida y ocurre en menos de 1 ps. La retina adopta una conformación menos tensa para formar el intermedio L.
L estado → M 1 Estado
Asp85 acepta un protón del átomo de N base de Schiff. En el intermedio M 1 , no se cargan ni la base Schiff ni Asp85.
M 1 estado → M 2 Estado
La base de Schiff rota desde el lado extracelular de la proteína hacia el lado citoplasmático, en preparación para aceptar un nuevo protón.
Estado M 2 → Estado M 2 '
Se libera un protón de Glu195 y Glu205 al medio extracelular.
Estado M 2 '→ Estado N
La base de Schiff retiniana acepta un protón de Asp96. En el estado N, se cargan tanto Asp96 como la base de Schiff.
Estado N → Estado N '
Asp96 acepta un protón del lado citoplásmico de la membrana y se descarga.
Estado N '→ Estado O
La retina se reisomeriza al estado totalmente trans .
O estado → estado fundamental
Asp85 transfiere un protón a Glu195 y Glu205 en la cara extracelular de la proteína.
Homólogos y otras proteínas similares
La bacteriorrodopsina pertenece a la familia de las rodopsinas microbianas . Sus homólogos incluyen las archaerhodopsins , [19] la bomba de cloruro impulsada por la luz halodopsina (para la cual también se conoce la estructura cristalina), y algunos canales activados directamente por la luz como la canalrodopsina .
La bacteriorrodopsina es similar a las rodopsinas de vertebrados , los pigmentos que detectan la luz en la retina . Las rodopsinas también contienen retina; sin embargo, las funciones de la rodopsina y la bacteriorrodopsina son diferentes y existe una similitud limitada en sus secuencias de aminoácidos . Tanto la rodopsina como la bacteriorrodopsina pertenecen a la familia de proteínas del receptor 7TM , pero la rodopsina es un receptor acoplado a proteína G y la bacteriorrodopsina no lo es. En el primer uso de la cristalografía electrónica para obtener una estructura de proteína a nivel atómico , la estructura de la bacteriorrodopsina se resolvió en 1990. [20] Luego se utilizó como plantilla para construir modelos de receptores acoplados a proteína G antes de que las estructuras cristalográficas también estuvieran disponibles. para estas proteínas . Se ha estudiado en exceso tanto en mica [21] [22] como en sustratos de vidrio utilizando microscopía de fuerza atómica y cristalografía de femtosegundos. [23]
Todos los demás sistemas fototróficos en bacterias, algas y plantas usan clorofilas o bacterioclorofilas en lugar de bacteriorrodopsina. Estos también producen un gradiente de protones, pero de una manera bastante diferente y más indirecta que involucra una cadena de transferencia de electrones que consta de varias otras proteínas. Además, las clorofilas son ayudadas a capturar la energía luminosa por otros pigmentos conocidos como "antenas"; estos no están presentes en los sistemas basados en bacteriorrodopsina. Es posible que la fototrofia evolucionara de forma independiente al menos dos veces, una en bacterias y otra en arqueas.
Galería
Monómero único de bacteriorrodopsina con molécula retiniana entre 7 hélices alfa verticales ( ID de PDB : 1X0S [24] [25] [26] ). Una hélice más pequeña es azul claro, hoja beta amarilla.
Trímero de bacteriorrodopsina con una molécula retiniana en cada subunidad vista desde el lado extracelular EC ( ID de PDB : 1X0S [24] [25] [26] ).
Ver también
- Rodopsina microbiana
- Proteorrodopsina
- Opsin
- Arquerodopsina
- Hipótesis de la Tierra Púrpura
Literatura
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enlaces externos
- Bacteriorrodopsina: molécula del mes , por David Goodsell, RCSB Protein Data Bank
- Fabricación de retina artificial a base de proteínas: caracterización de la función y estabilidad de la bacteriorrodopsina después de la exposición a un entorno de microgravedad , por Nicole Wagner y Jordan Greco