Las canalrodopsinas son una subfamilia de proteínas de retinilideno ( rodopsinas ) que funcionan como canales iónicos activados por la luz . [1] Sirven como fotorreceptores sensoriales en algas verdes unicelulares , controlando la fototaxis : movimiento en respuesta a la luz. [2] Expresados en células de otros organismos, permiten que la luz controle la excitabilidad eléctrica , la acidez intracelular , la entrada de calcio y otros procesos celulares (ver optogenética ). La canalrodopsina-1 (ChR1) y la canalrodopsina-2 (ChR2) del organismo modelo Chlamydomonas reinhardtii son las primeras canalrodopsinas descubiertas. Se han clonado variantes de otras especies de algas y se esperan más.
En términos de estructura, las canalrodopsinas son proteínas retinilideno . Son proteínas de siete transmembrana, como la rodopsina , y contienen el cromóforo all- trans - retinal isomerizable a la luz (un derivado aldehído de la vitamina A ). El cromóforo de la retina está unido covalentemente al resto de la proteína a través de una base de Schiff protonada . Mientras que la mayoría de las proteínas 7-transmembrana son receptores acoplados a proteína G que abren otros canales iónicos indirectamente a través de segundos mensajeros (es decir, son metabotrópicos), las canalrodopsinas forman directamente canales iónicos (es decir, son ionotrópicos ). [4] Esto hace que la despolarización celular sea extremadamente rápida, robusta y útil para aplicaciones de bioingeniería y neurociencia, incluida la fotoestimulación .
El ChR2 natural ("tipo salvaje") absorbe la luz azul con un espectro de absorción y acción máximo a 480 nm. [5] Cuando el complejo todo- trans -retinal absorbe un fotón , induce un cambio conformacional de todo- trans a 13- cis -retinal. Este cambio introduce uno más en la proteína transmembrana, abriendo el poro al menos a 6 Å. En milisegundos, la retina se relaja de nuevo a la forma todo-trans, cerrando el poro y deteniendo el flujo de iones. [4] La mayoría de las canalrodopsinas naturales son canales catiónicos inespecíficos que conducen H + , Na + , K + y Ca2+ iones. Recientemente, se han descubierto canalrodopsinas conductoras de aniones . [6]
Las canalrodopsinas son herramientas clave en optogenética . El extremo C-terminal de la canalrodopsina-2 se extiende hacia el espacio intracelular y puede ser reemplazado por proteínas fluorescentes sin afectar la función del canal. Este tipo de construcción de fusión puede ser útil para visualizar la morfología de las células que expresan ChR2. [7] [8] Se ha demostrado que las mutaciones puntuales cercanas al bolsillo de unión de la retina afectan las propiedades biofísicas de la canalrodopsina, lo que resulta en una variedad de herramientas diferentes.
El cierre del canal después de la activación óptica puede retrasarse sustancialmente mutando los residuos de proteína C128 o D156. Esta modificación da como resultado canalrodopsinas súper sensibles que pueden abrirse mediante un pulso de luz azul y cerrarse mediante un pulso de luz verde o amarilla (opsinas de función escalonada). [9] [10] [11] La mutación del residuo E123 acelera la cinética del canal (ChETA), y los mutantes ChR2 resultantes se han utilizado para aumentar las neuronas hasta 200 Hz. [12] En general, las canalrodopsinas con cinética lenta son más sensibles a la luz a nivel de población, ya que los canales abiertos se acumulan con el tiempo incluso a niveles bajos de luz.
Los mutantes H134R y T159C muestran un aumento de las fotocorriente, y una combinación de T159 y E123 (ET / TC) tiene fotocorriente ligeramente más grande y una cinética ligeramente más rápida que la ChR2 de tipo salvaje. [13] Entre las variantes de ChR, ChIEF, una quimera y mutante puntual de ChR1 y ChR2, muestra las fotocorrentes más grandes y la menor desensibilización y tiene una cinética similar a la de ChR2 de tipo salvaje. [14]