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Arquerodopsina

Las proteínas arqueorodopsinas son una familia de fotorreceptores que contienen retina y se encuentran en los géneros de arqueas Halobacterium y Halorubrum . Al igual que la proteína homóloga bacteriorodopsina (bR), las arqueorodopsinas obtienen energía de la luz solar para bombear iones H + fuera de la célula, lo que establece una fuerza motriz de protones que se utiliza para la síntesis de ATP . Tienen algunas similitudes estructurales con la proteína del receptor acoplado a la proteína G de los mamíferos, la rodopsina , pero no son homólogas verdaderas.

Las arquerodopsinas se diferencian de las bR en que la membrana del claret, en la que se expresan, incluye bacterioruberina , un segundo cromóforo que se cree que protege contra el fotoblanqueo . Además, la bR carece de la estructura de bucle omega que se observa en el extremo N de las estructuras de varias arquerodopsinas.

Los mutantes de la arquerodopsina-3 (AR3) se utilizan como herramientas en optogenética para la investigación en neurociencia. [1]

Complejo trimérico de la arquerodopsina-2 (PDB: 2EI4). Los dos planos grises indican los límites de hidrocarburos de la bicapa lipídica y se calcularon con el algoritmo ANVIL. [2]

Etimología

El término arquerodopsina es una combinación de arquea (el dominio en el que se encuentran las proteínas) y rodopsina (un fotorreceptor responsable de la visión en el ojo de los mamíferos ). [3]

archaea del griego antiguo ἀρχαῖα ( arkhaîa , "antiguo"), la forma plural y neutra de ἀρχαῖος ( arkhaîos , "antiguo"). [4]
rodopsina del griego antiguo ῥόδον ( rhódon , "rosa"), por su color rosado, y ὄψις ( ópsis , "vista"). [5]

Historia

En la década de 1960 se descubrió en Halobacterium salinarum una bomba de protones impulsada por la luz , denominada bacteriorrodopsina. Durante los años siguientes se realizaron varios estudios de la membrana de H. salinarum para determinar el mecanismo de estas bombas de protones impulsadas por la luz.

En 1988, otro grupo de Manabu Yoshida en la Universidad de Osaka informó sobre una nueva bomba de protones sensible a la luz a partir de una cepa de Halobacterium a la que llamaron Archaerhodopsin. [3] Un año después, el mismo grupo informó sobre el aislamiento del gen que codifica la Archaerhodopsin. [6] [7]

Miembros de la familia

Hasta la fecha se han identificado siete miembros de la familia de la arquerodopsina.

AR1 y AR2

Las arquerodopsinas 1 y 2 (AR1 y AR2) fueron las primeras arquerodopsinas que se identificaron y se expresan en Halobacterium sp. Aus-1 y Aus-2 respectivamente. Ambas especies se aislaron por primera vez en Australia Occidental a fines de la década de 1980. [3] [8] [6] Las estructuras cristalinas de ambas proteínas fueron resueltas por Kunio Ihara, Tsutomo Kouyama y colaboradores de la Universidad de Nagoya , junto con colaboradores del sincrotrón Spring-8 . [14]

AR3/Arco

El AR3 es expresado por Halorubrum sodomense . [9] El organismo fue identificado por primera vez en el Mar Muerto en 1980 y requiere una mayor concentración de iones Mg 2+ para el crecimiento que los halófilos relacionados . [15] El gen aop3 fue clonado por Ihara y colegas en la Universidad de Nagoya en 1999 y se encontró que la proteína compartía un 59% de identidad de secuencia con la bacteriorodopsina . [9] La estructura cristalina del AR3 fue resuelta por Anthony Watts en la Universidad de Oxford e Isabel Moraes en el Laboratorio Nacional de Física , junto con colaboradores en Diamond Light Source . [16]

Los mutantes de la arquerodopsina-3 (AR3) se utilizan ampliamente como herramientas en optogenética para la investigación en neurociencia. [1]

Recientemente se ha introducido el AR3 como un sensor de voltaje fluorescente. [17]

AR4

El AR4 se expresa en la especie Halobacterium xz 515. El organismo fue identificado por primera vez en un lago salado en el Tíbet . [10] [18] El gen que lo codifica fue identificado por H. Wang y colegas en 2000. [19] En la mayoría de los homólogos de bacteriorrodopsina, la liberación de H + al medio extracelular tiene lugar antes de que se tome un ion de reemplazo del lado citosólico de la membrana. En las condiciones ácidas que se encuentran en el hábitat nativo del organismo, el orden de estas etapas en el fotociclo AR4 se invierte. [20]

AR-BD1

AR-BD1 (también conocido como HxAR) es expresado por Halorubrum xinjiangense . [11] El organismo fue aislado por primera vez del lago Xiao-Er-Kule en Xinjiang , China. [21]

Escuchar

HeAR es expresado por Halorubrum equinorense . [12] El organismo fue aislado por primera vez del lago Ejinor en Mongolia Interior , China . [22]

AR-TP009/Arquitecto

La AR-TP009 se expresa en Halorubrum sp. TP009 . Su capacidad para actuar como silenciador neuronal se ha investigado en neuronas piramidales corticales de ratones . [13]

Características generales

Aparición

Modelo de superficie de estructura terciaria de la arquerodopsina.
Modelo de superficie de arquerodopsina

Al igual que otros miembros de la familia microbiana de la rodopsina , las arquerodopsinas se expresan en dominios especializados y ricos en proteínas de la membrana de la superficie celular , comúnmente llamada membrana del clarete. Además de los lípidos de éter , la membrana del clarete contiene bacterioruberina (un pigmento carotenoide de 50 carbonos ) que se cree que protege contra el fotoblanqueo. Las imágenes de microscopio de fuerza atómica de las membranas del clarete de varias arquerodopsinas muestran que las proteínas son triméricas y están dispuestas en una red hexagonal . [23] La bacterioruberina también ha estado implicada en la oligomerización y puede facilitar las interacciones proteína-proteína en la membrana nativa. [24] [25]

Función

Las arquerodopsinas son transportadores activos que utilizan la energía de la luz solar para bombear iones H + fuera de la célula y generar una fuerza motriz de protones que se utiliza para la síntesis de ATP . La eliminación del cofactor retinal (por ejemplo, mediante tratamiento con hidroxilamina ) elimina la función transportadora y altera drásticamente los espectros de absorción de las proteínas. La capacidad de bombeo de protones de AR3 se ha demostrado en células de E. coli recombinantes [26] y de AR4 en liposomas [20] .

En el estado de reposo o fundamental de la arquerodopsina, el retinal unido está en la forma todo- trans , pero al absorber un fotón de luz, se isomeriza a 13- cis . La proteína que rodea al cromóforo reacciona al cambio de forma y experimenta una secuencia ordenada de cambios conformacionales , que se conocen colectivamente como el fotociclo. Estos cambios alteran la polaridad del entorno local que rodea las cadenas laterales de aminoácidos titulables dentro de la proteína, lo que permite que el H + se bombee desde el citoplasma al lado extracelular de la membrana. Los estados intermedios del fotociclo pueden identificarse por sus máximos de absorción . [20] [27]

Estructuras

Esquema de estructura terciaria de la arquerodopsina.
Estructura fundamental o en estado de reposo de la arquerodopsina-3 PDB:6S6C [16]

Las estructuras cristalinas de los estados de reposo o fundamentales de AR1 (resolución de 3,4 Å), AR2 (resolución de 1,8 Å) y AR3 (1,07 y 1,3 Å) se han depositado en el Protein Data Bank . [14] [28] [16] Las proteínas poseen siete hélices α transmembrana y una lámina β de dos cadenas orientada al extracelular . El retinal está unido covalentemente a través de una base de Schiff a un residuo de lisina en la hélice G. [14] [16] [nota 1] La secuencia DLLxDGR conservada, cerca del extremo N de ambas proteínas, forma un bucle omega fuertemente curvado que se ha implicado en la unión de la bacterioruberina. [24] La escisión de los primeros 6 aminoácidos y la conversión de Gln7 en un residuo de piroglutamato (PCA) también se observó en AR3, como se informó previamente para la bacteriorrodopsina. [16]

Uso en investigación

Las arquerodopsinas impulsan la hiperpolarización de la membrana celular mediante la secreción de protones en presencia de luz, inhibiendo así la activación del potencial de acción de las neuronas. [29] Este proceso está asociado con un aumento de H+ extracelular (es decir, una disminución del pH vinculada a la actividad de estas proteínas. Estas características permiten que las arquerodopsinas sean herramientas de uso común para estudios optogenéticos , ya que se comportan como factores de inhibición de la transmisión en presencia de luz. [30] Cuando se expresa dentro de las membranas intracelulares, la actividad de la bomba de protones aumenta el pH citosólico , esta funcionalidad se puede utilizar para la acidificación optogenética de lisosomas y vesículas sinápticas cuando se dirige a estos orgánulos . [31]

Notas

  1. ^ La hélice G es la hélice transmembrana más cercana al extremo C.

Referencias

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