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Bacteriorodopsina

La bacteriorrodopsina (Bop) es una proteína utilizada por las arqueas , sobre todo por las haloarchaea , una clase de Euryarchaeota . [1] Actúa como una bomba de protones ; es decir, captura la energía de la luz y la utiliza 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 bacteriorodopsina es un transportador de iones H + impulsado por la luz que se encuentra en algunas arqueas halogénicas, en particular en Halobacterium salinarum (antes conocida como H. halobium ). La fuerza protónica generada por la proteína es utilizada por la ATP sintasa para generar trifosfato de adenosina (ATP) . Al expresar la bacteriorodopsina, las células de las arqueas pueden sintetizar ATP en ausencia de una fuente de carbono. [4] [5]

Estructura

Un trímero de bacteriorrodopsina , que muestra las posiciones aproximadas de los lados extracelular y citoplasmático de la membrana (líneas roja y azul respectivamente)

La bacteriorrodopsina es una proteína de membrana integral de 27 kDa que se encuentra generalmente en parches cristalinos bidimensionales conocidos como "membrana púrpura", que puede ocupar casi el 50% de la superficie de la célula arqueal. El elemento repetitivo de la red hexagonal está compuesto por tres cadenas proteicas idénticas, cada una rotada 120 grados con respecto a las demás. [6] Cada monómero tiene siete hélices alfa transmembrana y una lámina beta de dos hebras orientada hacia el exterior de la célula . [7] [8] 

La bacteriorrodopsina se sintetiza como un precursor proteico , conocido como bacterio-opsina, que se modifica ampliamente después de la traducción . [9] [10] Las modificaciones son:

Propiedades espectrales

La molécula de bacteriorrodopsina es de color violeta y es más eficiente en la absorción de 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, en consecuencia, la forma monomérica tiene 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. [16]

Mecanismo

Descripción general del fotociclo

La bacteriorrodopsina es una bomba de protones impulsada por la 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 el 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 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 la bacteriorrodopsina consta de nueve etapas distintas, comenzando por el estado fundamental o de reposo, que se denomina "bR". Los intermedios se identifican con una sola letra y se pueden distinguir 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

Cambio conformacional, estereograma pareado . La molécula naranja es retinal todo- trans y la molécula roja es retinal 13- cis .

La bacteriorrodopsina en estado fundamental absorbe un fotón y el retinal cambia su isomerización de 15- anti todo -trans a 15- anti 13 -cis tenso en estado K. La reacción de isomerización es rápida y ocurre en menos de 1 ps. El retinal adopta una conformación menos tensa para formar el intermediario L.

Estado L → M1estado

Asp85 acepta un protón del átomo N de base de Schiff. En el intermedio M 1 , ni la base de Schiff ni Asp85 están cargados.

METRO1estado → M2estado

La base de Schiff gira desde el lado extracelular de la proteína hacia el lado citoplasmático, en preparación para aceptar un nuevo protón.

METRO2estado → M2' estado

Se libera un protón de Glu204 y Glu194 al medio extracelular.

METRO2' estado → N estado

La base de Schiff de la retina acepta un protón de Asp96. En el estado N, tanto Asp96 como la base de Schiff están cargadas.

Estado N → Estado N'

Asp96 acepta un protón del lado citoplasmático de la membrana y queda sin carga.

Estado N' → Estado O

La retina se reisomeriza al estado todo- trans .

Estado O → estado fundamental

Asp85 transfiere un protón a Glu194 y Glu204 [19] [20] en la cara extracelular de la proteína.

Homólogos y otras proteínas similares

La bacteriorrodopsina pertenece a la familia microbiana de las rodopsinas . Entre sus homólogos se encuentran las arqueorrodopsinas , [21] la bomba de cloruro impulsada por la luz, la halorrodopsina (cuya estructura cristalina también se conoce), 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 retinal; 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 proteica a nivel atómico , la estructura de la bacteriorrodopsina se resolvió en 1990. [22] Luego se utilizó como plantilla para construir modelos de receptores acoplados a proteína G antes de que también estuvieran disponibles las estructuras cristalográficas para estas proteínas . Se ha estudiado excesivamente tanto en mica [23] [24] como en sustratos de vidrio utilizando microscopía de fuerza atómica y cristalografía de femtosegundos. [25]

Todos los demás sistemas fototróficos de bacterias, algas y plantas utilizan clorofilas o bacterioclorofilas en lugar de bacteriorodopsina. Estas también producen un gradiente de protones, pero de una manera bastante diferente y más indirecta que implica una cadena de transferencia de electrones que consta de varias otras proteínas. Además, las clorofilas reciben ayuda para capturar la energía de la luz mediante otros pigmentos conocidos como "antenas"; estos no están presentes en los sistemas basados ​​en bacteriorodopsina. Es posible que la fototrofia haya evolucionado de forma independiente al menos dos veces, una en bacterias y otra en arqueas.

Galería

Véase también

Literatura

  1. ^ Schoch CL, Ciufo S, Domrachev M, Hotton CL, Kannan S, Khovanskaya R, Leipe D, McVeigh R, O'Neill K, Robbertse B, Sharma S, Soussov V, Sullivan JP, Sun L, Turner S, Karsch-Mizrachi (2020). "Halobacteria". Taxonomía del NCBI: una actualización completa sobre curación, recursos y herramientas . Centro Nacional de Información Biotecnológica . Consultado el 31 de marzo de 2021 .
  2. ^ Voet, Judith G .; Voet, Donald (2004). Bioquímica . Nueva York: J. Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-19350-0.
  3. ^ "Bacteriorrodopsina: bombeo de iones".
  4. ^ Nicholls DG ; Ferguson SJ (1992). Bioenergética 2 (2ª ed.). San Diego: Prensa académica. ISBN 9780125181242.
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