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Bacteriorrodopsina

La bacteriorrodopsina (Bop) es una proteína utilizada por Archaea , más notablemente por haloarchaea , una clase de Euryarchaeota . [1] Actúa como una bomba de protones ; es decir, captura la energía luminosa 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 bacteriorrodopsina es un transportador de iones H + impulsado por luz que se encuentra en algunas haloarchaea, en particular Halobacterium salinarum (anteriormente conocido como syn. H. halobium ). La fuerza motriz de protones generada por la proteína es utilizada por la ATP sintasa para generar trifosfato de adenosina (ATP) . Al expresar bacteriorrodopsina, las células de 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 generalmente se encuentra en parches cristalinos bidimensionales conocidos como "membrana púrpura", que pueden ocupar casi el 50% de la superficie de la célula de la arquea. El elemento repetitivo de la red hexagonal está compuesto por tres cadenas de proteínas idénticas, cada una girada 120 grados con respecto a las demás. [6] Cada monómero tiene siete hélices alfa transmembrana y una lámina beta de dos cadenas orientada al extracelular . [7] [8]

La bacteriorrodopsina se sintetiza como una proteína precursora , conocida como bacterioopsina, que se modifica ampliamente después de la traducción . [9] [10] Las modificaciones son:

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, en consecuencia, la forma monomérica tiene una absorción máxima 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 totalmente 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 N de la base de Schiff (Lys216). Estos cambios secuenciales en la constante de disociación ácida dan como resultado la transferencia de un protón desde el 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 desde el estado fundamental o de reposo, que se denomina 'bR'. Los intermedios se identifican con letras individuales 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

Cambio conformacional, estereograma emparejado . La molécula naranja es retiniana totalmente trans y la molécula roja es retiniana 13- cis .

La bacteriorrodopsina en el estado fundamental absorbe un fotón y la retina cambia la isomerización de todo- trans 15- anti al 13- cis 15- anti tenso 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.

Estado L → Estado M 1

Asp85 acepta un protón del átomo N de la base de Schiff. En el intermedio M 1 no están cargados ni la base de Schiff ni Asp85.

Estado M 1 → Estado M 2

La base de Schiff se aleja del lado extracelular de la proteína hacia el lado citoplasmático, preparándose para aceptar un nuevo protón.

Estado M 2 → Estado M 2 '

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

Estado M 2 ' → Estado N

La base de Schiff de la retina 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 citoplasmático de la membrana y queda descargado.

Estado N' → estado O

La retina se reisomeriza al estado totalmente 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 . Sus homólogos incluyen las arqueerhodopsinas , [21] la halorrodopsina de la bomba de cloruro impulsada por la luz (cuya estructura cristalina también es conocida) y algunos canales activados directamente por la luz, como la canalrodopsina .

La bacteriorrodopsina es similar a las rodopsinas de los 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 proteica a nivel atómico , la estructura de la bacteriorrodopsina se resolvió en 1990. [22] Luego se usó 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 mediante microscopía de fuerza atómica y cristalografía de femtosegundo. [25]

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

Galería

Ver también

Literatura

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enlaces externos