Las proteínas retinilidénicas , o rodopsinas en sentido amplio , son proteínas que utilizan el retinal como cromóforo para la recepción de la luz . Son la base molecular de una variedad de sistemas de detección de luz, desde la fototaxis en flagelados hasta la vista en animales . [1] Las proteínas retinilidénicas incluyen todas las formas de opsina y rodopsina (en sentido amplio). Mientras que la rodopsina en sentido estricto se refiere a un pigmento visual de luz tenue que se encuentra en vertebrados, generalmente en células de bastón, la rodopsina en sentido amplio (como se usa aquí) se refiere a cualquier molécula que consiste en una opsina y un cromóforo retiniano en el estado fundamental. Cuando se activa con la luz, el cromóforo se isomeriza , momento en el que la molécula en su conjunto ya no es rodopsina, sino una molécula relacionada como la metarrodopsina. Sin embargo, sigue siendo una proteína retinilidén. El cromóforo se separa entonces de la opsina, momento en el que la opsina desnuda se convierte en una proteína retinilidénica. Por lo tanto, la molécula sigue siendo una proteína retinilidénica durante todo el ciclo de fototransducción . [2] [3] [4]
Todas las rodopsinas constan de dos bloques de construcción, una fracción proteica y un cofactor no proteico unido de forma covalente reversible , el retinal (retinaldehído). La estructura proteica de la rodopsina consiste en un haz de siete hélices transmembrana que forman un bolsillo interno que une el cromóforo fotorreactivo. Forman una superfamilia con otros receptores unidos a la membrana que contienen siete dominios transmembrana, por ejemplo, los receptores de olores y de quimiocinas . [5]
En lugar de activarse mediante la unión de ligandos químicos como sus parientes, las rodopsinas contienen retinal, que cambia de conformación en reacción a la luz a través de la fotoisomerización y, por lo tanto, se activan con la luz. La molécula de retinal puede adoptar varias formas isoméricas cis-trans diferentes , como todo- trans , 11- cis y 13- cis . La fotoisomerización ( isomerización dependiente de la luz ) del retinal de cis a trans o viceversa induce un cambio conformacional en la proteína receptora. Este cambio actúa como un interruptor molecular para activar un mecanismo de transducción de señales dentro de la célula. Dependiendo del tipo de rodopsina, abre un canal iónico (por ejemplo, en bacterias) o activa una proteína G asociada y desencadena una cascada de segundos mensajeros (por ejemplo, en los ojos de los animales).
Las proteínas retinilidén o rodopsinas existen en muchas especies, desde bacterias hasta algas y animales. Se pueden dividir en dos tipos distintos según su secuencia, así como el isómero retinal que contienen en el estado fundamental y sus mecanismos de transducción de señales. [1]
Al igual que las rodopsinas animales, las rodopsinas microbianas (que se encuentran en procariotas y algas) contienen un cromóforo retiniano y tienen siete hélices alfa transmembrana ; sin embargo, no están acopladas a una proteína G. El cromóforo retiniano difiere de la forma 11- cis animal y es un isómero retiniano todo- trans en el estado fundamental, que se isomeriza a 13- cis tras la activación de la luz; el cromóforo también se conoce como cromóforo de tipo microbiano. Algunos ejemplos son las rodopsinas sensoriales bacterianas, las canalrodopsinas , las bacteriorrodopsinas , las halorrodopsinas , las proteorrodopsinas , las arqueorrodopsinas , las heliorrodopsinas y las xantorrodopsinas para llevar a cabo la fototrofia . [6]
Actúan como canales iónicos activados por luz y se pueden distinguir además por el tipo de ion que canalizan. La bacteriorrodopsina funciona como una bomba de protones , mientras que la halorrodopsina actúa como una bomba de cloruro. [6] Sus funciones van desde la fotosíntesis bacteriana (bacteriorrodopsina) hasta el impulso de la fototaxis (canalrodopsinas en flagelados ). La transducción de señales en la fototaxis implica la despolarización de la membrana celular. [7]
Las algas flageladas unicelulares contienen canalrodopsinas que actúan como canales de cationes activados por la luz cuando se expresan en sistemas heterólogos. Muchos otros organismos procariotas y eucariotas (en particular, hongos como Neurospora ) expresan bombas de iones de rodopsina o rodopsinas sensoriales de función aún desconocida. Muy recientemente, se han descubierto rodopsinas microbianas con actividad de guanilil ciclasa . [8] [9] [10] Si bien todas las rodopsinas microbianas tienen una homología de secuencia significativa entre sí, no tienen una homología de secuencia detectable con la familia de receptores acoplados a proteína G (GPCR) a la que pertenecen las rodopsinas visuales animales. Sin embargo, las rodopsinas microbianas y los GPCR posiblemente estén relacionados evolutivamente, según la similitud de sus estructuras tridimensionales. Por lo tanto, se han asignado a la misma superfamilia en la Clasificación Estructural de Proteínas (SCOP). [11]
Las proteínas retinilidén del reino animal también se denominan opsinas . Los vertebrados contienen cinco subfamilias de (rhod)opsinas y los artrópodos tres subfamilias. [12] Las opsinas pertenecen a la clase de receptores acoplados a proteína G y se unen a un isómero 11- cis de retinal en el estado fundamental que se fotoisomeriza a un retinal todo- trans tras la activación de la luz. Se encuentran comúnmente en los órganos sensibles a la luz, por ejemplo en las células fotorreceptoras de la retina de los vertebrados , donde facilitan la vista. Las opsinas animales también se pueden encontrar en la piel de los anfibios, las glándulas pineales de lagartijas y aves, el hipotálamo de los sapos y el cerebro humano . Se pueden clasificar en varias clases distintas, entre ellas:
La rodopsina (opsina-2), conocida como «púrpura visual», de las células bastón de la retina de los vertebrados absorbe la luz verde azulada. Las fotopsinas de las células cono de la retina difieren en unos pocos aminoácidos , lo que provoca un cambio en sus espectros de absorción de la luz. Las tres fotopsinas humanas absorben la luz verde amarillenta (fotopsina I), verde (fotopsina II) y violeta azulada (fotopsina III) y son la base de la visión en color , mientras que la «púrpura visual», más sensible a la luz, es responsable de la visión monocromática en la oscuridad. La transducción de señales luminosas implica una cascada enzimática de proteínas G ( transducina ), fosfodiesterasa cGMP, cierre de un canal catiónico y, en última instancia, hiperpolarización de la célula fotorreceptora visual . [13]
Las rodopsinas visuales de los artrópodos y moluscos difieren de las proteínas de los vertebrados en su cascada de transducción de señales que involucra proteínas G, fosfolipasa C y, en última instancia, la despolarización de la célula fotorreceptora visual. [13]
Otras opsinas que se encuentran en los seres humanos son la encefalopsina (o panopsina, opsina-3), la melanopsina (opsina-4), la neuropsina (opsina-5) y la peropsina. La melanopsina está implicada en el arrastre de luz del reloj circadiano en los vertebrados. Las encefalopsinas y las neuropsinas se expresan en gran medida en las células nerviosas y el tejido cerebral, pero hasta ahora se desconoce su función. La peropsina se une al retinal todo- trans (cromóforo de tipo microbiano) y podría funcionar como una fotoisomerasa para devolver el retinal a la forma de isómero 11- cis necesaria para la percepción visual. [13]