Rodopsina microbiana - Microbial rhodopsin

Roxo bacteriorodopsina no Halobacteria em Cargill 's salinas em San Francisco Bay , localizados em Newark, Califórnia

Proteína semelhante à bacteriorodopsina
Trímero de bacteriorodopsina
Identificadores
Símbolo	Bac_rhodopsin
Pfam	PF01036
InterPro	IPR001425
PRÓSITO	PDOC00291
SCOP2	2brd / SCOPe / SUPFAM
TCDB	3.E.1
Superfamília OPM	6
Proteína OPM	1vgo
Estruturas de proteínas disponíveis: Pfam   estruturas / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum resumo da estrutura

As rodopsinas microbianas , também conhecidas como rodopsinas bacterianas, são proteínas de ligação à retina que fornecem transporte iônico dependente de luz e funções sensoriais em bactérias halofílicas e outras. Eles são proteínas integrais de membrana com sete hélices transmembrana, a última das quais contém o ponto de fixação (uma lisina conservada) para a retina .

Esta família de proteínas inclui bombas de prótons acionadas por luz , bombas de íons e canais de íons , bem como sensores de luz. Por exemplo, as proteínas de halobactérias incluem bacteriorodopsina e arqueodopsina , que são bombas de prótons acionadas pela luz ; halorhodopsin , uma bomba de cloreto acionada por luz; e a rodopsina sensorial, que medeia as respostas fotoatraente (no vermelho) e fotofóbica (no ultravioleta). Proteínas de outras bactérias incluem proteorodopsina .

Ao contrário do seu nome, as rodopsinas microbianas são encontradas não apenas em Archaea e Bacteria , mas também em Eukaryota (como algas ) e vírus ; embora sejam raros em organismos multicelulares complexos .

Nomenclatura

A rodopsina era originalmente um sinônimo de " púrpura visual ", um pigmento visual (molécula sensível à luz) encontrado nas retinas de sapos e outros vertebrados , usado para visão na penumbra e geralmente encontrado em células bastonetes . Este ainda é o significado de rodopsina no sentido estrito, qualquer proteína evolutivamente homóloga a esta proteína. Em um sentido amplo não genético, a rodopsina se refere a qualquer molécula, seja relacionada por descendência genética ou não (principalmente não), consistindo em uma opsina e um cromóforo (geralmente uma variante da retina). Todas as rodopsinas animais surgiram (por duplicação e divergência de genes) no final da história da família de genes do grande receptor acoplado à proteína G (GPCR), que surgiu após a divergência de plantas, fungos, coanflagelados e esponjas dos primeiros animais. O cromóforo retinal é encontrado apenas no ramo da opsina dessa grande família de genes, o que significa que sua ocorrência em outros lugares representa evolução convergente, não homologia. As rodopsinas microbianas são, por sequência, muito diferentes de qualquer uma das famílias GPCR.

O termo rodopsina bacteriana originalmente se referia à primeira rodopsina microbiana descoberta, conhecida hoje como bacteriorodopsina . A primeira bacteriorodopsina revelou ser de origem arquea, do Halobacterium salinarum . Desde então, outras rodopsinas microbianas foram descobertas, tornando o termo rodopsina bacteriana ambíguo.

Mesa

Abaixo está uma lista de algumas das rodopsinas microbianas mais conhecidas e algumas de suas propriedades.

Família da Rodopsina Microbiana com Translocação de Íons

A família da rodopsina microbiana de translocação de íons (MR) ( TC # 3.E.1 ) é um membro da Superfamília TOG de portadores secundários. Os membros da família MR catalisam a translocação de íons impulsionada pela luz através das membranas citoplasmáticas microbianas ou atuam como receptores de luz. A maioria das proteínas da família MR são quase do mesmo tamanho (250-350 resíduos aminoacil) e possuem sete chaves helicoidais transmembrana com seus terminais N no lado externo e seus terminais C no lado interno. Existem 9 subfamílias na família MR:

1. As bacteriorodopsinas bombeiam prótons para fora da célula;
2. As halorodopsinas bombeiam cloreto (e outros ânions, como brometo, iodeto e nitrato) para a célula;
3. As rodopsinas sensoriais, que normalmente funcionam como receptores para o comportamento fototático, são capazes de bombear prótons para fora da célula se dissociadas de suas proteínas transdutoras;
4. os chaparones fúngicos são proteínas induzidas por estresse de função bioquímica mal definida, mas esta subfamília também inclui uma rodopsina que bombeia H ⁺ ;
5. a rodopsina bacteriana, chamada Proteorodopsina , é uma bomba de prótons acionada pela luz que funciona como as bacterio- rodopsinas ;
6. o receptor contendo retinal Neurospora crassa serve como fotorreceptor (Neurospora ospin I);
7. o canal de prótons dependente de luz de algas verdes, Channelrodopsina-1;
8. Rodopsinas sensoriais de cianobactérias.
9. Rodopsina / guanilil ciclase ativada por luz

Uma análise filogenética de rodopsinas microbianas e uma análise detalhada de exemplos potenciais de transferência horizontal de genes foram publicadas.

Estrutura

Entre as estruturas de alta resolução para membros da família MR estão as proteínas arquea , bacteriorodopsina , arqueodopsina , rodopsina II sensorial , halorodopsina , bem como uma rodopsina sensorial cianobacteriana Anabaena (TC # 3.E.1.1.6 ) e outras.

Função

A associação das rodopsinas sensoriais com suas proteínas transdutoras parece determinar se elas funcionam como transportadores ou receptores. A associação de um receptor sensorial de rodopsina com seu transdutor ocorre por meio dos domínios helicoidais transmembrana das duas proteínas em interação. Existem duas rodopsinas sensoriais em qualquer archaeon halofílico, uma (SRI) que responde positivamente à luz laranja, mas negativamente à luz azul, e a outra (SRII) que responde apenas negativamente à luz azul. Cada transdutor é específico para seu receptor cognato. Uma estrutura de raios-X de SRII complexada com seu transdutor (HtrII) com resolução de 1,94 Å está disponível ( 1H2S ). Aspectos moleculares e evolutivos da transdução de sinal de luz por receptores sensoriais microbianos foram revisados.

Homólogos

Os homólogos incluem proteínas chaperonas fúngicas putativas, uma rodopsina contendo retinal de Neurospora crassa , uma rodopsina que bombeia H ⁺ de Leptosphaeria maculans , bombas de prótons contendo retinais isoladas de bactérias marinhas, um fotorreceptor ativado por luz verde em cianobactérias que não bombeia íons e interage com uma pequena proteína transdutora solúvel (14 kDa) e canais H ⁺ protegidos por luz da alga verde, Chlamydomonas reinhardtii . A proteína N. crassa NOP-1 exibe um fotociclo e resíduos de translocação H ⁺ conservados que sugerem que este fotorreceptor putativo é uma bomba H ⁺ lenta .

A maioria dos homólogos da família MR em leveduras e fungos são aproximadamente do mesmo tamanho e topologia que as proteínas arquea (283-344 resíduos aminoacil; 7 segmentos transmembrana α-helicoidal putativos), mas são induzidos por choque térmico e solvente tóxico proteínas de função bioquímica desconhecida. Foi sugerido que eles funcionem como chaperones conduzidos por pmf que dobram proteínas extracelulares, mas apenas evidências indiretas apóiam esse postulado. A família MR está distantemente relacionada à família 7 TMS LCT ( TC # 2.A.43 ). Membros representativos da família MR podem ser encontrados no banco de dados de classificação do transportador .

Bacteriorodopsina

A bacteriorodopsina bombeia um íon H ⁺ , do citosol para o meio extracelular, por fóton absorvido. Mecanismos e vias de transporte específicos foram propostos. O mecanismo envolve:

1. fotoisomerização da retina e suas mudanças configuracionais iniciais,
2. desprotonação da base de Schiff retinal e a liberação acoplada de um próton à superfície da membrana extracelular,
3. o evento de switch que permite a reprotonação da base de Schiff do lado citoplasmático.

Seis modelos estruturais descrevem as transformações da retina e sua interação com a água 402, Asp85 e Asp212 em detalhes atômicos, bem como os deslocamentos de resíduos funcionais para longe da base de Schiff . As mudanças fornecem justificativas de como o relaxamento da retina distorcida causa movimentos de átomos de água e proteínas que resultam em transferências de prótons vetoriais de e para a base de Schiff. A deformação em hélice está acoplada ao transporte vetorial de prótons no fotociclo da bacteriorodopsina.

A maioria dos resíduos que participam da trimerização não são conservados na bacteriorodopsina, proteína homóloga capaz de formar estrutura trimérica na ausência da bacterioruberina. Apesar de uma grande alteração na sequência de aminoácidos, a forma do espaço hidrofóbico intratrímero preenchido por lipídios é altamente conservada entre a arqueodopsina-2 e a bacterio-rodopsina. Uma vez que uma hélice transmembrana voltada para este espaço sofre uma grande mudança conformacional durante o ciclo de bombeamento de prótons, é possível que a trimerização seja uma estratégia importante para capturar componentes lipídicos especiais que são relevantes para a atividade da proteína.

Arquerodopsina

Estrutura do estado fundamental da Archaerodopsina-3, mostrando o grupo retinal ligado covalentemente: PDB: 6S6C.

As arqueodopsinas são transportadores de íons H ⁺ acionados pela luz . Eles diferem da bacteriorodopsina porque a membrana do clarete, na qual são expressos, inclui a bacterioruberina, um segundo cromóforo que se acredita proteger contra o fotobranqueamento . A bacteriorodopsina também não possui a estrutura de alça ômega que foi observada no terminal N das estruturas de várias arqueodopsinas.

A arqueodopsina-2 (AR2) é encontrada na membrana do clarete de Halorubrum sp . É uma bomba de prótons movida a luz. Cristais trigonal e hexagonal revelaram que os trímeros estão dispostos em uma estrutura em favo de mel. Nesses cristais, a bacterioruberina se liga a fendas entre as subunidades do trímero. A cadeia de polieno do segundo cromóforo é inclinada da membrana normal por um ângulo de cerca de 20 graus e, no lado citoplasmático, é circundada por hélices AB e DE de subunidades vizinhas. Este modo de ligação peculiar sugere que a bacterioruberina desempenha um papel estrutural para a trimerização do AR2. Quando comparado com a estrutura aR2 em outra forma de cristal sem bacterioruberina, o canal de liberação de prótons assume uma conformação mais fechada no cristal P321 ou P6 (3); isto é, a conformação nativa da proteína é estabilizada no complexo trimérico proteína-bacterioruberina.

Mutantes de Archaerhodopsina-3 (AR3) são amplamente utilizados como ferramentas em optogenética para pesquisas em neurociência.

Canalrodopsinas

Channelrhodopsin -1 (ChR1) ou channelopsin-1 (Chop1; Cop3; CSOA) de C. reinhardtii está intimamente relacionado com as rodopsinas sensoriais arquea. Tem 712 aas com um peptídeo sinal, seguido por uma região anfipática curta e, em seguida, um domínio N-terminal hidrofóbico com sete TMSs prováveis ​​(resíduos 76-309) seguido por um domínio C-terminal hidrofílico longo de cerca de 400 resíduos. Parte do domínio hidrofílico C-terminal é homólogo à interseção (proteína 1A do domínio EH e SH3) de animais (AAD30271).

Chop1 atua como um canal de prótons controlado por luz e medeia fototaxia e respostas fotofóbicas em algas verdes. Com base neste fenótipo, Chop1 poderia ser atribuído à categoria TC # 1.A , mas como pertence a uma família na qual homólogos bem caracterizados catalisam o transporte de íons ativo, ele é atribuído à família MR. A expressão do gene chop1 , ou uma forma truncada desse gene que codifica apenas o núcleo hidrofóbico (resíduos 1-346 ou 1-517) em oócitos de sapo na presença de todo-trans retinal produz uma condutância controlada por luz que mostra as características de um canalizar passivamente, mas seletivamente permeável aos prótons. A atividade desse canal provavelmente gera correntes bioelétricas.

Um homólogo de ChR1 em C. reinhardtii é channelrodopsina-2 (ChR2; Chop2; Cop4; CSOB). Esta proteína é 57% idêntica, 10% semelhante a ChR1. Ele forma um canal iônico seletivo para cátions, ativado pela absorção de luz. Ele transporta cátions monovalentes e divalentes. Ele dessensibiliza a uma pequena condutância na luz contínua. A recuperação da dessensibilização é acelerada por H ⁺ extracelular e um potencial de membrana negativo. Pode ser um fotorreceptor para células adaptadas ao escuro. Um aumento transitório na hidratação de α-hélices transmembrana com (1/2) = 60 μs contagens com o início da permeação de cátions. O aspartato 253 aceita o próton liberado pela base de Schiff (t (1/2) = 10 μs), com o último sendo reprotonado pelo ácido aspártico 156 (t (1/2) = 2 ms). Os grupos aceitadores e doadores de prótons internos, correspondentes a D212 e D115 na bacteriorodopsina, são claramente diferentes de outras rodopsinas microbianas, indicando que suas posições espaciais na proteína foram realocadas durante a evolução. E90 desprotona exclusivamente no estado não condutor. As reações de transferência de prótons observadas e as mudanças conformacionais das proteínas relacionam-se ao gating do canal catiônico.

Halorhodopsins

A bacteriorodopsina bombeia um íon Cl ^- , do meio extracelular para o citosol, por fóton absorvido. Embora os íons se movam na direção oposta, a corrente gerada (conforme definida pelo movimento da carga positiva) é a mesma que para a bacteriorodopsina e as arqueodopsinas.

Rodopsina Bacteriana Marinha

Foi relatado que uma rodopsina bacteriana marinha funciona como uma bomba de prótons. No entanto, também se assemelha à rodopsina II sensorial de archaea, bem como a um Orf do fungo Leptosphaeria maculans (AF290180). Estas proteínas exibem 20-30% de identidade umas com as outras.

Reação de Transporte

A reação de transporte generalizada para rodopsinas bacteriológicas e sensoriais é:

H ⁺ (entra) + hν → H ⁺ (sai).

Isso para halorodopsina é:

Cl ^- (fora) + hν → Cl ^- (dentro).

Veja também

• Bacteriorodopsina
• Proteorodopsina
• Opsin

Referências