Bacteriorhodopsin

Bacteriorhodopsin-
identifierare
Organism	Halobacterium salinarum
Symbol	bop
UniProt	P02945
Söka efter Strukturer Schweizisk modell Domäner InterPro

Bacteriorhodopsin (Bop) är ett protein som används av Archaea , mest notably av haloarchaea , en klass av Euryarchaeota . Den fungerar som en protonpump ; det vill säga att den fångar ljusenergi och använder den för att flytta protoner över membranet ut ur cellen. Den resulterande protongradienten omvandlas därefter till kemisk energi.

Fungera

Kemiosmotisk koppling mellan bakteriodopsin och ATP-syntas i Halobacterium salinarum- membranet

Bacteriorhodopsin är en ljusdriven H ⁺ -jontransportör som finns i vissa haloarchaea, framför allt Halobacterium salinarum (tidigare känd som syn. H. halobium ). Den protonmotoriska kraften som genereras av proteinet används av ATP-syntas för att generera adenosintrifosfat (ATP) . Genom att uttrycka bakteriodopsin kan archaea-cellerna syntetisera ATP i frånvaro av en kolkälla.

Strukturera

En bakteriodopsintrimer , som visar de ungefärliga positionerna för de extracellulära och cytoplasmatiska sidorna av membranet (röda respektive blå linjer)

Bacteriorhodopsin är ett 27 kDa integralt membranprotein som vanligtvis finns i tvådimensionella kristallina fläckar som kallas "lila membran", som kan uppta nästan 50 % av arkealcellens yta. Det repeterande elementet i det hexagonala gittret är sammansatt av tre identiska proteinkedjor, var och en roterad 120 grader i förhållande till de andra. Varje monomer har sju transmembrana alfa-helixar och ett extracellulärt vänt, tvåsträngat beta-ark .

Bacteriorhodopsin syntetiseras som en proteinprekursor , känd som bacterio-opsin, som är omfattande modifierad efter translation . Ändringarna är:

• Kovalent konjugering av en retinal molekyl till rest Lys216, via en Schiff-bas , för att skapa retinylidenkromoforen.
• Klyvning av signalpeptiden , de första 13 aminosyrorna vid N-terminalen och omvandlingen av rest Gln14 till pyroglutamat
• Avlägsnande av rest Asp262 vid C-terminalen

Spektrala egenskaper

Bacteriorhodopsin-molekylen är lila och är mest effektiv för att absorbera grönt ljus (i våglängdsområdet 500-650 nm ). I det naturliga membranet har proteinet en maximal absorbans vid 553 nm, men tillsats av detergent stör den trimera formen, vilket leder till en förlust av excitonkoppling mellan kromoforerna, och den monomera formen har följaktligen ett absorptionsmaximum på 568 nm.

Bacteriorhodopsin har ett brett excitationsspektrum. För en detekteringsvåglängd mellan 700 och 800 nm har den en avsevärd detekterad emission för excitationsvåglängder mellan 470 nm och 650 nm (med en topp vid 570 nm). När det pumpas vid 633 nm har emissionsspektrumet en avsevärd intensitet mellan 650 nm och 850 nm.

Mekanism

Fotocykelöversikt

Bacteriorhodopsin är en ljusdriven protonpump. Det är näthinnemolekylen som ändrar sitt isomeriseringstillstånd från all- trans till 13- cis när den absorberar en foton . Det omgivande proteinet svarar på förändringen i kromoforens form genom att genomgå en ordnad sekvens av konformationsförändringar (kollektivt känd som fotocykeln). Konformationsförändringarna förändrar pKa - _värdena . för konserverade aminosyror i proteinets kärna, inklusive Asp85, Asp96 och Schiffs bas-N-atom (Lys216) Dessa sekventiella förändringar i syradissociationskonstanten resulterar i överföring av en proton från den intracellulära sidan till den extracellulära sidan av membranet för varje foton som absorberas av kromoforen.

Bakteriodopsin-fotocykeln består av nio distinkta stadier, med start från marken eller vilotillståndet, som betecknas 'bR'. Mellanprodukterna identifieras med enstaka bokstäver och kan särskiljas genom sina absorptionsspektra . De nio stegen är:

bR + foton → K ⇌ L ⇌ M ₁ ⇌ M ₂ ⇌ M ₂ ' ⇌ N ⇌ N' ⇌ O ⇌ bR

Marktillstånd + foton → K-tillstånd → L-tillstånd

Konformationsförändring, parat stereogram . Den orange molekylen är helt trans retinal och den röda molekylen är 13- cis retinal.

Bacteriorhodopsin i grundtillståndet absorberar en foton och näthinnan ändrar isomerisering från all- trans 15- anti till den ansträngda 13- cis 15- anti i K-tillståndet. Isomeriseringsreaktionen är snabb och sker på mindre än 1 ps. Näthinnan antar en mindre ansträngd konformation för att bilda L-mellanprodukten.

L-tillstånd → M ₁ -tillstånd

Asp85 accepterar en proton från Schiffs bas N-atom. I M ₁ -mellanprodukten laddas varken Schiff-basen eller Asp85.

M ₁ tillstånd → M ₂ tillstånd

Schiff-basen roterar bort från den extracellulära sidan av proteinet mot den cytoplasmatiska sidan, som förberedelse för att acceptera en ny proton.

M2 _- tillstånd → M2' _- tillstånd

En proton frigörs från Glu204 och Glu194 till det extracellulära mediet.

M ₂ ' tillstånd → N tillstånd

Den retinala Schiff-basen accepterar en proton från Asp96. I N-staten laddas både Asp96 och Schiff-basen.

N tillstånd → N' tillstånd

Asp96 accepterar en proton från den cytoplasmatiska sidan av membranet och blir oladdad.

N' tillstånd → O tillstånd

Retinal återomeriserar till helt trans- tillståndet.

O tillstånd → grundtillstånd

Asp85 överför en proton till Glu194 och Glu204 på proteinets extracellulära yta.

Homologer och andra liknande proteiner

Bacteriorhodopsin tillhör den mikrobiella rhodopsin- familjen. Dess homologer inkluderar archaerhodopsinerna , den ljusdrivna kloridpumpen halorhodopsin (för vilken kristallstrukturen också är känd), och några direkt ljusaktiverade kanaler såsom channelrhodopsin .

Bacteriorhodopsin liknar rhodopsiner från ryggradsdjur , de pigment som känner av ljus i näthinnan . Rhodopsiner innehåller också retinal; emellertid är funktionerna för rhodopsin och bakteriodopsin olika, och det finns begränsad likhet i deras aminosyrasekvenser . Både rhodopsin och bacteriorhodopsin tillhör 7TM- receptorfamiljen av proteiner, men rhodopsin är en G-proteinkopplad receptor och bacteriorhodopsin är det inte. I den första användningen av elektronkristallografi för att erhålla en proteinstruktur på atomär nivå, löstes strukturen av bakteriorodopsin 1990. Den användes sedan som en mall för att bygga modeller av G-proteinkopplade receptorer innan kristallografiska strukturer också var tillgängliga för dessa proteiner . Det har studerats överdrivet mycket på både glimmer och glassubstrat med hjälp av atomkraftsmikroskopi och femtosekundkristallografi.

Alla andra fototrofiska system i bakterier, alger och växter använder klorofyll eller bakterioklorofyll snarare än bakteriohodopsin. Dessa producerar också en protongradient, men på ett helt annat och mer indirekt sätt med en elektronöverföringskedja som består av flera andra proteiner. Dessutom är klorofyller hjälpt till att fånga ljusenergi av andra pigment som kallas "antenner"; dessa är inte närvarande i bakterieorhodopsin-baserade system. Det är möjligt att fototrofi självständigt utvecklades minst två gånger, en gång i bakterier och en gång i arkéer.

Galleri

• 

  Bacteriorhodopsin enkel monomer med retinal molekyl mellan 7 vertikala alfahelixar ( PDB ID: 1X0S). Ytterligare en liten helix är ljusblå, beta- arkgul.

• 

  Bacteriorhodopsin trimer med en retinal molekyl i varje subenhet sett från den extracellulära sidan EC ( PDB ID: 1X0S).

Se även

• Mikrobiell rhodopsin
• Proteorhodopsin
• Opsin
• Archaerhodopsin
• Purple Earth hypotes

externa länkar

• Bacteriorhodopsin: Molecule of the Month , av David Goodsell, RCSB Protein Data Bank
• Proteinbaserad konstgjord näthinnatillverkning: Karakterisering av funktionen och stabiliteten hos bakteriorhodopsin efter exponering för en mikrogravitationsmiljö, av Nicole Wagner och Jordan Greco