De retina

Retinal (también conocido como retinaldehído) es un cromóforo polieno. La retina, unida a proteínas llamadas opsinas, es la base química de la fototransducción visual, la etapa de detección de luz de la percepción visual (visión).

Algunos microorganismos utilizan la retina para convertir la luz en energía metabólica. De hecho, un estudio reciente sugiere que la mayoría de los organismos vivos en nuestro planeta hace aproximadamente 3 mil millones de años usaban retina para convertir la luz solar en energía en lugar de clorofila. Dado que la retina absorbe principalmente luz verde y transmite luz violeta, esto dio lugar a la hipótesis de la Tierra Púrpura.

Hay muchas formas de vitamina A, todas las cuales se convierten en retina, que no se puede producir sin ellas. La retina en sí se considera una forma de vitamina A cuando la ingiere un animal. La cantidad de moléculas diferentes que se pueden convertir en retina varía de una especie a otra. La retina originalmente se llamaba retineno y se le cambió el nombre después de que se descubrió que era aldehído de vitamina A.

Los animales vertebrados ingieren retina directamente de la carne o la producen a partir de carotenoides, ya sea de α-caroteno o β-caroteno, ambos carotenos. También lo producen a partir de β-criptoxantina, un tipo de xantofila. Estos carotenoides deben obtenerse de plantas u otros organismos fotosintéticos. Los animales no pueden convertir otros carotenoides en retina. Algunos carnívoros no pueden convertir ningún carotenoides. Las otras formas principales de vitamina A (el retinol y una forma parcialmente activa, el ácido retinoico) pueden producirse a partir de la retina.

Los invertebrados como los insectos y los calamares utilizan formas hidroxiladas de retina en sus sistemas visuales, que se derivan de la conversión de otras xantofilas.

Metabolismo de la vitamina A

Los organismos vivos producen retina mediante la escisión oxidativa irreversible de los carotenoides.

Por ejemplo:

betacaroteno + O₂ → 2 retina,

catalizado por una betacaroteno 15,15'-monooxigenasa o una betacaroteno 15,15'-dioxigenasa.

Así como los carotenoides son los precursores del retinal, el retinal es el precursor de otras formas de vitamina A. El retinal es interconvertible con el retinol, la forma de transporte y almacenamiento de la vitamina A:

retina + NADPH + H⁺ ⇌ retinol + NADP⁺

retinol + NAD⁺ ⇌ retinal + NADH + H⁺,

catalizado por retinol deshidrogenasas (RDH) y alcohol deshidrogenasas (ADH).

El retinol se llama alcohol de vitamina A o, más a menudo, simplemente vitamina A. El retinal también se puede oxidar a ácido retinoico:

retina + NAD⁺ + H₂O → ácido retinoico + NADH + H⁺ (catalyzed by RALDH)

retina + O₂ + H₂O → ácido retinoico + H₂O₂ (catalizado por retina oxidasa),

catalizado por retinaldehído deshidrogenasas (RALDH), así como retinales oxidasas.

El ácido retinoico, a veces llamado ácido de vitamina A, es una molécula y hormona de señalización importante en los animales vertebrados.

Visión

Retinal es un cromóforo conjugado. En el ojo humano, la retina comienza en una configuración 11-cis-retiniana que, al capturar un fotón de la longitud de onda correcta, se endereza hasta convertirse en una retiniana totalmente trans. configuración. Este cambio de configuración empuja una proteína opsina en la retina, lo que desencadena una cascada de señalización química, que da como resultado la percepción de luz o imágenes por parte del cerebro humano. El espectro de absorbancia del cromóforo depende de sus interacciones con la proteína opsina a la que está unido, de modo que diferentes complejos de retina-opsina absorberán fotones de diferentes longitudes de onda (es decir, diferentes colores de luz).

Opsinas

La retina está unida a las opsinas, que son receptores acoplados a proteína G (GPCR). Las opsinas, como otros GPCR, tienen siete hélices alfa transmembrana conectadas por seis bucles. Se encuentran en las células fotorreceptoras de la retina del ojo. La opsina en los bastones de los vertebrados es la rodopsina. Los bastones forman discos que contienen las moléculas de rodopsina en sus membranas y que se encuentran completamente dentro de la célula. La cabeza del extremo N de la molécula se extiende hacia el interior del disco y la cola del extremo C se extiende hacia el citoplasma de la célula. Las opsinas en las células del cono son OPN1SW, OPN1MW y OPN1LW. Los conos forman discos incompletos que forman parte de la membrana plasmática, de modo que la cabeza del extremo N se extiende fuera de la célula. En las opsinas, la retina se une covalentemente a una lisina en la séptima hélice transmembrana a través de una base de Schiff. La formación del enlace de base de Schiff implica eliminar el átomo de oxígeno de la retina y dos átomos de hidrógeno del grupo amino libre de la lisina, dando H₂O. El retinilideno es el grupo divalente que se forma al eliminar el átomo de oxígeno de la retina, por lo que las opsinas se han denominado proteínas retinilideno.

Las opsinas son receptores acoplados a proteína G (GPCR) prototípicos. La rodopsina de ganado, la opsina de los bastones, fue el primer GPCR al que se le determinó su secuencia de aminoácidos y su estructura tridimensional (mediante cristalografía de rayos X). La rodopsina bovina contiene 348 residuos de aminoácidos. La retina se une como cromóforo en Lys²⁹⁶. Esta lisina se conserva en casi todas las opsinas, sólo unas pocas opsinas la han perdido durante la evolución. Las opsinas sin lisina, que se une a la retina, no son sensibles a la luz. Estas opsinas pueden tener otras funciones.

Aunque los mamíferos utilizan el retinal exclusivamente como cromóforo de opsina, otros grupos de animales utilizan además cuatro cromóforos estrechamente relacionados con el retinal: 3,4-dideshidroretinal (vitamina A₂), (3R )-3-hidroxiretinal, (3S)-3-hidroxiretinal (ambas vitamina A₃) y (4R)-4-hidroxiretinal (vitamina A₄). Muchos peces y anfibios utilizan 3,4-dideshidroretinal, también llamado deshidroretinal. A excepción del suborden de dípteros Cyclorrhapha (las llamadas moscas superiores), todos los insectos examinados utilizan el enantiómero (R) del 3-hidroxiretinal. El enantiómero (R) es de esperar si el 3-hidroxiretinal se produce directamente a partir de carotenoides xantofilicos. Los ciclorrafanos, incluida Drosophila, utilizan (3S)-3-hidroxiretinal. Se ha descubierto que el calamar luciérnaga utiliza (4R)-4-hidroxiretinal.

Ciclo visual

El ciclo visual es una vía enzimática circular, que es el inicio de la fototransducción. Regenera 11-cis-retinal. Por ejemplo, el ciclo visual de los bastones de los mamíferos es el siguiente:

1. all-trans-retinyl ester + H₂O → 11-cis-retinol + ácido graso; isomerohidrolas RPE65;
2. 11-cis-retinol + NAD⁺ → 11-cis-retina + NADH + H⁺; 11-cis-retinol deshidrogenasa;
3. 11-cis-retinal + aporhodopsin → rhodopsin + H₂O; formas Schiff base linkage to lysine, -CH=N⁺H-;
4. rhodopsin + hν → metarhodopsin II (es decir, 11-cis fotoisomeriza a todos...trans):

   (rhodopsin + hν → photorhodopsin → bathorhodopsin → lumirhodopsin → metarhodopsin I → metarhodopsin II);

5. metarhodopsin II + H₂O → aporhodopsin + all-trans-retina;
6. all-trans-retinal + NADPH + H⁺ → all-trans-retinol + NADP⁺; all-trans-retinol deshidrogenasa;
7. Todo...trans-retinol + ácido graso → all-trans-retinil ester + H₂O; lecithin retinol acyltransferases (LRATs).

Los pasos 3, 4, 5 y 6 ocurren en los segmentos externos de los bastones; Los pasos 1, 2 y 7 ocurren en las células del epitelio pigmentario de la retina (EPR).

Las isomerohidrolasas RPE65 son homólogas a las betacaroteno monooxigenasas; la enzima ninaB homóloga en Drosophila tiene actividad carotenoide-oxigenasa formadora de retina y actividad todo-trans a 11-cis isomerasa.

Rodopsinas microbianas

Todo-trans-retinal también es un componente esencial de las opsinas microbianas como la bacteriorrodopsina, la canalrodopsina y la halorrodopsina, que son importantes en la fotosíntesis anoxigénica de bacterias y arqueas. En estas moléculas, la luz hace que el todo-trans-retinal se convierta en 13-cis retiniano, que luego regresa a todo-trans-retinal. en el estado oscuro. Estas proteínas no están relacionadas evolutivamente con las opsinas animales y no son GPCR; el hecho de que ambos utilicen retina es el resultado de una evolución convergente.

Historia

El bioquímico estadounidense George Wald y otros habían delineado el ciclo visual en 1958. Por su trabajo, Wald ganó una parte del Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1967 con Haldan Keffer Hartline y Ragnar Granit.