Rodopsina

La rodopsina, también conocida como púrpura visual, es una proteína codificada por el gen RHO y un receptor acoplado a proteína G (GPCR). Es la opsina de los bastones de la retina y una proteína receptora sensible a la luz la que desencadena la fototransducción visual en los bastones. La rodopsina media en la visión con luz tenue y, por lo tanto, es extremadamente sensible a la luz. Cuando la rodopsina se expone a la luz, inmediatamente se fotoblanquea. En humanos, se regenera completamente en unos 30 minutos, después de lo cual los bastoncillos son más sensibles. Los defectos en el gen de la rodopsina causan enfermedades oculares como la retinosis pigmentaria y la ceguera nocturna estacionaria congénita.

Nombres

La rodopsina fue descubierta por Franz Christian Boll en 1876. El nombre rodopsina deriva del griego antiguo ῥόδον (rhódon) por "rosa", debido a su color rosado, y ὄψις (ópsis) para "vista". Fue acuñado en 1878 por el fisiólogo alemán Wilhelm Friedrich Kühne (1837-1900).

Cuando George Wald descubrió que la rodopsina es una holoproteína, que consta de retinal y una apoproteína, la llamó opsina, que hoy en día se describiría de manera más restringida como apo-rodopsina. Hoy en día, el término opsina se refiere de manera más amplia a la clase de receptores acoplados a proteína G que se unen a la retina y, como resultado, se convierten en un fotorreceptor sensible a la luz, incluidas todas las proteínas estrechamente relacionadas. Cuando Wald y sus colegas aislaron más tarde la yodopsina de las retinas de pollo, descubriendo así la primera opsina cónica conocida, llamaron apo-yodopsina fotopsina (por su relación con la visión fotópica) y apo-rodopsina escotopsina (para su uso en visión escotópica).

Generales

La rodopsina es una proteína que se encuentra en los discos del segmento externo de los bastones. Interviene en la visión escotópica, que es una visión monocromática en condiciones de poca luz. La rodopsina absorbe más fuertemente la luz verde-azul (~500 nm) y, por lo tanto, aparece de color púrpura rojizo, de ahí el término arcaico "púrpura visual".

Varias opsinas estrechamente relacionadas difieren solo en unos pocos aminoácidos y en las longitudes de onda de la luz que absorben con mayor fuerza. Los humanos tienen, incluida la rodopsina, nueve opsinas, así como criptocromo (sensible a la luz, pero no opsina).

Estructura

Cattle rhodopsin

La rodopsina, al igual que otras opsinas, es un receptor acoplado a proteína G (GPCR). Los GPCR son quimiorreceptores que se incrustan en la bicapa lipídica de las membranas celulares y tienen siete dominios transmembrana que forman un bolsillo de unión para un ligando. El ligando de la rodopsina es el cromóforo 11-cis-retinal basado en vitamina A, que se encuentra horizontalmente a la membrana celular y se une covalentemente a un residuo de lisina (lys296) en el séptimo dominio transmembrana a través de un Schiff. -base. Sin embargo, el 11-cis-retinal solo bloquea el bolsillo de unión y no activa la rodopsina. Solo se activa cuando el 11-cis-retinal absorbe un fotón de luz y se isomeriza a all-trans-retinal, la forma activadora del receptor, lo que provoca cambios conformales en la rodopsina (blanqueamiento), que activan una cascada de fototransducción. Por lo tanto, un quimiorreceptor se convierte en un receptor de luz o foto(n).

La lisina que se une a la retina se conserva en casi todas las opsinas y solo unas pocas la perdieron durante la evolución. Las opsinas sin lisina no son sensibles a la luz, incluida la rodopsina. La rodopsina se vuelve constitutivamente (continuamente) activa por algunas de esas mutaciones, incluso sin luz. También la rodopsina de tipo salvaje es constitutivamente activa, si no se une 11-cis-retinal, pero mucho menos. Por lo tanto, el 11-cis-retinal es un agonista inverso. Estas mutaciones son una de las causas de la retinosis pigmentaria autosómica dominante. Artificialmente, la lisina que se une a la retina se puede desplazar a otras posiciones, incluso a otros dominios transmembrana, sin cambiar la actividad.

La rodopsina del ganado tiene 348 aminoácidos, siendo la lisina que se une a la retina Lys296. Fue la primera opsina cuya secuencia de aminoácidos y estructura 3D fueron determinadas. Su estructura ha sido estudiada en detalle por cristalografía de rayos X sobre cristales de rodopsina. Varios modelos (por ejemplo, el mecanismo de pedal de bicicleta, mecanismo de giro de hula) intentan explicar cómo el grupo retinal puede cambiar su conformación sin chocar con el bolsillo de proteína rodopsina que lo envuelve. Datos recientes respaldan que la rodopsina es un monómero funcional, en lugar de un dímero, que fue el paradigma de los receptores acoplados a proteína G durante muchos años.

Dentro de su membrana nativa, la rodopsina se encuentra en una alta densidad, lo que facilita su capacidad para capturar fotones. Debido a su denso empaquetamiento dentro de la membrana, existe una mayor probabilidad de que la rodopsina capture proteínas. Sin embargo, la alta densidad también proporciona una desventaja cuando se trata de la señalización de la proteína G porque la difusión se vuelve más difícil en una membrana repleta que está repleta del receptor, la rodopsina.

Fototransducción

El ciclo visual sigue la renovación del cromoforo retina. Corre en paralelo a la vía fototransducción.

La rodopsina es un receptor acoplado a proteína G esencial en la fototransducción.

Activación

En la rodopsina, el grupo aldehído del retinal está unido covalentemente al grupo amino de un residuo de lisina en la proteína en una base de Schiff protonada (-NH⁺=CH-). Cuando la rodopsina absorbe la luz, su cofactor retiniano se isomeriza desde la configuración 11-cis a la configuración totalmente trans y, posteriormente, la proteína sufre una serie de relajaciones para adaptarse a la forma alterada del cofactor isomerizado. Los intermedios formados durante este proceso se investigaron por primera vez en el laboratorio de George Wald, quien recibió el premio Nobel por esta investigación en 1967. La dinámica de la fotoisomerización se investigó posteriormente con espectroscopia IR de resolución temporal y espectroscopia UV/Vis. Un primer fotoproducto llamado fotorodopsina se forma dentro de los 200 femtosegundos después de la irradiación, seguido dentro de los picosegundos por un segundo llamado batorrodopsina con enlaces trans distorsionados. Este intermedio se puede atrapar y estudiar a temperaturas criogénicas, y se denominó inicialmente como prelumirrodopsina. En los intermedios posteriores lumirrodopsina y metarrodopsina I, el enlace base de Schiff con el retinal todo trans permanece protonado y la proteína conserva su color rojizo. El cambio crítico que inicia la excitación neuronal implica la conversión de metarodopsina I en metarodopsina II, que se asocia con la desprotonación de la base de Schiff y el cambio de color de rojo a amarillo.

Cascada de fototransducción

El producto de la activación de la luz, la Metarodopsina II, inicia la vía del segundo mensajero de la fototransducción visual al estimular la proteína G transducina (G_t), lo que resulta en la liberación de su subunidad α. Esta subunidad unida a GTP, a su vez, activa una fosfodiesterasa cGMP. La fosfodiesterasa cGMP hidroliza (descompone) cGMP, lo que reduce su concentración local para que ya no pueda activar los canales de cationes dependientes de cGMP. Esto conduce a la hiperpolarización de las células fotorreceptoras, cambiando la velocidad a la que liberan transmisores.

Desactivación

Meta II (metarrodopsina II) se desactiva rápidamente después de activar la transducina por la rodopsina quinasa y la arrestina. El pigmento de rodopsina debe regenerarse para que se produzca una mayor fototransducción. Esto significa reemplazar todo trans-retinal con 11-cis-retinal y la descomposición de Meta II es crucial en este proceso. Durante la descomposición de Meta II, el enlace base de Schiff que normalmente contiene todo trans-retinal y la apoproteína opsina (aporrodopsina) se hidroliza y se convierte en Meta III. En el segmento externo de la varilla, Meta III se descompone en trans-retinal y opsina separados. Un segundo producto de la descomposición de Meta II es un complejo de opsina todo-trans-retinal en el que el todo-trans-retinal se ha translocado a segundos sitios de unión. Si la descomposición de Meta II se encuentra con Meta III o con el complejo de opsina totalmente trans-retiniana parece depender del pH de la reacción. Un pH más alto tiende a impulsar la reacción de descomposición hacia Meta III.

Enfermedades de la retina

Las mutaciones en el gen de la rodopsina contribuyen principalmente a diversas enfermedades de la retina, como la retinosis pigmentaria. En general, la rodopsina defectuosa se agrega con la ubiquitina en los cuerpos de inclusión, interrumpe la red de filamentos intermedios y afecta la capacidad de la célula para degradar las proteínas que no funcionan, lo que conduce a la apoptosis de los fotorreceptores. Otras mutaciones en la rodopsina conducen a la ceguera nocturna estacionaria congénita ligada al cromosoma X, principalmente debido a la activación constitutiva, cuando las mutaciones ocurren alrededor del bolsillo de unión al cromóforo de la rodopsina. Se han descubierto varios otros estados patológicos relacionados con la rodopsina, que incluyen tráfico post-Golgi deficiente, activación desreguladora, inestabilidad del segmento externo de la barra y unión de arrestina.

Notas explicativas