Analisi dettagliata della retina distorta e della sua interazione con i residui circostanti nell'intermedio K della batteriorodopsina

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 190 (2023) Citare questo articolo

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L'intermedio K della batteriorodopsina che pompa protoni è il primo intermedio generato dopo l'isomerizzazione della retina nella forma 13-cis. Sebbene finora siano state riportate diverse strutture per l'intermedio K, queste differiscono l'una dall'altra, soprattutto in termini di conformazione del cromoforo retinico e della sua interazione con i residui circostanti. Riportiamo qui un'accurata analisi cristallografica a raggi X della struttura K. Si osserva che la catena polienica della retina 13-cis è a forma di S. La catena laterale di Lys216, che è legata covalentemente alla retina tramite il collegamento della base di Schiff, interagisce con i residui Asp85 e Thr89. Inoltre, l'Nζ-H del legame protonato della base di Schiff interagisce con un residuo, Asp212 e una molecola d'acqua, W402. Sulla base di calcoli chimici quantistici per questa struttura K, esaminiamo i fattori stabilizzanti della conformazione distorta della retina e proponiamo una modalità di rilassamento al successivo intermedio L.

La batteriorodopsina (bR) è una pompa protonica guidata dalla luce che si trova nella membrana plasmatica di un archaeon, Halobacterium salinarum1,2, ed è attualmente una delle proteine ​​di membrana più intensamente studiate3,4. Rodopsine microbiche simili che agiscono come pompe ioniche, canali e sensori sono state scoperte non solo negli archaea ma anche nei batteri, nei funghi e persino nei virus5,6,7. Tutte queste proteine, come bR8, hanno sette eliche transmembrana e un cromoforo retinico centrale. La retina ha una struttura polienica con lunghi doppi legami coniugati. Nel caso di bR, il cromoforo retinale forma un legame base di Schiff (SB) con un residuo di lisina in posizione 216 (Lys216). La retina assume una conformazione completamente trans nello stato di riposo adattato alla luce. L'assorbimento della luce provoca l'isomerizzazione di un doppio legame a C13−C14 della retina da una conformazione trans a cis. I cambiamenti strutturali si propagano alla porzione proteica e vengono espresse le rispettive funzioni.

Nel caso di bR, avviene un ciclo di reazione in cui vengono generati sequenzialmente una serie di intermedi (I, J, K, L, M, N, O). Nel ciclo di reazione di bR, un singolo protone viene trasportato dall'interno all'esterno della membrana plasmatica. L'intermedio K, caratterizzato da un picco di assorbimento a 590 nm a temperatura ambiente9, è il primo intermedio generato dopo l'isomerizzazione della retina nella forma 13-cis. L'intermedio K può essere intrappolato dall'irradiazione luminosa a temperature criogeniche10. È stato dimostrato che l'intermedio K prodotto a temperature criogeniche ha quasi le stesse caratteristiche nelle bande vibrazionali di quelle prodotte transitoriamente a temperatura ambiente11,12. La struttura dell'intermedio K è stata inizialmente studiata mediante la tecnica del crio-intrappolamento in combinazione con la cristallografia a raggi X13,14,15,16 (Tabella supplementare 1). La struttura è stata studiata anche mediante studi cristallografici seriali al femtosecondo (TR-SFX) risolti nel tempo17,18,19 (Tabella supplementare 1). Queste indagini hanno rivelato che i cambiamenti strutturali sulla formazione dell'intermedio K sono piccoli e ancora limitati alle vicinanze della retina. Pertanto, l’intermedio K è un argomento di ricerca interessante con il potenziale per fornire informazioni sull’immagazzinamento e sulla propagazione dell’energia all’interno delle proteine. Tuttavia, si possono trovare molte incongruenze tra le strutture K precedentemente riportate nella conformazione della retina e nei dettagli della sua interazione con i residui circostanti. Per questo motivo, i punti cruciali nell'immagazzinamento e nella propagazione dell'energia all'interno delle proteine ​​rimangono poco compresi, sebbene sia stata effettuata una stima dell'energia immagazzinata di ~50 kJ/mol20.

La capacità di manipolare le cellule mediante la luce ha recentemente portato all'uso di rodopsine guidate dalla luce per l'attivazione deliberata di neuroni e altre cellule mediante optogenetica21,22. Inoltre, sono stati condotti studi approfonditi sull'uso di bR nei materiali fotografici23,24. In termini di sviluppo di applicazioni che utilizzano rodopsine e altre proteine ​​fotoattive, è importante chiarire il meccanismo mediante il quale la fotoisomerizzazione del cromoforo si traduce in movimenti funzionali nelle proteine. Pertanto, in questo studio, ci siamo concentrati su bR, che è una delle proteine ​​fotoattive meglio studiate, e abbiamo eseguito analisi strutturali ad alta risoluzione per determinare con precisione la conformazione del suo cromoforo retinale e le interazioni con l'ambiente proteico nell'intermedio K.