Análise detalhada do retinal distorcido e sua interação com os resíduos circundantes no intermediário K da bacteriorodopsina

Biologia da Comunicação volume 6, Número do artigo: 190 (2023) Citar este artigo

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O intermediário K da bacteriorodopsina de bombeamento de prótons é o primeiro intermediário gerado após a isomerização do retinal na forma 13-cis. Embora várias estruturas tenham sido relatadas para o intermediário K até agora, elas diferem umas das outras, especialmente em termos da conformação do cromóforo da retina e sua interação com os resíduos circundantes. Relatamos aqui uma análise cristalográfica de raios-X precisa da estrutura K. A cadeia de polieno do 13-cis retinal é observada em forma de S. A cadeia lateral de Lys216, que está ligada covalentemente ao retinal através da ligação Schiff-base, interage com os resíduos Asp85 e Thr89. Além disso, o Nζ-H da ligação Schiff-base protonada interage com um resíduo, Asp212 e uma molécula de água, W402. Com base em cálculos químicos quânticos para essa estrutura K, examinamos os fatores estabilizadores da conformação distorcida do retinal e propomos uma maneira de relaxamento para o próximo intermediário L.

Bacteriorodopsina (bR) é uma bomba de prótons acionada por luz que ocorre na membrana plasmática de um archaeon, Halobacterium salinarum1,2, e é atualmente uma das proteínas de membrana mais intensamente estudadas3,4. Rodopsinas microbianas semelhantes atuando como bombas de íons, canais e sensores foram descobertas não apenas em archaea, mas também em bactérias, fungos e até vírus5,6,7. Todas essas proteínas, como bR8, possuem sete hélices transmembranares e um cromóforo retinal central. O retinal tem um esqueleto de polieno com longas ligações duplas conjugadas. No caso de bR, o cromóforo retinal forma uma ligação Schiff-base (SB) com um resíduo de lisina na posição 216 (Lys216). O retinal assume uma conformação totalmente trans no estado de repouso adaptado à luz. A absorção de luz causa a isomerização de uma ligação dupla em C13−C14 do retinal de uma conformação trans para cis. As mudanças estruturais são propagadas para a porção proteica e as respectivas funções são expressas.

No caso de bR, ocorre um ciclo de reação no qual uma série de intermediários (I, J, K, L, M, N, O) são gerados sequencialmente. No ciclo de reação do bR, um único próton é transportado de dentro para fora da membrana plasmática. O intermediário K, caracterizado por um pico de absorção em 590 nm à temperatura ambiente9, é o primeiro intermediário gerado após a isomerização do retinal na forma 13-cis. O intermediário K pode ser aprisionado pela irradiação de luz sob temperaturas criogênicas10. O K intermediário produzido em temperaturas criogênicas demonstrou ter quase as mesmas características em bandas vibracionais daqueles produzidos transitoriamente em temperatura ambiente11,12. A estrutura do intermediário K foi inicialmente investigada por meio da técnica de criocaptação em combinação com cristalografia de raios-X13,14,15,16 (tabela complementar 1). A estrutura também foi investigada por meio de estudos cristalográficos seriados de femtossegundos resolvidos no tempo (TR-SFX)17,18,19 (tabela complementar 1). Essas investigações revelaram que as mudanças estruturais na formação do intermediário K são pequenas e ainda limitadas à vizinhança do retinal. Portanto, o intermediário K é um assunto de pesquisa interessante com potencial para fornecer informações sobre o armazenamento e a propagação de energia nas proteínas. No entanto, muitas inconsistências podem ser encontradas entre as estruturas K relatadas anteriormente na conformação do retinal e nos detalhes de sua interação com os resíduos circundantes. Por esta razão, os pontos cruciais no armazenamento e propagação de energia dentro das proteínas permanecem pouco compreendidos, embora uma estimativa da energia armazenada tenha sido feita ~ 50 kJ/mol20.

A capacidade de manipular células pela luz levou recentemente ao uso de rodopsinas acionadas por luz para a ativação deliberada de neurônios e outras células por optogenética21,22. Além disso, extensos estudos foram realizados sobre o uso de bR em materiais fotográficos23,24. Em termos de desenvolvimento de aplicações utilizando rodopsinas e outras proteínas fotoativas, é importante elucidar o mecanismo pelo qual a fotoisomerização do cromóforo é traduzida em movimentos funcionais nas proteínas. Portanto, neste estudo, focamos em bR, que é uma das proteínas fotoativas mais bem estudadas, e realizamos análises estruturais de alta resolução para determinar com precisão a conformação de seu cromóforo retinal e as interações com o entorno da proteína no intermediário K.