Bactériorhodopsine - Bacteriorhodopsin
La bactériorhodopsine est une protéine utilisée par les archées , notamment par les haloarchées , une classe des Euryarchaeota . Il agit comme une pompe à protons ; c'est-à-dire qu'il capte l'énergie lumineuse et l'utilise pour déplacer des protons à travers la membrane hors de la cellule. Le gradient de protons résultant est ensuite converti en énergie chimique.
Fonction
La bactériorhodopsine est un transporteur d'ions H + activé par la lumière que l'on trouve dans certaines haloarchées, notamment Halobacterium salinarum (anciennement connu sous le nom de syn. H. halobium ). La force motrice protonique générée par la protéine est utilisée par l' ATP synthase pour générer de l' adénosine triphosphate (ATP) . En exprimant la bactériorhodopsine, les cellules archées sont capables de synthétiser de l'ATP en l'absence de source de carbone.
Structure
La bactériorhodopsine est une protéine membranaire intégrale de 27 kDa que l' on trouve généralement dans des plaques cristallines bidimensionnelles appelées « membrane violette », qui peuvent occuper près de 50 % de la surface de la cellule archéenne. L'élément répétitif du réseau hexagonal est composé de trois chaînes protéiques identiques, chacune tournée de 120 degrés par rapport aux autres. Chaque monomère a sept hélices alpha transmembranaires et une feuille bêta à deux brins faisant face à l'extracellulaire .
La bactériorhodopsine est synthétisée en tant que précurseur protéique , connu sous le nom de bactério-opsine, qui est largement modifié après traduction . Les modifs sont :
- Conjugaison covalente d'une molécule rétinienne au résidu Lys216, via une base de Schiff , pour créer le chromophore rétinylidène.
- Clivage du peptide signal , des 13 premiers acides aminés à l'extrémité N-terminale et conversion du résidu Gln14 en pyroglutamate
- Élimination du résidu Asp262 à l'extrémité C-terminale
Propriétés spectrales
La molécule de bactériorhodopsine est violette et est la plus efficace pour absorber la lumière verte (dans la gamme de longueurs d'onde 500-650 nm ). Dans la membrane native, la protéine a une absorbance maximale à 553 nm, cependant l'ajout de détergent perturbe la forme trimérique, entraînant une perte de couplage des excitons entre les chromophores, et la forme monomère a par conséquent un maximum d'absorption de 568 nm.
La bactériorhodopsine a un large spectre d'excitation. Pour une longueur d'onde de détection comprise entre 700 et 800 nm, il présente une émission détectée appréciable pour des longueurs d'onde d'excitation comprises entre 470 nm et 650 nm (avec un pic à 570 nm). Lorsqu'il est pompé à 633 nm, le spectre d'émission a une intensité appréciable entre 650 nm et 850 nm.
Mécanisme
Aperçu du photocycle
La bactériorhodopsine est une pompe à protons actionnée par la lumière. C'est la molécule rétinienne qui change son état d'isomérisation de tout- trans à 13- cis lorsqu'elle absorbe un photon . La protéine environnante répond au changement de forme du chromophore, en subissant une séquence ordonnée de changements conformationnels (collectivement connus sous le nom de photocycle). Les changements de conformation modifient le p K a les valeurs de acides aminés conservée dans le coeur de la protéine, y compris Asp85, Asp96 et l'atome de N base de Schiff (Lys216). Ces changements séquentiels de constante de dissociation acide entraînent le transfert d'un proton du côté intracellulaire vers le côté extracellulaire de la membrane pour chaque photon absorbé par le chromophore.
Le photocycle de la bactériorhodopsine se compose de neuf étapes distinctes, à partir de l'état fondamental ou de repos, qui est noté « bR ». Les intermédiaires sont identifiés par des lettres simples et peuvent être distingués par leurs spectres d'absorption . Les neuf étapes sont :
- bR + photon → K L ⇌ M 1 M 2 M 2 ' ⇌ N ⇌ N' ⇌ O ⇌ bR
État fondamental + photon → état K → état L
La bactériorhodopsine à l'état fondamental absorbe un photon et la rétine change l'isomérisation du tout- trans 15- anti au 13- cis 15- anti tendu à l'état K. La réaction d'isomérisation est rapide et se produit en moins de 1 ps. La rétine adopte une conformation moins tendue pour former l'intermédiaire L.
Etat L → M 1 Etat
Asp85 accepte un proton de l'atome de base N de Schiff. Dans l' intermédiaire M 1 , ni la base Schiff ni l'Asp85 ne sont chargés.
M 1 état → M 2 Etat
La base de Schiff s'éloigne du côté extracellulaire de la protéine vers le côté cytoplasmique, en vue d'accepter un nouveau proton.
état M 2 → état M 2 '
Un proton est libéré de Glu204 et Glu194 vers le milieu extracellulaire.
M 2 ' état → N état
La base de Schiff rétinienne accepte un proton d'Asp96. Dans l'état N, à la fois Asp96 et la base de Schiff sont chargés.
N état → N' état
Asp96 accepte un proton du côté cytoplasmique de la membrane et devient non chargé.
état N' → état O
Le rétinal se réisomérise à l' état tout- trans .
état O → état fondamental
Asp85 transfère un proton à Glu195 et Glu205 sur la face extracellulaire de la protéine.
Homologues et autres protéines similaires
La bactériorhodopsine appartient à la famille des rhodopsines microbiennes . Ses homologues comprennent les archaerhodopsines , l' halorhodopsine à pompe à chlorure actionnée par la lumière (dont la structure cristalline est également connue) et certains canaux directement activés par la lumière tels que la channelrhodopsin .
La bactériorhodopsine est similaire aux rhodopsines des vertébrés , les pigments qui détectent la lumière dans la rétine . Les rhodopsines contiennent également du rétinal; cependant, les fonctions de la rhodopsine et de la bactériorhodopsine sont différentes et la similitude de leurs séquences d' acides aminés est limitée . La rhodopsine et la bactériorhodopsine appartiennent toutes deux à la famille des récepteurs 7TM , mais la rhodopsine est un récepteur couplé à la protéine G et la bactériorhodopsine ne l'est pas. Lors de la première utilisation de la cristallographie électronique pour obtenir une structure protéique au niveau atomique , la structure de la bactériorhodopsine a été résolue en 1990. Elle a ensuite été utilisée comme modèle pour construire des modèles de récepteurs couplés aux protéines G avant que des structures cristallographiques ne soient également disponibles pour ces protéines. . Il a été excessivement étudié sur des substrats de mica et de verre en utilisant la microscopie à force atomique et la cristallographie femtoseconde.
Tous les autres systèmes phototrophes chez les bactéries, les algues et les plantes utilisent des chlorophylles ou des bactériochlorophylles plutôt que la bactériorhodopsine. Ceux-ci produisent également un gradient de protons, mais d'une manière tout à fait différente et plus indirecte impliquant une chaîne de transfert d'électrons constituée de plusieurs autres protéines. De plus, les chlorophylles sont aidées à capter l'énergie lumineuse par d'autres pigments appelés « antennes » ; ceux-ci ne sont pas présents dans les systèmes à base de bactériorhodopsine. Il est possible que la phototrophie ait évolué indépendamment au moins deux fois, une fois chez les bactéries et une fois chez les archées.
Galerie
Bactériorhodopsine seul monomère avec la rétine molécule entre 7 verticaux hélices alpha ( PDB ID: 1X0S). Une autre petite hélice est bleu clair, feuille bêta jaune.
Trimère de bactériorhodopsine avec une molécule rétinienne dans chaque sous-unité vue du côté extracellulaire EC ( ID PDB : 1X0S).
Voir également
Littérature
Liens externes
- Bactériorhodopsine : Molécule du mois , par David Goodsell, RCSB Protein Data Bank
- Fabrication de rétine artificielle à base de protéines : caractérisation de la fonction et de la stabilité de la bactériorhodopsine après exposition à un environnement de microgravité , par Nicole Wagner et Jordan Greco