Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato
Rodopsina

Molecola del Mese di Marzo 2012
Parole chiave: visione, retinale, opsina, GPCR, recettore accoppiato alla proteina-G

Introduzione
I nostri occhi sono delle macchine fotografiche biologiche, infatti possiedono un obiettivo deformabile per mettere a fuoco le immagini (cristallino), un diaframma regolabile per controllare l'esposizione (iride), e un sensore digitale per registrare le immagini ottenute (retina). Inoltre vi sono alcuni dettagli sorprendenti come uno strato di cellule nere dietro la retina che riduce la riflessione e aumenta la nitidezza dell'immagine. La rodopsina, mostrata qui a destra (file PDB 1f88) ha un ruolo centrale in questa fotocamera, è la molecola sensibile alla luce. E' composta da una proteina, opsina, che lega al suo interno il retinale, una piccola molecola fotosensibile. Quando il retinale assorbe un fotone, cambia forma a causa di un doppio legame che passa dalla forma piegata (cis) a quella distesa (trans). Questa piccola modifica strutturale della molecola del retinale provoca una variazione strutturale nella opsina, la proteina circostante, che a sua volta attiva una proteina-G (mdm 10-2004) che amplifica il segnale e alla fine genera l'impulso nervoso che giunge al cervello attraverso il nervo ottico.

Super Sensori
Gli occhi sono incredibilmente sensibili alla luce. Le nostre cellule più sensibili, i bastoncelli, vengono stimolati anche da un singolo fotone di luce. Queste cellule hanno cento milioni di molecole di rodopsina nelle loro membrane e sono in grado di funzionare sia con la più fioca luce notturna sia con luce centinaia di volte più intensa. Inoltre, questi sensori luminosi sono altamente efficienti. Infatti il retinale libero in soluzione si piega dalla forma cis a quella trans solo 1/3 delle volte che è colpito da un raggio di luce. Quando, però, il cis-retinale si trova legato all'interno dell'opsina, è costretto ad assumere una forma distorta che si può trasformare più facilmente nella forma trans. Per questo motivo il retinale legato alla opsina ha una efficienza doppia del retinale libero e quindi si piega dalla forma cis a quella trans 2/3 delle volte che è colpito da un fotone.

Opsina e GPCR
L'opsina è molto simile ad altri recettori accoppiati a proteine-G (G-protein-coupled-receptors GPCR), come il recettore dell'adrenalina (mdm 4-2008), così simile che si pensa si siano evoluti da una stessa antica proteina recettrice. Entrambi possiedono una particolare sequenza di sette catene ad alfa elica che attraversano la membrana cellulare connesse tra loro da brevi segmenti come si vede nell'immagine qui a destra (file PDB 1f88). L'opsina cattura il retinale usando un amminoacido di lisina che si trova immersa in profondità nella proteina (vedi più sotto Esploriamo la Struttura). Il gruppo amminico della lisina forma un legame covalente con il retinale e lo tiene in tensione nella giusta posizione trasferendo così alla proteina circostante il cambiamento di forma che avviene nel retinale in seguito all'assorbimento della luce.












Completare il Ciclo

Dopo che il cis-retinale ha assorbito un fotone si raddrizza per assumere la configurazione estesa e diventa trans retinale, non più sensibile alla luce. Le cellule della retina devono ripristinare la sua struttura cis per essere in grado di reagire al prossimo fotone. Questa trasformazione è impossibile da eseguire mentre il retinale è legato all'interno della proteina, e quindi il trans-retinale esaurito viene staccato dalla proteina e trasportato in una cellula vicina. Qui viene ridotto a trans-retinolo (vitamina A) poi l'enzima retinolo isomerasi (mostrato qui a destra, file PDB 3fsn) lo trasforma in cis-retinolo che viene poi ossidato a cis-retinale, nuovamente sensibile alla luce, e infine viene inserito nella opsina.









Esploriamo la Struttura
Il ciclo visivo è stato studiato in gran dettaglio usando metodi spettroscopici, i ricercatori hanno scoperto che la rodopsina subisce molte trasformazioni dopo che ha assorbito la luce. Alcune sono minime: per esempio il cambiamento da cis a trans retinale è molto veloce, ma la proteina ci mette del tempo per adattarsi e assume alcune conformazioni intermedie osservabili. I cambiamenti che portano alla generazione del segnale nervoso sono però più interessanti. Le tre strutture cristalline mostrate qui sotto illustrano tre stadi importanti: la prima mostra la rodopsina prima che assorba la luce (PDB 1u19) mentre la seconda la mostra dopo che la luce è stata assorbita e la rodopsina ha assunto la forma che viene riconosciuta dalla proteina G (PDB 3pqr). La terza mostra l'opsina dopo che il retinale è stato rimosso (PDB 3cap).



In questa prima struttura (PDB 1u19) si vede il retinale (rosa) con il legame cis (rosso) che lo costringe ad assumere una forma piegata. La parte terminale del retinale è legata al gruppo amminico (blu) della lisina (verde). Nell'immagine di destra si vede la struttura complessiva della rodopsina composta di sette catene verticali ad alfa elica che attraversano la membrana cellulare del bastoncello.



In questa seconda struttura (PDB 3pqr) si vede il retinale (rosa) con il legame trans (rosso) che lo costringe ad assumere una forma distesa.
Nella figura qui a lato si vede meglio la forma trans distesa del retinale.
Nella figura qui sopra a destra si vede la struttura complessiva e si nota la variazione strutturale che ha subito l'opsina. In particolare un tratto della proteina si è disteso in basso e si trova affacciato con un tratto di proteina G, mostrato in arancione.







Infine in questa terza struttura (PDB 3cap) si vede l'opsina dopo che è stato staccato il retinale trans che deve essere rigenerato.
L'amminoacido lisina (verde) al centro della struttura ha il gruppo amminico (blu) libero.


Spunti per ulteriori Esplorazioni
1 - Usate lo strumento Structure Comparison nel sito PDB per esplorare le somiglianze tra opsina e altri recettori accoppiati alle proteine G
2 - Ci sono molte strutture di rodopsina catturata negli stati intermedi del suo ciclo di trasduzione del segnale visivo. A questi sono stati attribuiti nomi insoliti come fotorodopsina, batorodopsina, lumirodopsina (photorhodopsin, bathorhodopsin, lumirhodopsin) e Meta II. Usate lo strumento Structure Comparison nel sito PDB per esplorare i movimenti della proteina mentre passa dallo stato di riposo (al buio) allo stato di segnalazione (dopo l'assorbimento di un fotone).


Bibliografia


1 - S. O. Smith (2010) Structure and activation of the visual pigment rhodopsin. Annual Review of Biophysics 39, 309-328.

2 - K. Palczewski (2006) G protein-coupled receptor rhodopsin. Annual Review of Biochemistry 75, 743-767.




Codici PDB Correlati
Vedi le strutture correlate