Cromoproteína

Una cromoproteína es una proteína conjugada que contiene un grupo prostético pigmentado (o cofactor). Un ejemplo común es la hemoglobina , que contiene un cofactor hemo , la molécula que contiene hierro y que hace que la sangre oxigenada parezca roja. Otros ejemplos de cromoproteínas incluyen otros hemocromos , citocromos , fitocromos y flavoproteínas . ^{[ 1 ]}

En la hemoglobina existe una cromoproteína ( tetrámero MW:4 x 16,125 =64,500), denominada hemo, que consta de Fe++ cuatro anillos de pirrol .

Una sola cromoproteína puede actuar como fitocromo y fototropina debido a la presencia y el procesamiento de múltiples cromóforos. El fitocromo en los helechos contiene PHY3 , que posee un fotorreceptor inusual con un canal dual que incluye funciones de fitocromo (detección de luz roja) y fototropina (detección de luz azul), lo que favorece el crecimiento de los helechos con poca luz solar. ^{[ 2 ]}

La familia de proteínas GFP incluye tanto proteínas fluorescentes como cromoproteínas no fluorescentes. Mediante mutagénesis o irradiación, las cromoproteínas no fluorescentes pueden convertirse en cromoproteínas fluorescentes. ^{[ 3 ]} Un ejemplo de dicha cromoproteína convertida es la "proteína fluorescente de iniciación" o KFP1, que se convirtió de una cromoproteína no fluorescente mutada de Anemonia sulcata en una cromoproteína fluorescente. ^{[ 4 ]}

Las anémonas marinas contienen la cromoproteína púrpura shCP con su cromóforo similar a GFP en conformación trans . El cromóforo se deriva de Glu-63, Tyr-64 y Gly-65, y el grupo fenólico de Tyr-64 desempeña un papel vital en la formación de un sistema conjugado con la fracción imidazolidona, lo que resulta en una alta absorbancia en el espectro de absorción de la cromoproteína en estado excitado. La sustitución de tirosina por otros aminoácidos conduce a la alteración de las propiedades ópticas y no planas de la cromoproteína. Las proteínas fluorescentes, como las cromoproteínas de antrozoos, emiten longitudes de onda largas ^{[ 4 ].}

Se diseñaron 14 cromoproteínas para expresarse en E. coli para biología sintética . ^{[ 5 ]} Sin embargo, las cromoproteínas presentan alta toxicidad para sus huéspedes E. coli , lo que resulta en la pérdida de color. Se descubrió que la mRFP1, la proteína fluorescente roja monomérica , ^{[ 6 ]} que también muestra un color distinguible bajo luz ambiental, era menos tóxica. ^{[ 7 ]} Se realizó mutagénesis de cambio de color en los aminoácidos 64-65 del fluoróforo mRFP1 para obtener diferentes colores.

Las cromoproteínas son valiosas en biología sintética, ingeniería genética y biotecnología como marcadores visibles para rastrear la expresión génica, analizar funciones celulares y crear biosensores coloridos. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Las cromoproteínas expresan consistentemente una banda de absorción de electrones en los rangos espectrales del infrarrojo cercano, ultravioleta cercano o visible. ^{[ 10 ]} Estas bandas resultan de transiciones de transferencia de carga de iones metálicos o transiciones de grupos prostéticos π → π *. ^{[ 10 ]} Por eso funcionan como fotorreceptores en plantas, enzimas o proteínas de transferencia de electrones. ^{[ 10 ]} Los pigmentos fotosintéticos y los fotorreceptores contienen cromóforos unidos covalentemente a tetrapirroles lineales o cíclicos y las rodopsinas contienen cromóforos unidos covalentemente a una apoproteína. ^{[ 10 ]} Los cromóforos se unen porque actúan como bases de Schiff. ^{[ 10 ]} Consisten principalmente en una estructura de barril beta de once láminas y un cromóforo en una hélice alfa, generalmente formada por la interacción de tres aminoácidos que conducen a una fracción de imidazolidina. ^{[ 11 ]} Muchas cromoproteínas tienen longevidad intracelular y estabilidad térmica como resultado de su estructura tetramérica. ^{[ 11 ]}

La rodopsina es una cromoproteína presente en bacterias y vertebrados, compuesta por opsina y 11- cis -retinal. ^{[ 12 ]} Para muchas especies, incluidos los humanos, es esencial para una visión adecuada, ya que permite la visión en condiciones de poca luz. ^{[ 12 ]} Al exponerse a la luz, el 11- cis -retinal se transforma en todo -trans- retinal, lo que cambia la configuración de la molécula e inicia un proceso para convertir la luz en información transmitida por el nervio óptico. El todo -trans- retinal se transforma de nuevo en 11- cis -retinal o se almacena para su reciclaje. ^{[ 12 ]}

El hemocromo es un grupo hemo de la hemoglobina y la razón por la que la sangre oxigenada es roja. ^{[ 13 ]}

Los citocromos son responsables del transporte de electrones en animales, plantas y microbios aerobios, así como de las reacciones redox. ^{[ 14 ]} Se encuentran principalmente en las mitocondrias y tienen numerosas clasificaciones (tipo a, tipo b, tipo c y tipo d) basadas en los grupos prostéticos hemo. ^{[ 14 ]} El citocromo de tipo c se utiliza en la apoptosis (muerte celular programada) y se encuentra en todos los eucariotas. ^{[ 14 ]} También está presente en procariotas, donde se cree que se utiliza para la respiración y la fotosíntesis. ^{[ 14 ]}

Los fitocromos son fotorreceptores sensibles a la luz que se encuentran en plantas y microbios. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Su función es medir las señales luminosas y adaptar una respuesta considerando la presencia, el color, la intensidad y la fotoperiodicidad, teniendo en cuenta las necesidades y la etapa de desarrollo del organismo. ^{[ 16 ]} Además de tener un efecto directo en el crecimiento, la reproducción y la arquitectura de las plantas, los fitocromos contribuyen a un proceso llamado evitación de la sombra. ^{[ 16 ]} La evitación de la sombra es un proceso que se activa cuando la intensidad de la luz disminuye y el espectro de luz cambia, a menudo debido a las plantas vecinas. ^{[ 16 ]} Cuando los fitocromos detectan estos cambios, el crecimiento direccional de la planta se altera para crecer en dirección opuesta a este cambio, con el fin de exponer la planta a más luz. ^{[ 16 ]}

Las flavoproteínas son ligandos que contienen uno o más nucleótidos de flavina como cofactores o cosustratos redox. ^{[ 17 ]} Participan en la reparación del ADN dañado, la fotosíntesis y previenen el estrés oxidativo mediante la eliminación de radicales. Han sido ampliamente investigadas y el 90 % de ellas realizan reacciones redox. ^{[ 18 ]}

La especie de medusa Cassiopea xamachana, muchos corales y anémonas de mar expresan cromoproteínas. ^{[ 9 ]} Se ha observado que Cassiopea xamachana tiene cromoproteínas azules, mientras que los corales presentan cromoproteínas rosas, moradas y azules. ^{[ 9 ]} Se especula que la función de las cromoproteínas en los corales es protegerlos de la radiación solar al reflejar la luz visible e infrarroja cuando la actividad fotosintética de una longitud de onda es baja, disipando el exceso de energía pero permitiendo que longitudes de onda más activas alcancen las zooxantelas del coral. ^{[ 9 ]} Además, las cromoproteínas permiten a los corales resistir la pérdida de zooxantelas simbióticas cuando se exponen al estrés térmico (blanqueamiento de coral). ^{[ 9 ]} En las anémonas de mar, se especula que las cromoproteínas permiten la imitación de gusanos rojos para atraer peces, así como el camuflaje contra los depredadores. ^{[ 9 ]}

Proyección arcoíris

Método de clonación genética que combina cromoproteínas y un ensamblaje de Gibson para marcar y distinguir fácilmente las colonias de Escherichia coli. ^{[ 19 ]} Esto hace que el proceso sea más efectivo, ya que no se necesitan manipulaciones genéticas adicionales y las cromoproteínas revelan colonias falsas. ^{[ 19 ]} Este método reduce los costos y aumenta la eficiencia y la precisión en más del 80 %. ^{[ 19 ]}

Desarrollo de biosensores

Las cromoproteínas pueden utilizarse para el desarrollo de biosensores. ^{[ 20 ]} Los biosensores se utilizan para diversos fines, como el diagnóstico médico, el seguimiento de la progresión de enfermedades, la medicina forense, el descubrimiento de fármacos, la monitorización ambiental y la seguridad alimentaria. ^{[ 20 ]} Lo hacen generando una señal proporcional a la concentración del analito (la sustancia que se mide) de una reacción. ^{[ 20 ]}

Sin embargo, los profesionales suelen usar otras proteínas fluorescentes, ya que las cromoproteínas no tienen una caracterización estructural adecuada, un aspecto importante de la ingeniería de proteínas. ^{[ 20 ]} Las cromoproteínas utilizadas en la coloración de muestras de E. coli deben ser sobreexpresadas para funcionar, lo que resulta en costos de aptitud con las cromoproteínas oscuras más efectivas. ^{[ 7 ]} Los plásmidos que codifican estas cromoproteínas resultaron en pérdida de color debido a mutaciones en cultivos líquidos. ^{[ 7 ]} Se encontró que la proteína fluorescente roja monomérica 1 (mRFP1) es un reemplazo adecuado ya que marca oscuramente E. coli de manera efectiva, pero con un costo de aptitud mínimo. ^{[ 7 ]} Los genes de cromoproteínas en E. coli también resultan en citotoxicidad, lo que sugiere agregación de proteínas dañinas como se encontró con datos de oligomerización, nivel de expresión y cuerpos de inclusión. ^{[ 7 ]} Las variantes monoméricas también tienen una ventaja sobre las cromoproteínas en experimentos de etiquetado por fusión. ^{[ 7 ]} La oligomerización de las cromoproteínas conduce a la agregación de proteínas cuando se sobreexpresan en células heterólogas de mamíferos y bacterias. ^{[ 11 ]}