# Retinal

El retinal, també anomenat retinaldehid o vitamina A aldehid, és una de les diverses formes de la vitamina A (el nombre de les quals varia entre espècies). Es tracta d'un cromòfor poliè i, unit a un tipus de proteïnes, les opsines, constitueix la base química de la visió animal. Formant ponts amb les proteïnes anomenades rodopsines de tipus 1, el retinal permet a certs microorganismes convertir l'energia lluminosa en metabòlica. Els animals vertebrats l'ingereixen directament amb la dieta, o el produeixen a partir d'un entre quatre possibles carotens (beta-carotè, alfa-carotè, gamma-carotè i beta-criptoxantina), obtinguts de les plantes o altres organismes fotosintètics (no hi ha més carotens que els animals puguin convertir a retinal, i alguns carnívors no en poden transformar cap). Les altres dues principals estructures de la vitamina A, el retinol i una forma parcialment activa de l'àcid retinoic, poden ser produïdes a partir del retinal. Els invertebrats, tals com els insectes o el calamar usen formes hidroxilades del retinal en els seus sistemes de visió, que deriven de la conversió d'altres xantofil·les.

## Metabolisme de la vitamina A

Els organismes vius produeixen retinal (RAL) mitjançant una escissió oxidativa irreversible dels carotens. Per exemple,
    beta-carotè + O₂ → 2 retinal
Aquest procés ve catalitzat pel 15,15’- monooxigenasa beta-carotè o 15,15’- dioxigenasa beta-carotè. De la mateixa manera que els carotens són els precussors del retinal, aquest és el precussor d'altres formes de la vitamina A. El retinal és interconvertible amb el retinol (ROL), la forma transportadora i d'emmagatzematge de la vitamina A.
    retinal + NADPH + H$^+$ ↔ retinol + NADP+
    retinol + NAD$^+$ ↔ retinal + NADH + H$^+$
Aquesta reacció està catalitzada per les retinol deshidrogenases (RDHs) i les alcohol deshidrogenases (ADHs). El retinol és també conegut amb el nom de vitamina A alcohol, o més sovint, com a vitamina A simplement. El retinal també pot ser oxidat a àcid retinoic (RA).
    retinal + NAD+ + H₂O → àcid retinoic + NADH + H+ (catalitzades per RALDH)
    retinal + O2 + H2O → àcid retinoic + H2O2 (catalitzades per retinal oxidases)
Aquest procés està catalitzat per les retinal deshidrogenases, també anomenades retinaldehid deshidrogenases (RALDHs) (RALDHs) o les retinal oxidases. L'àcid retinoic, sovint mostrat com àcid de la vitamina A, és una important molècula senyal i una hormona en els animals vertebrats.

## Visió

La visió comença amb la fotoisomerització del retinal. Quan el cromòfor 11-cis-retinal absorbeix un fotó s'isomeritza a la configuració tot trans. L'espectre d'absorció del cromòfor depèn de les interaccions amb la proteïna opsina a la que està unida; opsines diferents produeixen distints espectres d'absorció.

### Opsines

Les opsines són proteïnes i també pigments visuals units al retinal trobats en els fotoreceptors cel·lulars de la retina de l'ull. L'opsina es troba organitzada en un paquet de set hèlix alfa connectades per sis llaços. En els bastons, les molècules d'opsina són incrustades a les membranes dels discs localitzats a l'interior de la cèl·lula. Els caps N-terminal de la molècula s'estenen a l'interior del disc, i els extrems C-terminal es col·loquen dins el citoplasma de la cèl·lula. En els cons, els discs són definits per la membrana plasmàtica i així els caps N-terminal s'estenen a fora la cèl·lula. El retinal s'uneix covalentment a la lisina de l'hèlix transmembrana més propera a l'extrem C-terminal de la proteïna a través de l'enllaç base de Schiff. La formació d'aquest enllaç inclou la pèrdua d'un àtom d'oxigen del retinal i dos àtoms d'hidrogen del grup amino lliure de la lisina, generant aigua. La retinilidina és un grup divalent format per l'extracció de l'àtom d'oxigen al retinal, per això les opsines han estat nomenades proteïnes retinilidines. Les opsines són prototips de receptors de parella de proteïnes G (GPCRs). La rodopsina bovina, l'opsina dels bastons del bestiar, va ser la primera GPCR de la qual es va la seva estructura mitjançant raigs X. La rodopsina bovina conté 348 residus d'aminoàcids. El cromòfor retinal s'uneix a la Lisina$^{296}$.
Encara que els mamífers utilitzen exclusivament el retinal com a cromòfor de l'opsina, altres grups d'animals usen addicionalment quatre cromòfors estretament relacionats amb el retinal. Aquests són el 3,4-dideshidroretinal, el 3R-3-hidroxiretinal, el 3S-3-hidroxiretinal i el 4R-4-hidroxiretinal. Alguns peixos i amfibis utilitzen el 3-4-dideshidroretinal, també anomenat deshidroretinal. Amb l'excepció del subordre dípter de la ciclorrafa, les anomenades mosques d'alt vol, tots els insectes examinats fan ús de l'enantiòmer R de la 3-hidroxiretinal. Aquest és d'esperar si la 3-hidroxiretinal és produïda directament del carotè xantofil·la. Els “ciclorrafans”, incloent la Drosophila, utilitzen el 3S-3-hidroxiretinal. S'ha vist que el calamar llanterna usa el 4R-4-hidroxiretinal.

### Cicle visual

El cicle visual és un camí enzimàtic circular, que és pas final de la fototransducció. Aquest regenera 1-cis-retinal. Per exemple, el cicle visual dels bastons dels mamífers és:
* tot-trans-retinil ester + H2O → 11-cis-retinol + àcid gras; isomerohidrolases RPE65.
* 11-cis-retinol + NAD+ → 11-cis-retinal + NADH + H+; 11-cis-retinol deshidrogenases.
* 11-cis-retinal + aporodopsina → rodopsina + H2O; forma la base per l'enllaç base de Schiff a la lisina -CH=N+H-
* rodopsina + hν → metarrodopsina II; (11-cis es fotoisomeritza a tot-trans)
** rodopsina + hν → fotorodopsina → batorodopsina → lumirodopsina → metarrodopsina I → metarrodopsina II.
* metarrodopsina II + H2O → aporodopsina + tot-trans-retinal
* tot-trans-retinal + NADPH + H+ → tot-trans-retinol + NADP+; tot-trans-retinol deshidrogenases.
* tot-trans-retinol + àcid gras → tot-trans-retinil ester + H2O; lecitina retinol aciltransferases (LRATs).
Els passos 3,4,5,6 ocorren en els segments exteriors dels bastons; els passos 1, 2 i 7 tenen lloc en l'epiteli pigmentari de la retina (RPE).
Així mateix, les RPE65 isomerohidrolases són homòlogues amb les beta-carotè monoxigenases; l'enzim homòleg ninaB de la Drosophila té tanta activitat carotenoide-oxigenasa per la formació de retinal com activitat de tot-trans a 11-cis isomerasa.

## Rodopsines de tipus 1

El trans-retinal és també un component essencial de les opsines de tipus 1 o microbianes, com les bacteriorodopsines, canalrodopsines i halorodopsines. En aquestes molècules, la llum provoca la transformació de la configuració tot-trans-retinal a 13-cis-retinal, mentre que en els períodes de foscor el cicle es reverteix.

## Història

El bioquímic nord-americà George Wald, entre d'altres, va conformar el cicle visual l'any 1958. Per aquest treball Wald, juntament amb Haldan Keffer Hartline i Ragnar Granit, va ser guardonat amb el Premi Nobel de Fisiologia o Medicina l'any 1967.

## Referències

* 1 2 von Lintig, Johannes; Vogt, Klaus «Filling the Gap in Vitamin A Research: Molecular Identification of An Enzyme Cleaving Beta-carotene to Retinal». Journal of Biological Chemistry. ASBMB, 275, 16, 2000, pàg. 11915–11920. DOI: 10.1074/jbc.275.16.11915. PMID: 10766819.
* ↑ Woggon, Wolf-D. «Oxidative cleavage of carotenoids catalyzed by enzyme models and beta-carotene 15,15´-monooxygenase». Pure and Applied Chemistry. IUPAC, 74, 8, 2002, pàg. 1397–1408. DOI: 10.1351/pac200274081397.
* ↑ Kim, Yeong-Su; Kim, Nam-Hee; Yeom, Soo-Jin; Kim, Seon-Won; Oh, Deok-Kun «In Vitro Characterization of a Recombinant Blh Protein from an Uncultured Marine Bacterium as a beta-Carotene 15,15'-Dioxygenase». Journal of Biological Chemistry. ASBMB, 284, 23, 2009, pàg. 15781–93. DOI: 10.1074/jbc.M109.002618. PMC: 2708875. PMID: 19366683.
* ↑ Lidén, Martin; Eriksson, Ulf «Understanding Retinol Metabolism: Structure and Function of Retinol Dehydrogenases». Journal of Biological Chemistry. ASBMB, 281, 19, 2006, pàg. 13001–13004. DOI: 10.1074/jbc.R500027200. PMID: 16428379.
* 1 2 Duester, G. (2008) Retinoic acid synthesis and signaling during early organogenesis. Cell 134: 921-931. PMCID: PMC2632951
* ↑ Lin, Min; Zhang, Min; Abraham, Michael; Smith, Susan M.; Napoli, Joseph L. «Mouse Retinal Dehydrogenase 4 (RALDH4), Molecular Cloning, Cellular Expression, and Activity in 9-cis-Retinoic Acid Biosynthesis in Intact Cells». Journal of Biological Chemistry. ASBMB, 278, 11, 2003, pàg. 9856–9861. DOI: 10.1074/jbc.M211417200. PMID: 12519776.
* ↑ «KEGG ENZYME: 1.2.3.11 retinal oxidase». [Consulta: 10 març 2009].
* ↑ Lamb, T D «Gain and kinetics of activation in the G-protein cascade of phototransduction». Proceedings of the National Academy of Sciences, 93, 2, 1996, pàg. 566–570. DOI: 10.1073/pnas.93.2.566. PMC: 40092. PMID: 8570596.
* ↑ Palczewski, Krzysztof; Kumasaka, Takashi; et al., T; Behnke, CA; Motoshima, H; Fox, BA; Le Trong, I; Teller, DC; Okada, T «Crystal Structure of Rhodopsin: A G Protein-Coupled Receptor». Science. AAAS, 289, 5480, 2000, pàg. 739–745. DOI: 10.1126/science.289.5480.739. PMID: 10926528.
* ↑ Seki, Takaharu; Isono, Kunio; Ito, Masayoshi; Katsuta, Yuko «Flies in the Group Cyclorrhapha Use (3S)-3-Hydroxyretinal as a Unique Visual Pigment Chromophore». European Journal of Biochemistry. Wiley, 226, 2, 1994, pàg. 691–696. DOI: 10.1111/j.1432-1033.1994.tb20097.x. PMID: 8001586.
* ↑ Seki, Takaharu; Isono, Kunio; Ozaki, Kaoru; Tsukahara, Yasuo; Shibata-Katsuta, Yuko; Ito, Masayoshi; Irie, Toshiaki; Katagiri, Masanao «The metabolic pathway of visual pigment chromophore formation in Drosophila melanogaster: All-trans (3S)-3-hydroxyretinal is formed from all-trans retinal via (3R)-3-hydroxyretinal in the dark». European Journal of Biochemistry. Wiley, 257, 2, 1998, pàg. 522–527. DOI: 10.1046/j.1432-1327.1998.2570522.x. PMID: 9826202.
* ↑ Moiseyev, Gennadiy; Chen, Ying; Takahashi, Yusuke; Wu, Bill X.; Ma, Jian-xing «RPE65 is the isomerohydrolase in the retinoid visual cycle». Proceedings of the National Academy of Sciences, 102, 35, 2005, pàg. 12413–12418. DOI: 10.1073/pnas.0503460102. PMC: 1194921. PMID: 16116091.
* ↑ Jin, Minghao; Yuan, Quan; Li, Songhua; Travis, Gabriel H. «Role of LRAT on the Retinoid Isomerase Activity and Membrane Association of Rpe65». Journal of Biological Chemistry. ASBMB, 282, 29, 2007, pàg. 20915–20924. DOI: 10.1074/jbc.M701432200. PMC: 2747659. PMID: 17504753.
* ↑ Oberhauser, Vitus; Voolstra, Olaf; Bangert, Annette; von Lintig, Johannes; Vogt, Klaus «NinaB combines carotenoid oxygenase and retinoid isomerase activity in a single polypeptide». Proceedings of the National Academy of Sciences, 105, 48, 2008, pàg. 19000–5. DOI: 10.1073/pnas.0807805105. PMC: 2596218. PMID: 19020100.
* ↑ De-liang Chen, Guang-yu Wang, Bing Xu and Kun-sheng Hu. All-trans to 13-cis retinal isomerization in light-adapted bacteriorhodopsin at acidic pH. Journal of Photochemistry and Photobiology B:Biology. 2002 Apr; 66(3):188-94. doi:10.1016/S1011-1344(02)00245-2
* ↑ 1967 Nobel Prize in Medicine

## Bibliografia

* Prado-Cabrero, Alfonso; Scherzinger, Daniel; Avalos, Javier; Al-Babili, Salim «Retinal Biosynthesis in Fungi: Characterization of the Carotenoid Oxygenase CarX from Fusarium fujikuroi». Eukayotic Cell. American Society for Microbiology, 6, 4, 2007, pàg. 650–657. DOI: 10.1128/EC.00392-06. PMC: 1865656. PMID: 17293483.
* Kloer, Daniel P.; Ruch, Sandra; Al-Babili, Salim; Beyer, Peter; Schulz, Georg E. «The Structure of a Retinal-Forming Carotenoid Oxygenase». Science. AAAS, 308, 5719, 2005, pàg. 267–269. DOI: 10.1126/science.1108965. PMID: 15821095.
* Schmidt, Holger; Kurtzer, Robert; Eisenreich, Wolfgang; Schwab, Wilfried «The Carotenase AtCCD1 from Arabidopsis thaliana Is a Dioxygenase». Journal of Biological Chemistry. ASBMB, 281, 15, 2006, pàg. 9845–9851. DOI: 10.1074/jbc.M511668200. PMID: 16459333.
* Wang, Tao; Jiao, Yuchen; Montell, Craig «Dissection of the pathway required for generation of vitamin A and for Drosophila phototransduction». Journal of Cell Biology. Rockefeller University Press, 177, 2, 2007, pàg. 305–316. DOI: 10.1083/jcb.200610081. PMC: 2064138. PMID: 17452532.
* Wald, George. «Nobel Lecture: The Molecular Basis of Visual Excitation», 1967. [Consulta: 23 febrer 2009].
* Fernald, Russell D. «Casting a Genetic Light on the Evolution of Eyes». Science. AAAS, 313, 5795, 2006, pàg. 1914–1918. DOI: 10.1126/science.1127889. PMID: 17008522.
* Briggs, Winslow R.. Handbook of Photosensory Receptors. Wiley, 2005. ISBN 978-3527310197.
* Baylor, D A; Lamb, T D; Yau, K W «Responses of retinal rods to single photons». Journal of Physiology. Physiological Society, 288, 1979, pàg. 613–634. PMC: 1281447. PMID: 112243.
* Hecht, Selig; Shlaer, Simon; Pirenne, Maurice Henri «Energy, Quanta, and Vision». Journal of General Physiology. Rockefeller University Press, 25, 6, 1942, pàg. 819–840. DOI: 10.1085/jgp.25.6.819. PMC: 2142545. PMID: 19873316 [Consulta: 5 març 2008].
* Barlow, H.B.; Levick, W.R.; Yoon, M. «Responses to single quanta of light in retinal ganglion cells of the cat». Vision Research. Elsevier, 11, Supplement 3, 1971, pàg. 87–101. DOI: 10.1016/0042-6989(71)90033-2.
* Venter, J. Craig; et al., K; Heidelberg, JF; Halpern, AL; Rusch, D; Eisen, JA; Wu, D; Paulsen, I; Nelson, KE «Environmental Genome Shotgun Sequencing of the Sargasso Sea». Science. AAAS, 304, 5667, 2004, pàg. 66–74. DOI: 10.1126/science.1093857. PMID: 15001713. The oceans are full of type 1 rhodopsin.
* Waschuk, Stephen A.; Bezerra, Arandi G.; Shi, Lichi; Brown, Leonid S. «Leptosphaeria rhodopsin: Bacteriorhodopsin-like proton pump from a eukaryote». Proceedings of the National Academy of Sciences, 102, 19, 2005, pàg. 6879–6883. DOI: 10.1073/pnas.0409659102. PMC: 1100770. PMID: 15860584.
* Su, Chih-Ying; Luo, Dong-Gen; Terakita, Akihisa; Shichida, Yoshinori; Liao, Hsi-Wen; Kazmi, Manija A.; Sakmar, Thomas P.; Yau, King-Wai «Parietal-Eye Phototransduction Components and Their Potential Evolutionary Implications». Science. AAAS, 311, 5767, 2006, pàg. 1617–1621. DOI: 10.1126/science.1123802. PMID: 16543463.
* Luo, Dong-Gen; Xue, Tian; Yau, King-Wai «How vision begins: An odyssey». Proceedings of the National Academy of Sciences, 105, 29, 2008, pàg. 9855–9862. DOI: 10.1073/pnas.0708405105. PMC: 2481352. PMID: 18632568. Good historical review.
* Schäfer, Günter; Engelhard, Martin; Müller, Volker «Bioenergetics of the Archaea». Microbiology and Molecular Biology Reviews. American Society for Microbiology, 63, 3, 1999, pàg. 570–620. PMC: 103747. PMID: 10477309.
* Fan, Jie; Woodruff, Michael L; Cilluffo, Marianne C; Crouch, Rosalie K; Fain, Gordon L «Opsin activation of transduction in the rods of dark-reared Rpe65 knockout mice». Journal of Physiology. Physiological Society, 568, 1, 2005, pàg. 83–95. DOI: 10.1113/jphysiol.2005.091942. PMC: 1474752. PMID: 15994181.
* Sadekar, Sumedha; Raymond, Jason; Blankenship, Robert E. «Conservation of Distantly Related Membrane Proteins: Photosynthetic Reaction Centers Share a Common Structural Core». Molecular Biology and Evolution. Oxford University Press, 23, 11, 2006, pàg. 2001–2007. DOI: 10.1093/molbev/msl079. PMID: 16887904.
* Yokoyama, Shozo; Radlwimmer, F. Bernhard «The Molecular Genetics and Evolution of Red and Green Color Vision in Vertebrates». Genetics. Genetics Society of America, 158, 4, 2001, pàg. 1697–1710. PMC: 1461741. PMID: 11545071.
* Racker, Efraim; Stoeckenius, Walther «Reconstitution of Purple Membrane Vesicles Catalyzing Light-driven Proton Uptake and Adenosine Triphosphate Formation». Journal of Biological Chemistry. ASBMB, 249, 2, 1974, pàg. 662–663. PMID: 4272126.
* Kawaguchi, Riki; Yu, Jiamei; Honda, Jane; Hu, Jane; Whitelegge, Julian; Ping, Peipei; Wiita, Patrick; Bok, Dean; Sun, Hui «A Membrane Receptor for Retinol Binding Protein Mediates Cellular Uptake of Vitamin A». Science. AAAS, 315, 5813, 2007, pàg. 820–825. DOI: 10.1126/science.1136244. PMID: 17255476.
* Amora, Tabitha L.; Ramos, Lavoisier S.; Galan, Jhenny F.; Birge, Robert R. «Spectral Tuning of Deep Red Cone Pigments». NIH Public Access Author Manuscript, 47, 16, 2008, pàg. 4614–20. DOI: 10.1021/bi702069d. PMC: 2492582. PMID: 18370404.
* Send, Robert; Sundholm, Dage «Stairway to the conical intersection: A computational study of retinal isomerization». Journal of Physical Chemistry A. American Chemical Society, 111, 36, 2007, pàg. 8766–8773. DOI: 10.1021/jp073908l. PMID: 17713894.
* Salom, David; Lodowski, David T.; Stenkamp, Ronald E.; Le Trong, Isolde; Golczak, Marcin; Jastrzebska, Beata; Harris, Tim; Ballesteros, Juan A.; Palczewski, Krzysztof «Crystal structure of a photoactivated deprotonated intermediate of rhodopsin». Proceedings of the National Academy of Sciences, 103, 44, 2006, pàg. 16123–16128. DOI: 10.1073/pnas.0608022103. PMC: 1637547. PMID: 17060607.

## Vegeu també

* Sistema sensorial

## Enllaços externs

* First Steps of Vision - National Health Museum
* Vision and Light-Induced Molecular Changes
* Retinal Anatomy and Visual Capacities
* Retinal