stringtranslate.com

Бактериородопсин

Бактериородопсин (Bop) — это белок, используемый археями , в частности галоархеями , классом эвриархеот . [1] Он действует как протонный насос ; то есть он захватывает энергию света и использует ее для перемещения протонов через мембрану из клетки. [2] Образующийся протонный градиент впоследствии преобразуется в химическую энергию. [3]

Функция

Бактериородопсин — это светочувствительный переносчик ионов H +, обнаруженный в некоторых галоархеях, в частности, в Halobacterium salinarum (ранее известный как син. H. halobium ). Протондвижущая сила, генерируемая белком, используется АТФ-синтазой для генерации аденозинтрифосфата (АТФ) . Экспрессируя бактериородопсин, клетки архей способны синтезировать АТФ при отсутствии источника углерода. [4] [5]

Структура

Тример бактериородопсина , показывающий приблизительное положение внеклеточной и цитоплазматической сторон мембраны (красные и синие линии соответственно)

Бактериородопсин — это интегральный мембранный белок 27 кДа , обычно встречающийся в двумерных кристаллических участках, известных как «пурпурная мембрана», которые могут занимать почти 50% поверхности архейной клетки. Повторяющийся элемент гексагональной решетки состоит из трех идентичных белковых цепей, каждая из которых повернута на 120 градусов относительно других. [6] Каждый мономер имеет семь трансмембранных альфа-спиралей и двухцепочечный бета-слой , обращенный к внеклеточному пространству . [7] [8] 

Бактериородопсин синтезируется как предшественник белка , известный как бактериоопсин, который значительно модифицируется после трансляции . [9] [10] Модификации следующие:

Спектральные свойства

Молекула бактериородопсина фиолетовая и наиболее эффективно поглощает зеленый свет (в диапазоне длин волн 500-650 нм ). В нативной мембране белок имеет максимальную поглощательную способность при 553 нм, однако добавление детергента разрушает тримерную форму, что приводит к потере экситонной связи между хромофорами, и мономерная форма, следовательно, имеет максимум поглощения 568 нм. [13] [14]

Бактериородопсин имеет широкий спектр возбуждения. Для длины волны обнаружения между 700 и 800 нм он имеет заметное обнаруженное излучение для длин волн возбуждения между 470 и 650 нм (с пиком при 570 нм). [15] При накачке на 633 нм спектр излучения имеет заметную интенсивность между 650 и 850 нм. [16]

Механизм

Обзор фотоцикла

Бактериородопсин — это протонный насос, работающий под действием света. Это молекула ретиналя, которая меняет свое состояние изомеризации с полностью транс на 13- цис , когда поглощает фотон . Окружающий белок реагирует на изменение формы хромофора, подвергаясь упорядоченной последовательности конформационных изменений (совместно известных как фотоцикл). [17] Конформационные изменения изменяют значения p K a консервативных аминокислот в ядре белка, включая Asp85, Asp96 и атом N основания Шиффа (Lys216). Эти последовательные изменения константы диссоциации кислоты приводят к переносу одного протона с внутриклеточной стороны на внеклеточную сторону мембраны для каждого фотона, поглощенного хромофором.

Фотоцикл бактериородопсина состоит из девяти отдельных стадий, начиная с основного или покоящегося состояния, которое обозначается как «bR». Промежуточные продукты обозначаются отдельными буквами и могут быть различимы по их спектрам поглощения . [18] Девять стадий:

bR + фотон → К ⇌ Л ⇌ М 1 ⇌ М 2 ⇌ М 2 ' ⇌ Н ⇌ Н' ⇌ О ⇌ bR [18]

Основное состояние + фотон → K-состояние → L-состояние

Конформационное изменение, парная стереограмма . Оранжевая молекула — полностью транс- ретиналь, а красная молекула — 13- цис -ретиналь.

Бактериородопсин в основном состоянии поглощает фотон, и ретиналь изменяет изомеризацию с полностью транс 15- анти на напряженный 13- цис 15- анти в состоянии K. Реакция изомеризации быстрая и происходит менее чем за 1 пс. Ретиналь принимает менее напряженную конформацию, образуя промежуточное соединение L.

Состояние L → M1состояние

Asp85 принимает протон от атома основания Шиффа N. В промежуточном соединении M 1 ни основание Шиффа, ни Asp85 не заряжены.

М1состояние → М2состояние

Основание Шиффа вращается от внеклеточной стороны белка к цитоплазматической стороне, готовясь принять новый протон.

М2состояние → М2' состояние

Протон высвобождается из Glu204 и Glu194 во внеклеточную среду.

М2' состояние → N состояние

Ретинальное основание Шиффа принимает протон от Asp96. В состоянии N заряжены и Asp96, и основание Шиффа.

Состояние N → состояние N'

Asp96 принимает протон с цитоплазматической стороны мембраны и становится незаряженным.

Состояние N → состояние O

Ретиналь реизомеризуется в полностью транс- состояние.

Состояние O → основное состояние

Asp85 переносит протон на Glu194 и Glu204 [19] [20] на внеклеточной стороне белка.

Гомологи и другие подобные белки

Бактериородопсин принадлежит к семейству микробных родопсинов . Его гомологи включают архаеродопсины , [21] светоуправляемый хлоридный насос галородопсин (кристаллическая структура которого также известна) и некоторые напрямую активируемые светом каналы, такие как каналородопсин .

Бактериородопсин похож на родопсины позвоночных , пигменты , которые воспринимают свет в сетчатке . Родопсины также содержат ретиналь; однако функции родопсина и бактериородопсина различны, и существует ограниченное сходство в их аминокислотных последовательностях. И родопсин, и бактериородопсин принадлежат к семейству белков- рецепторов 7TM , но родопсин является рецептором, связанным с G-белком , а бактериородопсин — нет. При первом использовании электронной кристаллографии для получения структуры белка на атомном уровне структура бактериородопсина была определена в 1990 году. [22] Затем он использовался в качестве шаблона для построения моделей рецепторов, связанных с G-белком, прежде чем кристаллографические структуры стали доступны также для этих белков . Он был тщательно изучен как на слюдяных [23] [24], так и на стеклянных подложках с использованием атомно-силовой микроскопии и фемтосекундной кристаллографии. [25]

Все остальные фототрофные системы бактерий, водорослей и растений используют хлорофиллы или бактериохлорофиллы, а не бактериородопсин. Они также создают протонный градиент, но совершенно иным и более косвенным образом, с участием цепи переноса электронов , состоящей из нескольких других белков. Кроме того, хлорофиллам помогают захватывать световую энергию другие пигменты, известные как «антенны»; они отсутствуют в системах на основе бактериородопсина. Возможно, что фототрофия независимо развивалась по крайней мере дважды: один раз у бактерий и один раз у архей.

Галерея

Смотрите также

Литература

  1. ^ Schoch CL, Ciufo S, Domrachev M, Hotton CL, Kannan S, Khovanskaya R, Leipe D, McVeigh R, O'Neill K, Robbertse B, Sharma S, Soussov V, Sullivan JP, Sun L, Turner S, Karsch-Mizrachi (2020). "Halobacteria". Таксономия NCBI: комплексное обновление по курированию, ресурсам и инструментам . Национальный центр биотехнологической информации . Получено 31 марта 2021 г.
  2. ^ Воэт, Джудит Г .; Воэт, Дональд (2004). Биохимия . Нью-Йорк: Дж. Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-19350-0.
  3. ^ «Бактериородопсин: перекачка ионов».
  4. ^ Николлс Д.Г .; Фергюсон С.Дж. (1992). Биоэнергетика 2 (2-е изд.). Сан-Диего: Академическая пресса. ISBN 9780125181242.
  5. ^ Страйер, Луберт (1995). Биохимия (четвертое изд.). Нью-Йорк - Бейзингсток: WH Freeman and Company. ISBN 978-0716720096.
  6. ^ Эссен ЛО, Зигерт Р., Леман В.Д., Остерхельт Д. (1998). «Липидные участки в олигомерах мембранных белков: кристаллическая структура комплекса бактериородопсин-липид». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (20): 11673–11678. Bibcode : 1998PNAS...9511673E. doi : 10.1073 /pnas.95.20.11673 . PMC 21699. PMID  9751724. 
  7. ^ Pebay-Peroua E, Rummel G, Rosenbusch JP, Landau EM (1997). "Рентгеновская структура бактериородопсина при 2,5 Å из микрокристаллов, выращенных в липидных кубических фазах". Science . 277 (5332): 1676–1681. doi :10.1126/science.277.5332.1676. PMID  9287223.
  8. ^ Luecke H, Schobert B, Richter HT, Cartailler JP, Lanyi JK (1999). «Структура бактериородопсина при разрешении 1,55 Å». Журнал молекулярной биологии . 291 (4): 899–911. doi :10.1006/jmbi.1999.3027. PMID  10452895.
  9. ^ Эстерхельт, Дитер ; Стокениус, Вальтер (1971). «Родопсиноподобный белок из пурпурной мембраны Halobacterium halobium». Nature New Biology . 233 (39): 149–152. doi :10.1038/newbio233149a0. PMID  4940442.
  10. ^ Oesterhelt, Dieter (1982). "[3] Восстановление ретинальных белков бактериородопсина и галородопсина". Восстановление ретинальных белков бактериородопсина и галородопсина . Методы в энзимологии. Т. 88. С. 10–17. doi :10.1016/0076-6879(82)88006-3. ISBN 9780121819880.
  11. ^ Bayley H, Huang KS, Radhakrishnan R, Ross AH, Takagaki Y, Khorana HG (1981). «Место прикрепления ретиналя в бактериородопсине». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 78 (4): 2225–2229. Bibcode :1981PNAS...78.2225B. doi : 10.1073/pnas.78.4.2225 . PMC 319317 . PMID  6941281. 
  12. ^ ab Hoi KK, Bada Juarez JF, Judge PJ, Yen HY, Wu D, Vinals J, Taylor GF, Watts A, Robinson CV (2021). «Наночастицы Lipodisq без детергентов облегчают масс-спектрометрию высокого разрешения складчатых интегральных мембранных белков». Nano Letters . 21 (7): 2824–2831. Bibcode :2021NanoL..21.2824H. doi :10.1021/acs.nanolett.0c04911. PMC 8050825 . PMID  33787280. 
  13. ^ Wang J, Link S, Heyes CD, El-Sayed MA (2002). "Сравнение динамики первичных событий бактериородопсина в его тримерном и мономерном состояниях". Biophysical Journal . 83 (3): 1557–1566. Bibcode :2002BpJ....83.1557W. doi :10.1016/S0006-3495(02)73925-8. PMC 1302253 . PMID  12202380. 
  14. ^ Песцителли Г, Вуди РВ (2012). «Экситонное происхождение видимого спектра кругового дихроизма бактериородопсина». Журнал физической химии B. 116 ( 23): 6751–6763. doi :10.1021/jp212166k. PMID  22329810.
  15. ^ Шенкль, Сельма; Зграблич, Горан; Портуондо-Кампа, Эрвин; Хааке, Стефан; Шерги, Маджед (2007). «О зависимости флуоресценции бактериородопсина от длины волны возбуждения». Письма по химической физике . 441 (4–6): 322–326. Бибкод : 2007CPL...441..322S. doi : 10.1016/j.cplett.2007.04.086.
  16. ^ Отани, Х.; Цукамото, Ю.; Сакода, Ю.; Хамагучи, Х. (1995). «Спектры флуоресценции бактериородопсина и промежуточных продуктов O и Q при комнатной температуре». ФЭБС Летт . 359 (1): 65–68. дои : 10.1016/0014-5793(94)01440-c. ПМИД  7851532.
  17. ^ Hayashi S, Tajkhorshid E, Schulten K (сентябрь 2003 г.). «Моделирование молекулярной динамики фотоизомеризации бактериородопсина с использованием сил ab initio для возбужденного хромофора». Biophysical Journal . 85 (3): 1440–9. Bibcode :2003BpJ....85.1440H. doi :10.1016/S0006-3495(03)74576-7. PMC 1303320 . PMID  12944261. 
  18. ^ ab Ernst OP, Lodowski DT, Elstner M, Hegeman P, Brown LS, Kandori H (2014). «Микробные и животные родопсины: структуры, функции и молекулярные механизмы». Chemical Reviews . 114 (1): 126–163. doi :10.1021/cr4003769. PMC 3979449 . PMID  24364740. 
  19. ^ Диумаев, АК; Рихтер, ХТ; Браун, ЛС; Танио, М.; Тузи, С.; Сайто, Х.; Кимура, Й.; Нидлман, Р.; Ланьи, Дж. К. (1998). «Существование цепи переноса протонов в бактериородопсине: участие Glu-194 в высвобождении протонов на внеклеточную поверхность». Биохимия . 37 (8): 2496–2906. doi :10.1021/bi971842m. PMID  9485398.
  20. ^ Балашов, СП; Лу, М.; Имашева, Е.С.; Говинджи, Р.; Эбрей, ТГ; Озерсен б, 3-й; Чен, И.; Крауч, РК; Меник, Д.Р. (1999). «Протонная группа высвобождения бактериородопсина контролирует скорость заключительного этапа его фотоцикла при низком pH». Биохимия . 38 (7): 2026–2039. doi :10.1021/bi981926a. PMID  10026285.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  21. ^ Bada Juarez JF, Judge PJ, Adam S, Axford D, Vinals J, Birch J, Kwan TO, Hoi KK, Yen HY, Vial A, Milhiet PE, Robinson CV, Schapiro I, Moraes I, Watts A (2021). «Структуры транспортера археродопсина 3 показывают, что нарушение внутренних водных сетей лежит в основе сенсибилизации рецепторов». Nature Communications . 12 (1): 629. Bibcode :2021NatCo..12..629B. doi :10.1038/s41467-020-20596-0. PMC 7840839 . PMID  33504778. 
  22. ^ Хендерсон Р., Болдуин Дж. М., Ческа ТА., Землин Ф., Бекманн Э., Даунинг К. Х. (1990). «Модель структуры бактериородопсина на основе электронной криомикроскопии высокого разрешения». J Mol Biol . 213 (4): 899–929. doi :10.1016/S0022-2836(05)80271-2. PMID  2359127.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  23. ^ Мюллер, Даниэль Дж.; Дюфрен, Ив Ф. (2008). «Атомно-силовая микроскопия как многофункциональный молекулярный инструментарий в нанобиотехнологии». Nature Nanotechnology . 3 (5): 261–269. Bibcode : 2008NatNa...3..261M. doi : 10.1038/nnano.2008.100. ISSN  1748-3387. PMID  18654521.
  24. ^ Сибата, Микихиро; Ямасита, Хаято; Учихаши, Такаюки; Кандори, Хидеки; Андо, Тосио (14 февраля 2010 г.). «Высокоскоростная атомно-силовая микроскопия показывает динамические молекулярные процессы в фотоактивированном бактериородопсине». Природные нанотехнологии . 5 (3): 208–212. Бибкод : 2010НатНа...5..208С. дои : 10.1038/nnano.2010.7. hdl : 2297/23872 . ISSN  1748-3387. ПМИД  20154686.
  25. ^ Нанго, Эрико; Руайан, Антуан; Кубо, Минору; Накане, Таканори; Викстранд, Сесилия; Кимура, Тецунари; Танака, Томоюки; Тоно, Кенсуке; Сон, Чангён (23 декабря 2016 г.). «Трёхмерный фильм структурных изменений бактериородопсина». Наука . 354 (6319): 1552–1557. Бибкод : 2016Sci...354.1552N. дои : 10.1126/science.aah3497. ISSN  0036-8075. PMID  28008064. S2CID  206651572.
  26. ^ ab Nishikawa, T.; Murakami, M. (2005-03-28). "Кристаллическая структура 13-цис-изомера бактериородопсина". RCSB Protein Data Bank (PDB). doi :10.2210/pdb1x0s/pdb. PDB ID: 1X0S . Получено 7 октября 2012 г. . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  27. ^ ab Nishikawa, T.; Murakami, M. (2005). «Кристаллическая структура 13-цис-изомера бактериородопсина в темноадаптированном состоянии». J. Mol. Biol . 352 (2): 319–328. doi :10.1016/j.jmb.2005.07.021. PMID  16084526. PDB ID: 1X0S.
  28. ^ ab Изображение создано с помощью RasTop (программное обеспечение для молекулярной визуализации).

Внешние ссылки