Ретинилиденовые белки , или родопсины в широком смысле , являются белками, которые используют ретиналь в качестве хромофора для восприятия света . Они являются молекулярной основой для различных светочувствительных систем от фототаксиса у жгутиконосцев до зрения у животных . [1] Ретинилиденовые белки включают все формы опсина и родопсина (в широком смысле). В то время как родопсин в узком смысле относится к тусклому зрительному пигменту, обнаруженному у позвоночных, обычно на палочках, родопсин в широком смысле (как используется здесь) относится к любой молекуле, состоящей из опсина и хромофора ретиналя в основном состоянии. При активации светом хромофор изомеризуется , и в этот момент молекула в целом больше не является родопсином, а родственной молекулой, такой как метародопсин. Однако он остается ретинилиденовым белком. Затем хромофор отделяется от опсина, и в этот момент голый опсин становится ретинилиденовым белком. Таким образом, молекула остается ретинилиденовым белком на протяжении всего цикла фототрансдукции . [2] [3] [4]
Все родопсины состоят из двух строительных блоков, белковой части и обратимо ковалентно связанного небелкового кофактора , ретиналя (ретинальдегида). Белковая структура родопсина состоит из пучка из семи трансмембранных спиралей , которые образуют внутренний карман, связывающий фотореактивный хромофор. Они образуют суперсемейство с другими мембраносвязанными рецепторами, содержащими семь трансмембранных доменов, например, обонятельные и хемокиновые рецепторы. [5]
Вместо того, чтобы активироваться связыванием химических лигандов , как их родственники, родопсины содержат ретиналь, который изменяет конформацию в ответ на свет посредством фотоизомеризации и , таким образом, активируется светом. Молекула ретиналя может принимать несколько различных цис-транс -изомерных форм, таких как полностью -транс , 11- цис и 13- цис . Фотоизомеризация ( светозависимая изомеризация ) ретиналя из цис в транс или наоборот вызывает конформационное изменение в рецепторном белке. Это изменение действует как молекулярный переключатель для активации механизма передачи сигнала внутри клетки. В зависимости от типа родопсина он либо открывает ионный канал (например, у бактерий), либо активирует связанный с ним белок G и запускает каскад вторичных мессенджеров (например, в глазах животных).
Ретинилиденовые белки или родопсины существуют во многих видах от бактерий до водорослей и животных. Их можно разделить на два различных типа на основе их последовательности, а также изомера ретиналя, который они содержат в основном состоянии, и их механизмов передачи сигнала. [1]
Подобно животным родопсинам, микробные родопсины (встречающиеся у прокариот и водорослей) содержат ретинальный хромофор и имеют семь трансмембранных альфа-спиралей ; однако они не связаны с G-белком. Ретинальный хромофор отличается от животной 11- цис -формы и является полностью транс -изомером ретиналя в основном состоянии, который изомеризуется в 13- цис при активации светом; хромофор также известен как хромофор микробного типа. Примерами являются бактериальные сенсорные родопсины, канальные родопсины , бактериородопсины , галородопсины , протеородопсины , архаеродопсины , гелиородопсины и ксантородопсины для осуществления фототрофии . [6]
Они действуют как светозависимые ионные каналы и могут быть дополнительно различимы по типу иона, который они каналируют. Бактериородопсин функционирует как протонный насос , тогда как галородопсин действует как хлоридный насос. [6] Их функции варьируются от бактериального фотосинтеза (бактериородопсин) до управления фототаксисом (каналродопсины у жгутиконосцев ). Передача сигнала при фототаксисе включает деполяризацию клеточной мембраны. [7]
Одноклеточные жгутиконосные водоросли содержат канальные родопсины , которые действуют как светозависимые катионные каналы при экспрессии в гетерологичных системах. Многие другие про- и эукариотические организмы (в частности, грибы, такие как Neurospora ) экспрессируют родопсиновые ионные насосы или сенсорные родопсины с пока неизвестной функцией. Совсем недавно были обнаружены микробные родопсины с гуанилатциклазной активностью. [8] [9] [10] Хотя все микробные родопсины имеют значительную гомологию последовательностей друг с другом, у них нет обнаруживаемой гомологии последовательностей с семейством рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR), к которому принадлежат зрительные родопсины животных. Тем не менее, микробные родопсины и GPCR, возможно, эволюционно связаны, основываясь на сходстве их трехмерных структур. Поэтому они были отнесены к одному и тому же суперсемейству в Структурной классификации белков (SCOP). [11]
Ретинилиденовые белки животного мира также называются опсинами . Позвоночные содержат пять подсемейств (род)опсинов, а членистоногие — три подсемейства. [12] Опсины относятся к классу рецепторов, сопряженных с G-белком , и связывают 11- цис -изомер ретиналя в основном состоянии, который фотоизомеризуется в полностью транс -ретиналь при активации светом. Они обычно встречаются в светочувствительных органах, например, в фоторецепторных клетках сетчатки позвоночных , где они облегчают зрение. Животные опсины также встречаются в коже земноводных, шишковидных железах ящериц и птиц, гипоталамусе жаб и человеческом мозге . Их можно разделить на несколько отдельных классов, включая:
«Зрительный пурпур» родопсин (опсин-2) палочковидных клеток сетчатки позвоночных поглощает зелено-синий свет. Фотопсины колбочек сетчатки отличаются несколькими аминокислотами , что приводит к сдвигу их спектров поглощения света. Три человеческих фотопсина поглощают желтовато-зеленый (фотопсин I), зеленый (фотопсин II) и сине-фиолетовый (фотопсин III) свет и являются основой цветного зрения , тогда как более светочувствительный «зрительный пурпур» отвечает за монохроматическое зрение в темноте. Передача светового сигнала включает в себя каскад ферментов G-белков ( трансдуцин ), цГМФ-фосфодиэстеразу, закрытие катионного канала и в конечном итоге гиперполяризацию зрительной фоторецепторной клетки . [13]
Зрительные родопсины членистоногих и моллюсков отличаются от белков позвоночных каскадом передачи сигнала, включающим G-белки, фосфолипазу С и, в конечном итоге, деполяризацию зрительной фоторецепторной клетки. [13]
Другие опсины, обнаруженные у людей, включают энцефалопсин (или панопсин, опсин-3), меланопсин (опсин-4), нейропсин (опсин-5) и перопсин. Меланопсин участвует в световой энцефалопсине циркадных часов у позвоночных. Энцефалопсины и нейропсины высоко экспрессируются в нервных клетках и мозговой ткани, но до сих пор их функция неизвестна. Перопсин связывает полностью транс -ретиналь (хромофор микробного типа) и может функционировать как фотоизомераза , возвращая ретиналь в форму 11- цис -изомера, необходимую для зрительного восприятия. [13]