stringtranslate.com

Ретинальный

Ретиналь (также известный как ретинальдегид ) — это полиеновый хромофор . Ретиналь, связанный с белками, называемыми опсинами , является химической основой зрительной фототрансдукции , стадии обнаружения света зрительного восприятия (зрения).

Некоторые микроорганизмы используют ретиналь для преобразования света в метаболическую энергию. Фактически, недавнее исследование показывает, что большинство живых организмов на нашей планете ~3 миллиарда лет назад использовали ретиналь, а не хлорофилл , для преобразования солнечного света в энергию. Поскольку ретиналь поглощает в основном зеленый свет и пропускает фиолетовый свет, это привело к появлению гипотезы фиолетовой Земли . [2]

Сам ретиналь считается формой витамина А, когда его съедает животное. Существует много форм витамина А, все из которых преобразуются в ретиналь, который не может быть произведен без них. Количество различных молекул, которые могут быть преобразованы в ретиналь, варьируется от вида к виду. Ретиналь изначально назывался ретиненом [ 3] и был переименован [4] после того, как было обнаружено , что он является альдегидом витамина А [5] [6]

Позвоночные животные потребляют ретиналь непосредственно из мяса или производят ретиналь из каротиноидов — либо из α-каротина , либо из β-каротина — оба из которых являются каротинами . Они также производят его из β-криптоксантина , типа ксантофилла . Эти каротиноиды должны быть получены из растений или других фотосинтезирующих организмов. Никакие другие каротиноиды не могут быть преобразованы животными в ретиналь. Некоторые плотоядные животные вообще не могут преобразовывать какие-либо каротиноиды. Другие основные формы витамина А — ретинол и частично активная форма, ретиноевая кислота — могут быть получены из ретиналя.

Беспозвоночные, такие как насекомые и кальмары, используют в своих зрительных системах гидроксилированные формы ретиналя, которые образуются в результате преобразования других ксантофиллов .

Метаболизм витамина А

Живые организмы производят ретиналь путем необратимого окислительного расщепления каротиноидов. [7]

Например:

бета-каротин + O 2 → 2 ретиналь,

катализируется бета-каротин 15,15'-монооксигеназой [8] или бета-каротин 15,15'-диоксигеназой. [9]

Так же, как каротиноиды являются предшественниками ретиналя, ретиналь является предшественником других форм витамина А. Ретиналь взаимопревращается с ретинолом , транспортной и хранимой формой витамина А:

ретиналь + НАДФН + Н + ⇌ ретинол + НАДФ +
ретинол + НАД + ⇌ ретиналь + НАДН + Н + ,

катализируется ретинолдегидрогеназами (РДГ) [10] и алкогольдегидрогеназами (АДГ). [11]

Ретинол называют витаминным спиртом А или, чаще, просто витамином А. Ретиналь также может окисляться до ретиноевой кислоты :

ретиналь + НАД + + Н 2 О → ретиноевая кислота + НАДН + Н + (катализируется RALDH)
ретиналь + O 2 + H 2 O → ретиноевая кислота + H 2 O 2 (катализируется ретинальоксидазой),

катализируется ретинальными дегидрогеназами [12], также известными как ретинальдегиддегидрогеназы (RALDH) [11], а также ретинальными оксидазами [13] .

Ретиноевая кислота, иногда называемая кислотой витамина А , является важной сигнальной молекулой и гормоном у позвоночных животных.

Зрение

Ретиналь — это сопряженный хромофор . В глазах позвоночных ретиналь начинается в конфигурации 11- цис -ретиналя, которая — при захвате фотона с правильной длиной волны — выпрямляется в конфигурацию полностью -транс -ретиналя. Это изменение конфигурации наталкивается на белок опсин в сетчатке , что запускает каскад химических сигналов, что приводит к восприятию света или изображений мозгом. Спектр поглощения хромофора зависит от его взаимодействия с белком опсином, с которым он связан, так что различные комплексы ретиналь-опсин будут поглощать фотоны с разной длиной волны (т. е. разные цвета света).

Опсины

Белок опсин окружает молекулу 11- цис ретиналя, ожидая прибытия фотона. Как только молекула ретиналя захватывает фотон, изменение ее конфигурации заставляет ее толкать окружающий белок опсин, что может заставить опсин отправить химический сигнал в мозг, указывающий на то, что свет был обнаружен. Затем ретиналь преобразуется обратно в свою 11- цис конфигурацию путем фосфорилирования АТФ, и цикл начинается снова.
Родопсин GPCR животных (радужного цвета), встроенный в липидный бислой (головы красные, хвосты синие) с трансдуцином под ним. G t α окрашен в красный цвет, G t β — в синий, а G t γ — в желтый. В субъединице G t α находится связанная молекула GDP , а в родопсине — связанный ретиналь (черный). N- конец родопсина — красный, а C-конец — синий. Крепление трансдуцина к мембране показано черным цветом.

Ретиналь связан с опсинами , которые являются рецепторами, сопряженными с G-белком (GPCR). [14] [15] Опсины, как и другие GPCR, имеют семь трансмембранных альфа-спиралей, соединенных шестью петлями. Они обнаружены в фоторецепторных клетках сетчатки глаза . Опсин в палочковых клетках позвоночных — родопсин . Палочки образуют диски, которые содержат молекулы родопсина в своих мембранах и которые полностью находятся внутри клетки. N-концевая головка молекулы простирается во внутреннюю часть диска, а C-концевой хвост простирается в цитоплазму клетки. Опсины в колбочках — OPN1SW , OPN1MW и OPN1LW . Колбочки образуют неполные диски, которые являются частью плазматической мембраны , так что N-концевая головка простирается за пределы клетки. В опсинах ретиналь ковалентно связывается с лизином [16] в седьмой трансмембранной спирали [17] [18] [19] через основание Шиффа . [20] [21] Образование связи с основанием Шиффа включает удаление атома кислорода из ретиналя и двух атомов водорода из свободной аминогруппы лизина, что дает H2O . Ретинилиден — это двухвалентная группа, образованная путем удаления атома кислорода из ретиналя, поэтому опсины были названы ретинилиденовыми белками .

Опсины являются прототипическими рецепторами, сопряженными с G-белком (GPCR). [22] Родопсин крупного рогатого скота, опсин палочковых клеток, был первым GPCR, у которого была определена его аминокислотная последовательность [23] и 3D-структура (с помощью рентгеновской кристаллографии ) . [18] Родопсин крупного рогатого скота содержит 348 аминокислотных остатков. Ретиналь связывается как хромофор в Lys 296. [18] [23] Этот лизин сохраняется почти во всех опсинах, только несколько опсинов утратили его в ходе эволюции . [24] Опсины без связывающего ретиналь лизина не являются светочувствительными. [25] [26] [27] Такие опсины могут иметь другие функции. [26] [24]

Хотя млекопитающие используют ретиналь исключительно в качестве хромофора опсина, другие группы животных дополнительно используют четыре хромофора, тесно связанных с ретиналем: 3,4-дидегидроретиналь (витамин A2 ) , ( 3R )-3-гидроксиретиналь, (3S ) -3-гидроксиретиналь (оба витамина A3 ) и (4R ) -4-гидроксиретиналь (витамин A4 ) . Многие рыбы и земноводные используют 3,4-дидегидроретиналь, также называемый дегидроретиналь . За исключением подотряда двукрылых Cyclorrhapha ( так называемых высших мух), все исследованные насекомые используют ( R ) -энантиомер 3-гидроксиретиналя. ( R )-энантиомер следует ожидать, если 3-гидроксиретиналь производится непосредственно из ксантофилловых каротиноидов. Циклорафаны, включая дрозофилу , используют (3 S )-3-гидроксиретиналь. [28] [29] Было обнаружено, что светлячки-кальмары используют (4 R )-4-гидроксиретиналь.

Визуальный цикл

Визуальный цикл

Зрительный цикл представляет собой кольцевой ферментативный путь , который является началом фототрансдукции. Он регенерирует 11- цис -ретиналь. Например, зрительный цикл палочек млекопитающих выглядит следующим образом:

  1. полностью транс-ретиниловый эфир + H 2 O → 11- цис -ретинол + жирная кислота ; изомерогидролазы RPE65 ; [30]
  2. 11-цис-ретинол + НАД + → 11- цис -ретиналь + НАДН + Н + ; 11 -цис -ретинолдегидрогеназы;
  3. 11- цис -ретиналь + апородопсин → родопсин + H 2 O; образует связь основания Шиффа с лизином , -CH=N + H-;
  4. родопсин + hν → метародопсин II (т.е. 11- цис фотоизомеризуется в полностью- транс ):
    (родопсин + hν → фотородопсин → батородопсин → люмиродопсин → метародопсин I → метародопсин II);
  5. метародопсин II + H 2 O → апородопсин + полностью транс -ретиналь;
  6. полностью транс - ретиналь + НАДФН + Н + → полностью транс- ретинол + НАДФ + ; полностью транс -ретинолдегидрогеназы ;
  7. полностью транс -ретинол + жирная кислота → полностью транс- ретиниловый эфир + H 2 O; лецитин-ретинолацилтрансферазы (LRAT). [31]

Шаги 3, 4, 5 и 6 происходят в наружных сегментах палочковых клеток ; шаги 1, 2 и 7 происходят в клетках пигментного эпителия сетчатки (РПЭ).

Изомерогидролазы RPE65 гомологичны бета-каротинмонооксигеназам; [7] гомологичный фермент ninaB у Drosophila обладает как ретинальобразующей каротиноидоксигеназной активностью, так и полностью транс- в-11 -цис -изомеразной активностью. [32]

Микробные родопсины

All -trans -retinale также является важным компонентом микробных опсинов, таких как бактериородопсин , каналородопсин и галородопсин , которые важны для бактериального и архейного аноксигенного фотосинтеза . В этих молекулах свет заставляет all -trans -retinale превращаться в 13 -цис -ретиналь, который затем циклически возвращается к all- trans -retinale в темном состоянии. Эти белки эволюционно не связаны с животными опсинами и не являются GPCR; тот факт, что они оба используют ретиналь, является результатом конвергентной эволюции . [33]

История

Американский биохимик Джордж Уолд и другие описали зрительный цикл к 1958 году. За свою работу Уолд получил часть Нобелевской премии по физиологии и медицине 1967 года вместе с Холданом Кеффером Хартлайном и Рагнаром Гранитом . [34]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Merck Index , 13-е издание, 8249
  2. ^ DasSarma, Shiladitya; Schwieterman, Edward W. (2018). «Ранняя эволюция пурпурных пигментов сетчатки на Земле и их влияние на биосигнатуры экзопланет». International Journal of Astrobiology . 20 (3) (опубликовано 2018-10-11): 241–250. arXiv : 1810.05150 . doi : 10.1017/S1473550418000423 . ISSN  1473-5504. S2CID  119341330.
  3. ↑ Уолд, Джордж (14 июля 1934 г.). «Каротиноиды и цикл витамина А в зрении». Nature . 134 (3376): 65. Bibcode :1934Natur.134...65W. doi : 10.1038/134065a0 . S2CID  4022911.
  4. ^ Wald, G (11 октября 1968). "Молекулярная основа зрительного возбуждения". Science . 162 (3850): 230–9. Bibcode :1968Sci...162..230W. doi :10.1126/science.162.3850.230. PMID  4877437.
  5. ^ MORTON, RA; GOODWIN, TW (1 апреля 1944 г.). «Получение ретинена in Vitro». Nature . 153 (3883): 405–406. Bibcode :1944Natur.153..405M. doi :10.1038/153405a0. S2CID  4111460.
  6. ^ BALL, S; GOODWIN, TW; MORTON, RA (1946). «Ретинен1-витамин А альдегид». Биохимический журнал . 40 (5–6): lix. PMID  20341217.
  7. ^ ab von Lintig, Johannes; Vogt, Klaus (2000). «Заполнение пробела в исследовании витамина А: молекулярная идентификация фермента, расщепляющего бета-каротин до ретиналя». Журнал биологической химии . 275 (16): 11915–11920. doi : 10.1074/jbc.275.16.11915 . PMID  10766819.
  8. ^ Воггон, Вольф-Д. (2002). «Окислительное расщепление каротиноидов, катализируемое моделями ферментов и бета-каротин 15,15'-монооксигеназой». Чистая и прикладная химия . 74 (8): 1397–1408. doi : 10.1351/pac200274081397 .
  9. ^ Ким, Ён-Су; Ким, Нам-Хи; Ём, Су-Джин; Ким, Сон-Вон; О, Док-Кун (2009). «Характеристика рекомбинантного белка Blh из некультивируемой морской бактерии как β-каротин 15,15′-диоксигеназы in vitro». Журнал биологической химии . 284 (23): 15781–93. doi : 10.1074/jbc.M109.002618 . PMC 2708875. PMID  19366683 . 
  10. ^ Лиден, М.; Эрикссон, У. (2006). «Понимание метаболизма ретинола: структура и функция ретинолдегидрогеназ». Журнал биологической химии . 281 (19): 13001–04. doi : 10.1074/jbc.R500027200 . PMID  16428379.
  11. ^ ab Duester, G (сентябрь 2008 г.). «Синтез ретиноевой кислоты и сигнализация во время раннего органогенеза». Cell . 134 (6): 921–31. doi :10.1016/j.cell.2008.09.002. PMC 2632951 . PMID  18805086. 
  12. ^ Лин, Мин; Чжан, Мин; Абрахам, Майкл; Смит, Сьюзан М.; Наполи, Джозеф Л. (2003). «Дегидрогеназа сетчатки мыши 4 (RALDH4), молекулярное клонирование, клеточная экспрессия и активность в биосинтезе 9-цис-ретиноевой кислоты в интактных клетках». Журнал биологической химии . 278 (11): 9856–9861. doi : 10.1074/jbc.M211417200 . PMID  12519776.
  13. ^ "ФЕРМЕНТ KEGG: 1.2.3.11 ретинальная оксидаза" . Получено 2009-03-10 .
  14. ^ Casey, PJ; Gilman, AG (февраль 1988). «Участие G-белка в рецепторно-эффекторном сопряжении». Журнал биологической химии . 263 (6): 2577–2580. doi : 10.1016/s0021-9258(18)69103-3 . PMID  2830256. S2CID  38970721.
  15. ^ Attwood, TK; Findlay, JBC (1994). «Динамик рецепторов, связанных с G-белком». Protein Engineering, Design and Selection . 7 (2): 195–203. doi :10.1093/protein/7.2.195. PMID  8170923.
  16. ^ Боундс, Дерик (декабрь 1967 г.). «Место прикрепления сетчатки к родопсину». Nature . 216 (5121): 1178–1181. Bibcode :1967Natur.216.1178B. doi :10.1038/2161178a0. PMID  4294735. S2CID  1657759.
  17. ^ Hargrave, PA; McDowell, JH; Curtis, Donna R.; Wang, Janet K.; Juszczak, Elizabeth; Fong, Shao-Ling; Mohana Rao, JK; Argos, P. (1983). «Структура бычьего родопсина». Biophysics of Structure and Mechanism . 9 (4): 235–244. doi :10.1007/BF00535659. PMID  6342691. S2CID  20407577.
  18. ^ abc Palczewski K, Kumasaka T, Hori T, Behnke CA, Motoshima H, Fox BA и др. (август 2000 г.). «Кристаллическая структура родопсина: рецептор, связанный с белком AG». Science . 289 (5480): 739–45. Bibcode :2000Sci...289..739P. CiteSeerX 10.1.1.1012.2275 . doi :10.1126/science.289.5480.739. PMID  10926528. 
  19. ^ Мураками М., Коуяма Т. (май 2008 г.). «Кристаллическая структура родопсина кальмара». Nature . 453 (7193): 363–7. Bibcode :2008Natur.453..363M. doi :10.1038/nature06925. PMID  18480818. S2CID  4339970.
  20. ^ Коллинз, Ф. Д. (март 1953 г.). «Родопсин и индикаторный желтый». Nature . 171 (4350): 469–471. Bibcode :1953Natur.171..469C. doi :10.1038/171469a0. PMID  13046517. S2CID  4152360.
  21. ^ Питт, GAJ; Коллинз, FD; Мортон, RA; Сток, Полин (1 января 1955 г.). «Исследования родопсина. 8. Ретинилиденметиламин, аналог желтого индикатора». Biochemical Journal . 59 (1): 122–128. doi :10.1042/bj0590122. PMC 1216098 . PMID  14351151. 
  22. ^ Lamb, TD (1996). «Усиление и кинетика активации в каскаде G-белка фототрансдукции». Труды Национальной академии наук . 93 (2): 566–570. Bibcode :1996PNAS...93..566L. doi : 10.1073/pnas.93.2.566 . PMC 40092 . PMID  8570596. 
  23. ^ ab Овчинников, Ю.А. (8 ноября 1982 г.). "Родопсин и бактериородопсин: структурно-функциональные связи". FEBS Letters . 148 (2): 179–191. Bibcode : 1982FEBSL.148..179O. doi : 10.1016/0014-5793(82)80805-3 . PMID  6759163. S2CID  85819100.
  24. ^ ab Gühmann M, Porter ML, Bok MJ (август 2022 г.). «Глюопсины: опсины без связывающего ретиналь лизина». Клетки . 11 (15): 2441. doi : 10.3390/cells11152441 . PMC 9368030. PMID  35954284 . 
  25. ^ Катана, Радослав; Гуань, Чонглинь; Занини, Дамиано; Ларсен, Мэтью Э.; Хиральдо, Диего; Гертен, Барт Р.Х.; Шмидт, Кристоф Ф.; Бритт, Стивен Г.; Гёпферт, Мартин К. (сентябрь 2019 г.). «Независимая от хромофора роль апопротеинов опсина в механорецепторах дрозофилы». Современная биология . 29 (17): 2961–2969.e4. Бибкод : 2019CBio...29E2961K. дои : 10.1016/j.cub.2019.07.036 . PMID  31447373. S2CID  201420079.
  26. ^ ab Leung, Nicole Y.; Thakur, Dhananjay P.; Gurav, Adishthi S.; Kim, Sang Hoon; Di Pizio, Antonella; Niv, Masha Y.; Montell, Craig (апрель 2020 г.). «Функции опсинов во вкусе дрозофилы». Current Biology . 30 (8): 1367–1379.e6. Bibcode :2020CBio...30E1367L. doi :10.1016/j.cub.2020.01.068. PMC 7252503 . PMID  32243853. 
  27. ^ Kumbalasiri T, Rollag MD, Isoldi MC, Castrucci AM, Provencio I (март 2007 г.). «Меланопсин запускает высвобождение внутренних запасов кальция в ответ на свет». Photochemistry and Photobiology . 83 (2): 273–279. doi :10.1562/2006-07-11-RA-964. PMID  16961436. S2CID  23060331.
  28. ^ Секи, Такахару; Исоно, Кунио; Ито, Масаёши; Кацута, Юко (1994). «Мухи группы Cyclorrhapha используют (3S)-3-гидроксиретиналь в качестве уникального визуального пигментного хромофора». Европейский журнал биохимии . 226 (2): 691–696. doi :10.1111/j.1432-1033.1994.tb20097.x. PMID  8001586.
  29. ^ Seki, Takaharu; Isono, Kunio; Ozaki, Kaoru; Tsukahara, Yasuo; Shibata-Katsuta, Yuko; Ito, Masayoshi; Irie, Toshiaki; Katagiri, Masanao (1998). «Метаболический путь образования хромофора зрительного пигмента у Drosophila melanogaster: полностью транс-(3S)-3-гидроксиретиналь образуется из полностью транс-ретиналя через (3R)-3-гидроксиретиналь в темноте». European Journal of Biochemistry . 257 (2): 522–527. doi : 10.1046/j.1432-1327.1998.2570522.x . PMID  9826202.
  30. ^ Моисеев, Геннадий; Чэнь, Ин; Такахаши, Юсуке; Ву, Билл С.; Ма, Цзянь-син (2005). «RPE65 — это изомерогидролаза в зрительном цикле ретиноида». Труды Национальной академии наук . 102 (35): 12413–12418. Bibcode : 2005PNAS..10212413M. doi : 10.1073/pnas.0503460102 . PMC 1194921. PMID  16116091 . 
  31. ^ Jin, Minghao; Yuan, Quan; Li, Songhua; Travis, Gabriel H. (2007). «Роль LRAT в активности ретиноидной изомеразы и мембранной ассоциации Rpe65». Журнал биологической химии . 282 (29): 20915–20924. doi : 10.1074/jbc.M701432200 . PMC 2747659. PMID  17504753 . 
  32. ^ Оберхаузер, Витус; Вулстра, Олаф; Бангерт, Аннет; фон Линтиг, Йоханнес; Фогт, Клаус (2008). «NinaB объединяет активность каротиноидной оксигеназы и ретиноидной изомеразы в одном полипептиде». Труды Национальной академии наук . 105 (48): 19000–5. Bibcode : 2008PNAS..10519000O. doi : 10.1073/pnas.0807805105 . PMC 2596218. PMID  19020100 . 
  33. ^ Чэнь, Де-Лян; Ван, Гуан-юй; Сюй, Бин; Ху, Кунь-Шэн (2002). «Изомеризация ретиналя из полностью транс-в 13-цис в адаптированном к свету бактериородопсине при кислом pH». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 66 (3): 188–194. Bibcode : 2002JPPB...66..188C. doi : 10.1016/S1011-1344(02)00245-2. PMID  11960728.
  34. ↑ Нобелевская премия по физиологии и медицине 1967 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки