stringtranslate.com

сетчатка

Ретиналь (также известный как ретинальдегид ) представляет собой 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 предполагает, что большинство живых организмов на нашей планете около 3 миллиардов лет назад использовали ретиналь для преобразования солнечного света в энергию, а не хлорофилл . Поскольку сетчатка поглощает преимущественно зеленый свет и пропускает фиолетовый, это привело к появлению гипотезы пурпурной Земли . [2]

Существует множество форм витамина А — все они преобразуются в ретиналь, который без них невозможен. Ретиналь сам по себе считается формой витамина А, когда его едят животные. Количество различных молекул, которые могут быть преобразованы в ретиналь, варьируется от вида к виду. Первоначально ретиналь назывался ретиненом [3] и был переименован [4] после того, как было обнаружено, что он представляет собой альдегид 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 , разновидности ксантофилла . Эти каротиноиды должны быть получены из растений или других фотосинтезирующих организмов. Никакие другие каротиноиды не могут быть преобразованы животными в сетчатку. Некоторые плотоядные животные вообще не могут перерабатывать каротиноиды. Другие основные формы витамина А — ретинол и частично активная форма, ретиноевая кислота — могут вырабатываться из ретиналя.

Беспозвоночные, такие как насекомые и кальмары , используют в своей зрительной системе 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 + О 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 , формой транспорта и хранения витамина А:

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

катализируется ретинолдегидрогеназами (RDH) [10] и алкогольдегидрогеназами (ADH). [11]

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

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

катализируется дегидрогеназами сетчатки [12], также известными как дегидрогеназы ретинальдегида (RALDH) [11] , а также оксидазами сетчатки . [13]

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

Зрение

Ретиналь представляет собой конъюгированный хромофор . В человеческом глазу сетчатка начинается с 11- цис -ретинальной конфигурации, которая — после захвата фотона правильной длины волны — выпрямляется в полностью транс -ретинальную конфигурацию. Это изменение конфигурации воздействует на белок опсин в сетчатке , который запускает химический сигнальный каскад, который приводит к восприятию света или изображений человеческим мозгом. Спектр поглощения хромофора зависит от его взаимодействия с белком опсина, с которым он связан, так что разные комплексы ретиналь-опсин будут поглощать фотоны разных длин волн (т. е. разных цветов света).

Опсины

Белок опсин окружает молекулу 11- цис ретиналя, ожидая прибытия фотона. Как только молекула сетчатки захватывает фотон, изменение ее конфигурации заставляет ее давить на окружающий белок опсин, что может привести к тому, что опсин отправит химический сигнал в человеческий 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 животного (радужного цвета), встроенный в липидный бислой (голова красная, хвост синий) с трансдуцином под ним. G t α окрашен в красный цвет, G t β – в синий, а G t γ – в желтый. В α-субъединице G t имеется связанная молекула GDP , а в родопсине — связанный ретиналь (черный). N -конец родопсина красный, а С-конец синий. Закрепление трансдуцина на мембране показано черным цветом.

Ретиналь связан с опсинами , которые представляют собой рецепторы, связанные 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 палочковидных клетках позвоночных — родопсин . Палочки образуют диски, в мембранах которых содержатся молекулы родопсина и которые полностью находятся внутри клетки. N -концевая головка молекулы простирается внутрь диска, а С-концевой хвост — в цитоплазму клетки. Опсины в конусных клетках — OPN1SW , OPN1MW и OPN1LW . Колбочки образуют неполные диски, являющиеся частью плазматической мембраны , поэтому N-концевая головка выходит 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 основания Шиффа включает удаление атома кислорода из ретиналя и двух атомов водорода из свободной аминогруппы лизина с образованием H 2 O. Ретинилиден представляет собой двухвалентную группу, образующуюся при удалении атома кислорода из ретиналя, и поэтому опсины получили название ретинилиденовых белков .

Опсины представляют собой прототипы рецепторов, связанных с G-белком (GPCR). [22] Родопсин крупного рогатого скота, опсин палочек, был первым GPCR, аминокислотная последовательность которого была определена [23] и трехмерная структура (с помощью рентгеновской кристаллографии ). [18] Родопсин крупного рогатого скота содержит 348 аминокислотных остатков. Ретиналь связывается как хромофор с Lys 296 . [18] [23] Этот лизин консервативен почти во всех опсинах, лишь немногие опсины утратили его в ходе эволюции . [24] Опсины без лизина, связывающего сетчатку, не светочувствительны. [25] [26] [27] Такие опсины могут иметь и 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 А 2 ), (3 R )-3-гидроксиретиналь, (3 S )-3- гидроксиретиналь (оба витамина А 3 ) и (4 R )-4-гидроксиретиналь (витамин А 4 ). Многие рыбы и земноводные используют 3,4-дидегидроретиналь, также называемый дегидроретиналем . 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 каротиноидов ксантофилла . Циклорафаны, включая Drosophila , используют (3S ) -3-гидроксиретиналь. [28] [29] Было обнаружено, что кальмары-светлячки используют (4 R )-4-гидроксиретиналь.

Визуальный цикл

Визуальный цикл

Зрительный цикл представляет собой круговой 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 + апорходопсин → родопсин + H 2 O; образует связь основания Шиффа с лизином , -CH=N + H-;
  4. родопсин + hν → метародопсин II (т.е. 11- цис- фотоизомеризуется до полностью- транс ):
    (родопсин + hν → фотородопсин → батородопсин → люмирродопсин → метародопсин I → метародопсин II);
  5. метародопсин II + H 2 O → апорходопсин + all- 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 во внешних сегментах палочек ; Этапы 1, 2 и 7 происходят в клетках пигментного эпителия сетчатки (RPE).

Изомерогидролазы RPE65 гомологичны бета-каротинмонооксигеназам; [7] гомологичный фермент ninaB у дрозофилы обладает как каротиноид-оксигеназной активностью, образующей сетчатку, так и активностью all- trans -11- цис- изомеразы. [32]

Микробные родопсины

Полностью транс -ретиналь также является важным компонентом микробных опсинов, таких как бактериородопсин , каналородопсин и галородопсин , которые играют важную роль в аноксигенном фотосинтезе бактерий и архей . В этих молекулах свет заставляет полностью транс -ретиналь превращаться в 13- цис- ретиналь, который затем в темном состоянии снова превращается в полностью транс -ретиналь. Эти белки эволюционно не связаны с опсинами животных и не являются GPCR; тот факт, что они оба используют ретиналь, является результатом конвергентной эволюции . [33]

История

Американский биохимик Джордж Уолд и другие наметили визуальный цикл к 1958 году. За свою работу Уолд получил долю Нобелевской премии по физиологии и медицине 1967 года вместе с Халданом Кеффером Хартлайном и Рагнаром Гранитом . [34]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Merck Index , 13-е издание, 8249.
  2. ^ ДасСарма, Шиладитья; Швитерман, Эдвард В. (2018). «Ранняя эволюция фиолетовых пигментов сетчатки на Земле и значение биосигнатур экзопланеты». Международный журнал астробиологии (опубликовано 11 октября 2018 г.). 20 (3): 241–250. arXiv : 1810.05150 . дои : 10.1017/S1473550418000423 . ISSN  1473-5504. S2CID  119341330.
  3. ↑ Уолд, Джордж (14 июля 1934 г.). «Каротиноиды и цикл витамина А в зрении». Природа . 134 (3376): 65. Бибкод : 1934Natur.134...65W. дои : 10.1038/134065a0 . S2CID  4022911.
  4. ^ Вальд, Г. (11 октября 1968 г.). «Молекулярные основы зрительного возбуждения». Наука . 162 (3850): 230–9. Бибкод : 1968Sci...162..230W. дои : 10.1126/science.162.3850.230. ПМИД  4877437.
  5. ^ МОРТОН, РА; ГУДВИН, Т.В. (1 апреля 1944 г.). «Приготовление ретинена in vitro». Природа . 153 (3883): 405–406. Бибкод : 1944Natur.153..405M. дои : 10.1038/153405a0. S2CID  4111460.
  6. ^ ШАР, С; ГУДВИН, ТВ; МОРТОН, РА (1946). «Ретинен-1-витамин А альдегид». Биохимический журнал . 40 (5–6): ликс. ПМИД  20341217.
  7. ^ аб фон Линтиг, Йоханнес; Фогт, Клаус (2000). «Заполнение пробелов в исследованиях витамина А: молекулярная идентификация фермента, расщепляющего бета-каротин до сетчатки». Журнал биологической химии . 275 (16): 11915–11920. дои : 10.1074/jbc.275.16.11915 . ПМИД  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. дои : 10.1351/pac200274081397 .
  9. ^ Ким, Ён Су; Ким, Нам Хи; Ём, Су-Джин; Ким, Сон-Вон; О, Док-Кун (2009). «Характеристика in vitro рекомбинантного белка Blh из некультивируемой морской бактерии как β-каротин-15,15'-диоксигеназы». Журнал биологической химии . 284 (23): 15781–93. дои : 10.1074/jbc.M109.002618 . ПМК 2708875 . ПМИД  19366683. 
  10. ^ Лиден, М; Эрикссон, У (2006). «Понимание метаболизма ретинола: структура и функция ретинолдегидрогеназ». Журнал биологической химии . 281 (19): 13001–04. дои : 10.1074/jbc.R500027200 . ПМИД  16428379.
  11. ^ ab Duester, G (сентябрь 2008 г.). «Синтез ретиноевой кислоты и передача сигналов во время раннего органогенеза». Клетка . 134 (6): 921–31. дои : 10.1016/j.cell.2008.09.002. ПМК 2632951 . ПМИД  18805086. 
  12. ^ Лин, Мин; Чжан, Мин; Авраам, Майкл; Смит, Сьюзен М.; Наполи, Джозеф Л. (2003). «Мышиная дегидрогеназа сетчатки 4 (RALDH4), молекулярное клонирование, клеточная экспрессия и активность в биосинтезе 9-цис-ретиноевой кислоты в интактных клетках». Журнал биологической химии . 278 (11): 9856–9861. дои : 10.1074/jbc.M211417200 . ПМИД  12519776.
  13. ^ «ФЕРМЕНТ КЕГГ: 1.2.3.11 оксидаза сетчатки» . Проверено 10 марта 2009 г.
  14. ^ Кейси, ПиДжей; Гилман, AG (февраль 1988 г.). «Участие G-белка в соединении рецептор-эффектор». Журнал биологической химии . 263 (6): 2577–2580. дои : 10.1016/s0021-9258(18)69103-3 . PMID  2830256. S2CID  38970721.
  15. ^ Эттвуд, ТК; Финдли, JBC (1994). «Отпечатки пальцев, связанные с G-белком рецепторы». Белковая инженерия, проектирование и отбор . 7 (2): 195–203. дои : 10.1093/протеин/7.2.195. ПМИД  8170923.
  16. ^ Баундс, Дерик (декабрь 1967 г.). «Место прикрепления сетчатки в родопсине». Природа . 216 (5121): 1178–1181. Бибкод : 1967Natur.216.1178B. дои : 10.1038/2161178a0. PMID  4294735. S2CID  1657759.
  17. ^ Харгрейв, Пенсильвания; Макдауэлл, Дж. Х.; Кертис, Донна Р.; Ван, Джанет К.; Ющак, Элизабет; Фонг, Шао-Лин; Мохана Рао, JK; Аргос, П. (1983). «Структура бычьего родопсина». Биофизика структуры и механизма . 9 (4): 235–244. дои : 10.1007/BF00535659. PMID  6342691. S2CID  20407577.
  18. ^ abc Пальчевски К., Кумасака Т., Хори Т., Бенке CA, Мотошима Х., Фокс Б.А. и др. (август 2000 г.). «Кристаллическая структура родопсина: рецептор, связанный с белком AG». Наука . 289 (5480): 739–45. Бибкод : 2000Sci...289..739P. CiteSeerX 10.1.1.1012.2275 . дои : 10.1126/science.289.5480.739. ПМИД  10926528. 
  19. ^ Мураками М., Кояма Т. (май 2008 г.). «Кристаллическая структура родопсина кальмара». Природа . 453 (7193): 363–7. Бибкод : 2008Natur.453..363M. дои : 10.1038/nature06925. PMID  18480818. S2CID  4339970.
  20. ^ Коллинз, Флорида (март 1953 г.). «Родопсин и индикаторный желтый». Природа . 171 (4350): 469–471. Бибкод : 1953Natur.171..469C. дои : 10.1038/171469a0. PMID  13046517. S2CID  4152360.
  21. ^ Питт, ГАДЖ; Коллинз, Флорида; Мортон, РА; Сток, Полина (1 января 1955 г.). «Исследования родопсина. 8. Ретинилиденметиламин, аналог индикаторного желтого». Биохимический журнал . 59 (1): 122–128. дои : 10.1042/bj0590122. ПМК 1216098 . ПМИД  14351151. 
  22. ^ Лэмб, Т.Д. (1996). «Усиление и кинетика активации G-белкового каскада фототрансдукции». Труды Национальной академии наук . 93 (2): 566–570. Бибкод : 1996PNAS...93..566L. дои : 10.1073/pnas.93.2.566 . ПМК 40092 . ПМИД  8570596. 
  23. ^ аб Овчинников, Ю.А. (8 ноября 1982 г.). «Родопсин и бактериородопсин: структурно-функциональные взаимоотношения». Письма ФЭБС . 148 (2): 179–191. дои : 10.1016/0014-5793(82)80805-3 . PMID  6759163. S2CID  85819100.
  24. ^ аб Гуманн М., Портер М.Л., Бок MJ (август 2022 г.). «Глюопсины: опсины без лизина, связывающего сетчатку». Клетки . 11 (15): 2441. doi : 10.3390/cells11152441 . ПМЦ 9368030 . ПМИД  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. дои : 10.1016/j.cub.2019.07.036 . PMID  31447373. S2CID  201420079.
  26. ^ Аб Люнг, Николь Ю.; Тхакур, Дхананджай П.; Гурав, Адишти С.; Ким, Сан Хун; Ди Пицио, Антонелла; Нив, Маша Ю.; Монтелл, Крейг (апрель 2020 г.). «Функции опсинов во вкусе дрозофилы». Современная биология . 30 (8): 1367–1379.е6. дои :10.1016/j.cub.2020.01.068. ПМЦ 7252503 . ПМИД  32243853. 
  27. ^ Кумбаласири Т., Роллаг, доктор медицины, Изольди MC, Каструччи AM, Провенсио I (март 2007 г.). «Меланопсин запускает высвобождение внутренних запасов кальция в ответ на свет». Фотохимия и фотобиология . 83 (2): 273–279. doi : 10.1562/2006-07-11-RA-964. PMID  16961436. S2CID  23060331.
  28. ^ Секи, Такахару; Исоно, Кунио; Ито, Масаеши; Кацута, Юко (1994). «Мухи группы Cyclorrhapha используют (3S)-3-гидроксиретиналь в качестве уникального зрительного пигмента-хромофора». Европейский журнал биохимии . 226 (2): 691–696. doi :10.1111/j.1432-1033.1994.tb20097.x. ПМИД  8001586.
  29. ^ Секи, Такахару; Исоно, Кунио; Одзаки, Каору; Цукахара, Ясуо; Сибата-Кацута, Юко; Ито, Масаеши; Ириэ, Тошиаки; Катагири, Масанао (1998). «Метаболический путь образования хромофора зрительного пигмента у Drosophila melanogaster: All-транс (3S)-3-гидроксиретиналь образуется из полностью транс-ретиналя через (3R)-3-гидроксиретиналь в темноте». Европейский журнал биохимии . 257 (2): 522–527. дои : 10.1046/j.1432-1327.1998.2570522.x . ПМИД  9826202.
  30. ^ Моисеев, Геннадий; Чен, Ин; Такахаси, Юсуке; Ву, Билл X.; Ма, Цзянь-син (2005). «RPE65 представляет собой изомерогидролазу ретиноидного зрительного цикла». Труды Национальной академии наук . 102 (35): 12413–12418. Бибкод : 2005PNAS..10212413M. дои : 10.1073/pnas.0503460102 . ПМЦ 1194921 . ПМИД  16116091. 
  31. ^ Джин, Минхао; Юань, Цюань; Ли, Сунгари; Трэвис, Габриэль Х. (2007). «Роль LRAT в активности ретиноид-изомеразы и мембранной ассоциации Rpe65». Журнал биологической химии . 282 (29): 20915–20924. дои : 10.1074/jbc.M701432200 . ПМЦ 2747659 . ПМИД  17504753. 
  32. ^ Оберхаузер, Витус; Вулстра, Олаф; Бангерт, Аннетт; фон Линтиг, Йоханнес; Фогт, Клаус (2008). «NinaB сочетает в себе активность каротиноидоксигеназы и ретиноидизомеразы в одном полипептиде». Труды Национальной академии наук . 105 (48): 19000–5. Бибкод : 2008PNAS..10519000O. дои : 10.1073/pnas.0807805105 . ПМК 2596218 . ПМИД  19020100. 
  33. ^ Чен, Де-Лян; Ван, Гуан-юй; Сюй, Бин; Ху, Кунь-Шэн (2002). «Изомеризация полностью транс-13-цис сетчатки в светоадаптированном бактериородопсине при кислом pH». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 66 (3): 188–194. дои : 10.1016/S1011-1344(02)00245-2. ПМИД  11960728.
  34. ^ Нобелевская премия по физиологии и медицине 1967 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки