Rhodopsin - Rhodopsin

Tento článek je o vizuálním rhodopsinu obratlovců. Pro další typy rhodopsinu viz Retinylidenový protein.
RHO
Rhodopsin 3D.jpeg
Dostupné struktury
PDBHledání ortologu: PDBe RCSB
Identifikátory
AliasyRHO, CSNBAD1, OPN2, RP4, rhodopsin, rhodopsin, vizuální fialová
Externí IDOMIM: 180380 MGI: 97914 HomoloGene: 68068 Genové karty: RHO
Umístění genu (člověk)
Chromozom 3 (lidský)
Chr.Chromozom 3 (lidský)[1]
Chromozom 3 (lidský)
Genomic location for RHO
Genomic location for RHO
Kapela3q22.1Start129,528,639 bp[1]
Konec129,535,344 bp[1]
Exprese RNA vzor
PBB GE RHO 206455 s at fs.png

PBB GE RHO 206454 s at fs.png
Další údaje o referenčních výrazech
Ortology
DruhČlověkMyš
Entrez

6010

212541

Ensembl

ENSG00000163914

ENSMUSG00000030324

UniProt

P08100

P15409

RefSeq (mRNA)

NM_000539

NM_145383

RefSeq (protein)

NP_000530

NP_663358

Místo (UCSC)Chr 3: 129,53 - 129,54 MbChr 6: 115,93 - 115,94 Mb
PubMed Vyhledávání[3][4]
Wikidata
Zobrazit / upravit člověkaZobrazit / upravit myš

Rhodopsin (také známý jako vizuální fialová) je světlo -citlivý receptorový protein zahrnutý do něčeho, zůčastnit se čeho vizuální fototransdukce. Je pojmenován po starořečtina .όδον (rhódon) pro růže, kvůli své narůžovělé barvě a ὄψις (ópsis) pro pohled.[5] Rhodopsin je a biologický pigment nalezen v pruty z sítnice a je Receptor spojený s G-proteinem (GPCR). Patří to opsiny. Rhodopsin je extrémně citlivý na světlo, a tak umožňuje vidění za špatných světelných podmínek.[6] Když je rhodopsin vystaven světlu, okamžitě fotobělidla. U lidí se plně regeneruje přibližně za 30 minut, poté jsou pruty citlivější.[7]

Rhodopsin objevil Franz Christian Boll v roce 1876.[8][9]

Struktura

Rhodopsin se skládá ze dvou složek, a proteinová molekula také nazývaný scotopsin a a kovalentně -vázaný kofaktor volala sítnice. Scotopsin je opsin, citlivý na světlo Receptor spojený s G proteinem který vloží do lipidová dvojvrstva buněčných membrán pomocí sedmi proteinů transmembránové domény. Tyto domény tvoří kapsu, kde je fotoreaktivní chromofor, sítnice, leží vodorovně k buněčné membráně, spojené s a lysin zbytek v sedmé transmembránové doméně proteinu. Tisíce molekul rhodopsinu se nacházejí v každém disku vnějšího segmentu buňky hostitelské tyčinky. Retinal se vyrábí v sítnice z vitamin A., ze stravy beta-karoten. Izomerizace z 11-cis- do všechtrans-retinal by světlo nastavuje řadu konformačních změn („bělení“) v opsinu a nakonec jej vede k formě zvané metarhodopsin II (Meta II), která aktivuje přidružený G protein, transducin, ke spuštění cyklické guanosinmonofosfát (cGMP) druhý posel kaskáda.[7][10][11]

Rhodopsin z pruty nejsilněji pohlcuje zeleno-modré světlo, a proto vypadá červenofialově, a proto se mu také říká „vizuální fialová“.[12] Je zodpovědný za jednobarevný vidění ve tmě.[7]

Hovězí rhodopsin
Vizuální cyklus

Několik úzce souvisejících opsinů se liší pouze v několika málo aminokyseliny a v vlnové délky světla, které absorbují nejsilněji. Lidé mají kromě rhodopsinu také dalších osm opsinů kryptochrom (citlivý na světlo, ale ne opsin).[13][14]

The fotopsiny se nacházejí v kuželové buňky sítnice a jsou základem barevné vidění. Mají absorpční maxima pro žlutozelené (fotopsin I), zelené (fotopsin II) a modrofialové (fotopsin III) světlo. Zbývající opsin, melanopsin, se nachází v fotocitlivé gangliové buňky a nejsilněji absorbuje modré světlo.

V rhodopsinu je aldehydová skupina sítnice kovalentně navázána na aminoskupinu lysinového zbytku na proteinu v protonované Schiffova základna (-NH+= CH-).[15] Když rhodopsin absorbuje světlo, jeho retinální kofaktor izomerizuje z 11-cis na all-trans konfiguraci a protein následně podstoupí řadu relaxací, aby vyhověl změněnému tvaru izomerizovaného kofaktoru. Meziprodukty vytvořené během tohoto procesu byly nejprve zkoumány v laboratoři George Wald, který obdržel Nobelovu cenu za tento výzkum v roce 1967.[16] Dynamika fotoizomerace byla následně zkoumána s časovým rozlišením IR spektroskopie a UV / Vis spektroskopie. První fotoprodukt s názvem fotorodopsin formuláře do 200 femtosekundy po ozáření následoval dovnitř pikosekundy druhý zavolal bathorhodopsin se zkreslenými all-trans vazbami. Tento meziprodukt může být uvězněn a studován na kryogenní teplotách a zpočátku byl označován jako prelumirhodopsin.[17] V následujících meziproduktech lumirhodopsin a metarhodopsin ISchiffova základní vazba na all-trans retinal zůstává protonovaná a protein si zachovává své načervenalé zabarvení. Kritická změna, která iniciuje neuronální excitaci, zahrnuje přeměnu metarhodopsinu I na metarhodopsin II, který je spojen s deprotonací Schiffovy báze a změnou barvy z červené na žlutou.[18]

Struktura rhodopsinu byla podrobně studována prostřednictvím rentgenová krystalografie na krystalech rhodopsinu.[19] Několik modelů (např mechanismus pedálu a kola, mechanismus hula-twist) pokus vysvětlit, jak může skupina sítnice změnit svoji konformaci, aniž by narazila do obklopující kapsy rhodopsinového proteinu.[20][21][22] Nedávná data podporují, že rhodopsin je funkční monomer, místo dimeru, který byl po mnoho let paradigmatem receptorů spřažených s G-proteinem.[23]

Fototransdukce

Rhodopsin je základní receptor spojený s G-proteinem fototransdukce.

Funkce

Produkt světelné aktivace, Metarhodopsin II, iniciuje vizuální fototransdukce stimuluje G protein transducin (Gt), což vede k osvobození jeho podjednotky α. Tato podjednotka vázaná na GTP zase aktivuje cGMP fosfodiesteráza. cGMP fosfodiesteráza hydrolyzuje (rozkládá se) cGMP, snížení jeho místní koncentrace, takže již nemůže aktivovat cGMP-dependentní kationové kanály. To vede k hyperpolarizaci fotoreceptorových buněk a ke změně rychlosti, jakou uvolňují vysílače.

Deaktivace

Meta II (metarhodopsin II) se rychle deaktivuje po aktivaci transducinu pomocí rhodopsin kináza a arrestin.[24] Aby se mohla objevit další fototransdukce, musí být pigment Rhodopsin regenerován. To znamená nahradit all-trans-retinál 11-cis-retinálem a rozpad Meta II je v tomto procesu zásadní. Během rozpadu Meta II se Schiffův základní článek, který normálně drží all-trans-retinal a apoproteinový opsin (aporhodopsin), hydrolyzuje a stává se z něj Meta III. Ve vnějším segmentu tyčinky se Meta III rozpadá na samostatný all-trans-retinal a opsin.[24] Druhým produktem rozpadu Meta II je all-trans-retinální opsinový komplex, ve kterém byl all-trans-retinal translokován na druhá vazebná místa. Zdá se, že to, zda rozpad Meta II narazí na Meta III nebo all-trans-retinální opsinový komplex, závisí na pH reakce. Vyšší pH má tendenci řídit rozpadovou reakci směrem k Meta III.[24]

Onemocnění sítnice

Mutace genu pro rhodopsin významně přispívá k různým retinopatiím, jako je např retinitis pigmentosa. Obecně se protein způsobující onemocnění agreguje s ubikvitin v inkluzních tělech narušuje síť středních vláken a zhoršuje schopnost buňky degradovat nefunkční proteiny, což vede k fotoreceptorům apoptóza.[25] Další mutace na rhodopsinu vedou k Vrozená stacionární noční slepota spojená s X., hlavně kvůli konstitutivní aktivaci, když mutace nastanou kolem kapsy vázající chromofor rhodopsinu.[26] Bylo objeveno několik dalších patologických stavů souvisejících s rhodopsinem, včetně špatného postgolgiho obchodování, dysregulativní aktivace, nestability vnějšího segmentu tyče a vazby arestinu.[26]

Mikrobiální rhodopsiny

Hlavní článek: Mikrobiální rhodopsin

Nějaký prokaryoty vyjádřit protonové pumpy volala bakteriorhodopsiny, archaerhodopsiny, proteorhodopsiny, heliorhodopsiny a xanthorhodopsiny provést fototrofie.[27] Stejně jako zvířecí vizuální pigmenty obsahují i ​​sítnicový chromofor (i když se jedná otrans, spíše než 11-cis formulář) a mít sedm transmembránové alfa šroubovice; nejsou však spojeny s G proteinem. Prokaryotický halorhodopsiny jsou světelně aktivovaná chloridová čerpadla.[27] Jednobuněčné bičíkaté řasy obsahují channelrhodopsins které působí jako světelně kationtové kanály, jsou-li exprimovány v heterologních systémech. Mnoho dalších pro- a eukaryotických organismů (zejména houby jako např Neurospora) exprimují rhodopsinové iontové pumpy nebo senzorické rhodopsiny s dosud neznámou funkcí. Velmi nedávno mikrobiální rhodopsiny s guanylyl cykláza byla objevena aktivita.[28][29][30] Zatímco všechny mikrobiální rhodopsiny mají významné sekvenční homologie navzájem nemají žádnou detekovatelnou sekvenční homologii k Receptor spojený s G-proteinem (GPCR) rodina, do které zvířecí vizuální rhodopsiny patří. Nicméně mikrobiální rhodopsiny a GPCR jsou pravděpodobně evolučně příbuzné, založené na podobnosti jejich trojrozměrných struktur. Proto byli v roce přiděleni do stejné nadčeledi Strukturální klasifikace proteinů (SCOP).[31]

Reference

  1. ^ A b C GRCh38: Vydání souboru 89: ENSG00000163914 - Ensembl, Květen 2017
  2. ^ A b C GRCm38: Vydání souboru 89: ENSMUSG00000030324 - Ensembl, Květen 2017
  3. ^ „Human PubMed Reference:“. Národní centrum pro biotechnologické informace, Americká národní lékařská knihovna.
  4. ^ „Myš PubMed Reference:“. Národní centrum pro biotechnologické informace, Americká národní lékařská knihovna.
  5. ^ Postřeh (2008), Hostující redakční esejVnímání, str. 1
  6. ^ Litmann BJ, Mitchell DC (1996). "Struktura a funkce rhodopsinu". V Lee AG (ed.). Receptory spojené s rhodopsinem a G-proteinem, část A (svazek 2, 1996) (sada 2 svazky). Greenwich, Conn: JAI Press. s. 1–32. ISBN  978-1-55938-659-3.
  7. ^ A b C Stuart JA, Brige RR (1996). "Charakterizace primárních fotochemických událostí v bakteriorhodopsinu a rhodopsinu". V Lee AG (ed.). Receptory spojené s rhodopsinem a G-proteinem, část A (svazek 2, 1996) (sada 2 svazky). Greenwich, Conn: JAI Press. 33–140. ISBN  978-1-55938-659-3.
  8. ^ Encyklopedie neurologických věd. Akademický tisk. 29. dubna 2014. str. 441–. ISBN  978-0-12-385158-1.
  9. ^ Giese AC (24. září 2013). Fotofyziologie: Obecné principy; Působení světla na rostliny. Elsevier. str. 9. ISBN  978-1-4832-6227-7. Citováno 23. září 2015.
  10. ^ Hofmann KP, Heck M (1996). „Interakce protein-protein indukovaná světlem na membráně disku fotoreceptoru tyče“. V Lee AG (ed.). Receptory spojené s rhodopsinem a G-proteinem, část A (svazek 2, 1996) (sada 2 svazky). Greenwich, Conn: JAI Press. 141–198. ISBN  978-1-55938-659-3.
  11. ^ Kolb H, Fernandez E, Nelson R, Jones BW (1. března 2010). „Webvision: Photoreceptors“. University of Utah. Archivovány od originál dne 16. srpna 2000.
  12. ^ Rogers K. "Rhodopsin". Encyklopedie Britannica. Britannica.com. Citováno 30. ledna 2016.
  13. ^ Terakita A (2005). „Opsiny“. Genome Biology. 6 (3): 213. doi:10.1186 / gb-2005-6-3-213. PMC  1088937. PMID  15774036.
  14. ^ Foley LE, Gegear RJ, Reppert SM (červen 2011). „Lidský kryptochrom vykazuje na světlo závislou magnetosenzitivitu“. Příroda komunikace. 2: 356. Bibcode:2011NatCo ... 2..356F. doi:10.1038 / ncomms1364. PMC  3128388. PMID  21694704.
  15. ^ Bownds D, Wald G (leden 1965). "Reakce chromoforu rhodopsinu s borohydridem sodným". Příroda. 205 (4968): 254–7. Bibcode:1965Natur.205..254B. doi:10.1038 / 205254a0. PMID  14270706. S2CID  4226447.
  16. ^ Nobelova nadace. „Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu 1967“. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Citováno 12. prosince 2015.
  17. ^ Yoshizawa T, Wald G (březen 1963). "Pre-lumirhodopsin a bělení vizuálních pigmentů". Příroda. 197 (30. března): 1279–86. Bibcode:1963Natur.197.1279Y. doi:10.1038 / 1971279a0. PMID  14002749. S2CID  4263392.
  18. ^ Matthews RG, Hubbard R, Brown PK, Wald G (listopad 1963). „Tautomerní formy metarhodopsinu“. The Journal of General Physiology. 47 (2): 215–40. doi:10.1085 / jgp.47.2.215. PMC  2195338. PMID  14080814.
  19. ^ Gulati S, Jastrzebska B, Banerjee S, Placeres ÁL, Miszta P, Gao S, Gunderson K, Tochtrop GP, Filipek S, Katayama K, Kiser PD, Mogi M, Stewart PL, Palczewski K (březen 2017). „Fotocyklické chování rhodopsinu vyvolané atypickým izomerizačním mechanismem“. Sborník Národní akademie věd. 114 (13): E2608-15. doi:10.1073 / pnas.1617446114. PMC  5380078. PMID  28289214.
  20. ^ Nakamichi H, Okada T (červen 2006). "Krystalografická analýza primární vizuální fotochemie". Angewandte Chemie. 45 (26): 4270–3. doi:10.1002 / anie.200600595. PMID  16586416.
  21. ^ Schreiber M, Sugihara M, Okada T, Buss V (červen 2006). "Kvantové mechanické studie na krystalografickém modelu bathorhodopsinu". Angewandte Chemie. 45 (26): 4274–7. doi:10.1002 / anie.200600585. PMID  16729349.
  22. ^ Weingart O (září 2007). "Zkroucená vazba C11 = C12 chromoforu rhodopsinu - fotochemické aktivní místo". Journal of the American Chemical Society. 129 (35): 10618–9. doi:10.1021 / ja071793t. PMID  17691730.
  23. ^ Chabre M, le Maire M (červenec 2005). "Monomerní receptor spojený s G-proteinem jako funkční jednotka". Biochemie. 44 (27): 9395–403. doi:10.1021 / bi050720o. PMID  15996094.
  24. ^ A b C Heck M, Schädel SA, Maretzki D, Bartl FJ, Ritter E, Palczewski K, Hofmann KP (leden 2003). "Signální stavy rhodopsinu. Tvorba skladovací formy, metarhodopsinu III, z aktivního metarhodopsinu II.". The Journal of Biological Chemistry. 278 (5): 3162–9. doi:10,1074 / jbc.M209675200. PMC  1364529. PMID  12427735.
  25. ^ Saliba RS, Munro PM, Luthert PJ, Cheetham ME (červenec 2002). „Buněčný osud mutantního rhodopsinu: kontrola kvality, degradace a tvorba agresivních látek“. Journal of Cell Science. 115 (Pt 14): 2907–18. PMID  12082151.
  26. ^ A b Mendes HF, van der Spuy J, Chapple JP, Cheetham ME (duben 2005). "Mechanismy buněčné smrti u rhodopsin retinitis pigmentosa: důsledky pro terapii". Trendy v molekulární medicíně. 11 (4): 177–85. doi:10.1016 / j.molmed.2005.02.007. PMID  15823756.
  27. ^ A b Bryant DA, Frigaard NU (listopad 2006). "Prokaryotická fotosyntéza a fototrofie osvětlena". Trendy v mikrobiologii. 14 (11): 488–96. doi:10.1016 / j.tim.2006.09.001. PMID  16997562.
  28. ^ Gao SQ, Nagpal J, Schneider MW, Kozjak-Pavlovic V, Nagel G, Gottschalk A (červenec 2015). „Optogenetická manipulace s cGMP v buňkách a zvířatech přísně regulovaným guanylyl-cyklázovým opsinem CyclOp“. Příroda komunikace. 6 (8046): 8046. Bibcode:2015NatCo ... 6.8046G. doi:10.1038 / ncomms9046. PMC  4569695. PMID  26345128.
  29. ^ Scheib U, Stehfest K, Gee CE, Körschen HG, Fudim R, Oertner TG, Hegemann P (srpen 2015). „Rhodopsin-guanylylcykláza vodní houby Blastocladiella emersonii umožňuje rychlou optickou kontrolu signalizace cGMP“. Vědecká signalizace. 8 (389): rs8. doi:10.1126 / scisignal.aab0611. PMID  26268609. S2CID  13140205.
  30. ^ Scheib U, Broser M, Constantin OM, Yang S, Gao S, Mukherjee S a kol. (Květen 2018). „Rhodopsin-cyclases for photocontrol of cGMP / cAMP and 2.3 Å structure of the adenylyl cyclasse domain“. Příroda komunikace. 9 (1): 2046. Bibcode:2018NatCo ... 9.2046S. doi:10.1038 / s41467-018-04428-w. PMC  5967339. PMID  29799525.
  31. ^ „Nadčeleď: Bakteriální fotosystém II, reakční centrum, podjednotky L a M“. SCOP.

Další čtení

externí odkazy