Введение
Семейство трансмембранных белков
Протеордопсин (также известный как pRhodopsin) – это семейство трансмембранных белков, использующих ретиналь в качестве хромофора для обеспечения светозависимой функциональности, в данном случае – работы протонного насоса. Протеордопсин встречается в морских планктонных бактериях, археях и эукариотах (протеях), но впервые был обнаружен у бактерий. Его название происходит от протеобактерий (ныне называемых Pseudomonadota), названных в честь древнегреческого Πρωτεύς (Протеус), бога моря, упоминаемого Гомером как «Старик моря», Ῥόδος (rhódon) – «роза», из-за его розоватого цвета, и ὄψις (opsis) – «зрение». Некоторые представители семейства, гомологичные родопсиноподобные пигменты, то есть бактериородопсины (существует более 800 их типов), обладают сенсорными функциями, подобно опсинам, являющимся неотъемлемой частью визуальной фототрансдукции. Многие из этих сенсорных функций остаются неизвестными, например, функция нейропсина в сетчатке человека. У представителей семейства известны различные спектры поглощения, включая зеленый и синий видимый свет.
История
Протеордопсин (PR или пРодопсин) был впервые обнаружен в 2000 году в бактериальной искусственной хромосоме морских гаммапротеобактерий, которые ранее не удавалось культивировать и которые до сих пор идентифицируются только по данным метагеномного риботипирования, SAR86. Обнаружено, что белок экспрессируется у большего числа видов гаммапротеобактерий, как грамположительных, так и грамотрицательных. В дальнейшем гены вариантов протеордопсина были выявлены в образцах из Средиземного моря, Красного моря, Саргассового моря, Японского моря и Северного моря.
Таксономия
Протеорходопсин принадлежит к семейству схожих ретинилиденовых белков, наиболее близких к своим археальным гомологам – галородопсину и бактериородопсину. Сенсорный родопсин был открыт Францем Кристианом Боллом в 1876 году. Бактериородопсин был обнаружен в 1971 году и назван в 1973 году, и в настоящее время известно, что он встречается только у архей, но не у бактерий. Галородопсин был впервые обнаружен и назван в 1977 году. Бактериородопсин и галородопсин встречаются исключительно у архей, в то время как протеорходопсин представлен у бактерий, архей и эукариот. Протеорходопсин содержит семь трансмембранных α-спиралей, к которым ретиналь ковалентно связана посредством механизма образования основания Шиффа к лизиновому остатку в седьмой спирали (спирали G). Бактериородопсин, подобно протеорходопсину, является светозависимым протонным насосом. Сенсорный родопсин – это G-белок, участвующий в зрении.
Лиганд
Семейство родопсиновых галопротеинов имеет общим лигандом ретиналь, один из многих типов витамина А. Ретиналь – это конъюгированный полиненасыщенный хромофор (полиен), получаемый из рациона, богатого мясом, или посредством каротинового пути (β-каротин 15,15'-монооксигеназа).
Функция
Протеорходопсин функционирует во всех океанах Земли как световой насос H+, посредством механизма, аналогичного бактериоредопсину. Как и в бактериоредопсине, ретинальный хромофор протеорходопсина ковалентно связан с апопротеином через протонированную основу Шиффа в Lys231. Конфигурация ретинального хромофора в непрореагировавшем протеорходопсине преимущественно все-транс. Полные фотосистемы на основе протеорходопсина были обнаружены и экспрессированы в E. coli, обеспечивая им дополнительную способность создавать энергетический градиент под действием света для генерации АТФ без внешней необходимости в ретинале или его предшественниках; вместе с геном PR, пять других генов кодируют белки, участвующие в биосинтетическом пути фотопигмента.
Генетическая инженерия
Если ген протеордопсина встраивается в E. coli и этим модифицированным бактериям предоставляется ретиналь, то они будут включать пигмент в свою клеточную мембрану и перекачивать H+ в присутствии света. Насыщенный пурпурный цвет свидетельствует о четко трансформированных колониях из-за поглощения света. Протонные градиенты могут использоваться для обеспечения работы других мембранных белковых структур или для подкисления органелл везикулярного типа. Было также показано, что протонный градиент, создаваемый протеордопсином, может быть использован для синтеза АТФ.