Введение

Светочувствительный рецепторный белок, визуальный родопсин позвоночных клеток-стержней.

Родопсин, также известный как зрительный пурпур, – это белок, кодируемый геном RHO, и рецептор, сопряженный с G-белком (GPCR). Он является опсином клеток-стержней сетчатки и светочувствительным рецепторным белком, запускающим визуальную фототрансдукцию в стержнях. Родопсин обеспечивает зрение в условиях низкой освещенности и, следовательно, чрезвычайно чувствителен к свету. При воздействии света родопсин немедленно отбеливается. У человека он полностью восстанавливается примерно через 30 минут, после чего стержни становятся более чувствительными. Дефекты гена родопсина вызывают заболевания глаз, такие как пигментный ретинит и врожденная стационарная ночная слепота.

Имена

Родопсин был открыт Францем Кристианом Боллом в 1876 году. Название «родопсин» происходит от древнегреческого ῥόδον («роза») из-за его розоватого цвета и ὄψις («зрение»). Оно было предложено в 1878 году немецким физиологом Вильгельмом Фридрихом Кюне (1837–1900). Когда Джордж Уолд обнаружил, что родопсин является голопротеином, состоящим из ретиналя и апопротеина, он назвал его опсином, который сегодня точнее было бы описать как апородопсин. В настоящее время термин «опсин» относится к более широкому классу G-белок-связанных рецепторов, которые связывают ретиналь и в результате становятся светочувствительными фоторецепторами, включая все близкородственные белки. efn|Hofmann and Lamb

Общий

Родопсин — это белок, содержащийся в дисках наружных сегментов палочковых клеток. Он опосредует скотопическое зрение, то есть монохроматическое зрение в условиях низкой освещенности. Родопсин наиболее эффективно поглощает сине-зеленый свет (~500 нм) и поэтому имеет красновато-фиолетовый цвет, отсюда и устаревшее название «зрительный пурпур». Несколько тесно связанных опсинов различаются лишь несколькими аминокислотами и длиной волны света, которую они поглощают наиболее сильно. У человека, включая родопсин, насчитывается девять опсинов, а также криптохром (чувствительный к свету, но не являющийся опсином).

Структура

Родопсин, как и другие опсины, является рецептором, сопряженным с G-белком (GPCR). GPCR – это химиорецепторы, встроенные в липидный бислой клеточных мембран, имеющие семь трансмембранных доменов, формирующих связывающий карман для лиганда. Лиганд родопсина – хромофор 11-цис-ретинал на основе витамина А, который расположен горизонтально к клеточной мембране и ковалентно связан с лизиновым остатком (Lys296) в седьмом трансмембранном домене. Однако 11-цис-ретинал лишь блокирует связывающий карман и не активирует родопсин. Активация происходит только при поглощении 11-цис-ретиналом фотона света и его изомеризации в транс-ретинал – форму, активирующую рецептор, – что вызывает конформационные изменения в родопсине (обесцвечивание). Таким образом, химиорецептор превращается в световой или фоторецептор. Лизин, связывающий сетчатку, консервативен почти во всех опсинах, лишь немногие опсины утратили его в ходе эволюции, включая родопсин. Некоторые из этих мутаций делают родопсин конститутивно (постоянно) активным даже без света. Также родопсин дикого типа проявляет конститутивную активность, если с ним не связан 11-цис-ретинал, но в гораздо меньшей степени. Следовательно, 11-цис-ретинал является обратным агонистом. Такие мутации являются одной из причин аутосомно-доминантной пигментной ретинопатии. Родопсин крупного рогатого скота состоит из 348 аминокислот, лизин, связывающий сетчатку, – это Lys296. Это был первый опсин, последовательность аминокислот и трехмерная структура которого были определены. Несколько моделей (например, механизм педали велосипеда, механизм «хула-хуп») пытаются объяснить, как группа ретинала может изменять свою конформацию, не сталкиваясь с окружающим белковым карманом родопсина. Недавние данные подтверждают, что родопсин является функциональным мономером, а не димером, который на протяжении многих лет считался парадигмой для GPCR. В своей нативной мембране родопсин находится в высокой плотности, что облегчает его способность захватывать фотоны. Из-за плотной упаковки в мембране возрастает вероятность взаимодействия родопсина с другими белками. Однако высокая плотность также является недостатком в отношении G-белковой сигнализации, поскольку диффузия затруднена в переполненной мембране, насыщенной рецептором родопсином.

Фототрансдукция

Родопсин — необходимый G-белок-связанный рецептор в фототрансдукции.

Активация

В родопсине альдегидная группа ретиналя ковалентно связана с аминогруппой лизинового остатка в белке посредством протонированного основания Шиффа (NH+=CH). Динамика фотоизомеризации впоследствии исследовалась с использованием инфракрасной спектроскопии с временным разрешением и УФ/Вид спектроскопии. Первый фотопродукт, называемый фоторходопсином, формируется в течение 200 фемтосекунд после облучения, за которым в течение пикосекунд следует второй – баторходопсин, с искаженными все-транс связями. Этот промежуточный продукт может быть зафиксирован и изучен при криогенных температурах и изначально назывался прелюмиродопсином. В последующих промежуточных продуктах – люмиродопсине и метародопсине I – связь основания Шиффа со все-транс-ретиналем остается протонированной, а белок сохраняет красноватый цвет. Критическое изменение, инициирующее возбуждение нейрона, заключается в превращении метародопсина I в метародопсин II, что связано с депротонированием основания Шиффа и изменением цвета с красного на желтый.

Каскад фототрансдукции

Продукт активации светом, метародопсин II, инициирует визуальный путь фототрансдукции, стимулируя G-белок трансдуцин (Gt), что приводит к высвобождению его α-субъединицы. Эта субъединица, связанная с ГТФ, в свою очередь активирует цГМФ-фосфодиэстеразу. цГМФ-фосфодиэстераза гидролизует (расщепляет) цГМФ, снижая его локальную концентрацию, в результате чего он больше не может активировать цГМФ-зависимые катионные каналы. Это приводит к гиперполяризации фоторецепторных клеток, изменяя скорость высвобождения ими нейромедиаторов. Для продолжения фототрансдукции пигмент родопсин должен быть регенерирован. Это означает замену всего транс-ретиналя на 11-цис-ретиналь, и распад метародопсина II имеет решающее значение в этом процессе. Во время распада метародопсина II гидролизуется связь Шиффа, которая обычно удерживает транс-ретиналь и апопротеин опсин (апородопсин), и образуется метародопсин III. В наружном сегменте палочки метародопсин III распадается на отдельные молекулы транс-ретиналя и опсина. Другие мутации в родопсине приводят к X-сцепленной врожденной стационарной ночной слепоте, главным образом из-за конститутивной активации, когда мутации возникают в области связывания хромофора родопсина. Было обнаружено несколько других патологических состояний, связанных с родопсином, включая нарушение пост-Гольги транспорта, нерегулируемую активацию, нестабильность наружного сегмента палочки и нарушение связывания с аррестином.