Родопсин и его структурно-функциональные свойства

К числу наиболее важных интегральных молекул трансмембранных рецепторных G белков, связанных с мембраной дисков, относится родопсин [3]. Он представляет собой фоторецепторный хромофорный белок палочек, который поглощает фотон и создает ответ, составляющий первую стадию в цепи событий, обеспечивающих зрение. Родопсин состоит из двух компонентов — бесцветного белка опсина, функционирующим как фермент и ковалентно связанного хромофорного компонента — производного витамина А, 11-цис-ретиналя, акцептирующего свет (рис. 2). Поглощение фотона света 11-цис-ретиналем «включает» ферментативную активность опсина и приводит в действие биохимический каскад фоточувствительных реакций, ответственных за зрительное восприятие.

Рис. 2 Конфигурация светочувствительного хромофора родопсина в основной (невозбужденной) фазе (выделена 11-цис-конфигурация при двойной связи)

Родопсин принадлежит к семейству G-рецепторов (GPCR-рецепторов), ответственных за механизм трансмембранной передачи сигнала, основанный на взаимодействии с внутриклеточными мембранными G-белками — сигнальными G-белками, являющимися универсальными посредниками при передаче гормональных сигналов от рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам, вызывающим конечный клеточный ответ. Установление его пространственной структуры является важным в биологии и медицине, так как родопсин как «родоначальник» семейства GPCR-рецепторов является «моделью» структуры и функций множества других рецепторов, чрезвычайно важных с научно-фундаментальной и практической (фармакологической) точек зрения.

Пространственная структура родопсина долго не поддавалась изучению «прямыми» методами — рентгеноструктурным анализом и спектроскопией ЯМР, в то время как молекулярная структура другого родственного родопсину трансмембранного белка бактериородопсина [4] с аналогичной структурой, выполняющего функции АТФ-зависимой транслоказы в мембранах клеток галофильных микроорганизмов, перекачивающему протоны через цитоплазматическую мембрану клетки и участвующему в анаэробном фотосинтетическом фосфорилировании (бесхлорофилльном синтезе), была определена еще в 1990;м году. Структура зрительного родопсина оставалась неизвестной вплоть до 2003 года [5].

По своему строению молекула опсина представляет собой полипептидную цепь из 348 остатков аминокислот. Аминокислотная последовательность опсина была определена российскими учеными в лаборатории Ю. А. Овчинникова в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина в Москве [6]. В этих исследованиях получена важная информация о трехмерной структуре этого важного белка, пронизывающего мембрану диска. Полипептидная цепь опсина образует семь трансмембранных участков б-спирали, расположенные поперек мембраны и соединенные между собой короткими неспиральными участками. При этомN-конец находится во внеклеточной области, а C-конец б-спирали — в цитоплазматической. С одной из б-спиралей связана молекула 11-цис-ретиналя, расположенная вблизи от середины мембраны так, что ее длинная ось параллельна поверхности мембраны (рис. 3). Также было установлено место локализации 11-цис-ретиналя, связанного альдиминной связью с е-аминогруппой остатка Lys-296, расположенного в седьмой б-спирали. Таким образом, 11-цис-ретиналь вмонтирован в центр сложного, высокоорганизованного белкового окружения в составе клеточной мембраны палочек. Это окружение обеспечивает фотохимическую «подстройку» ретиналя, влияя на спектр его поглощения. Сам по себе свободный 11-цис-ретиналь в растворенном виде имеет максимум поглощения в ультрафиолетовой области спектра — при длине волны 380 нм, в то время как родопсин поглощает зеленый свет при 500 нм [7]. Этот сдвиг в световых длинах волн важен с функциональной точки зрения: благодаря ему спектр поглощения родопсина приводится в соответствие со спектром света, попадающего в глаз.

Спектр поглощения родопсина определяется как свойствами хромофора — остатка 11-цис-ретиналя, так и опсина. Этот спектр у позвоночных имеет два максимума — один в ультрафиолетовой области (278 нм), обусловленный опсином, и другой — в видимой области (около 500 нм) — поглощение хромофора (рис. 4). Превращение при действии света зрительного пигмента до конечного стабильного продукта состоит из ряда очень быстрых промежуточных стадий. Исследуя спектры поглощения промежуточных продуктов в экстрактах родопсина при низких температурах, при которых эти продукты стабильны, удалось подробно описать весь фотопроцесс обесцвечивания зрительного пигмента [8].

Рис. 4 Спектр поглощения родопсина лягушки Rana temporaria в водном экстракте [8]. Видны два максимума поглощения в видимой (500 нм.) и ультрафиолетовой (280 нм.) области. 1 — родопсин (восстановленный пигмент); 2 — индикатор жёлтый (обесцвеченный пигмент). По оси абсцисс — длина волны (л); по оси ординат — оптическая плотность (D)

При поглощении молекулой 11-цис-ретиналя фотона света его молекула изомеризуется в 11-all-транс-ретиналь (квантовый выход 0,67), а сам родопсин обесцвечивается (фотолиз). При этом происходит вращение вокруг связи между 11-м и 12-м атомами углерода молекулы 11-цис-ретиналя, в результате чего изменяется геометрия молекулы и образуется изомерная форма — all-транс-ретиналь без изгиба, а спустя 10 мс происходит аллостерический переход родопсина в его активную форму (рис. 5). Энергия поглощенного фотона света распрямляет изгиб цепи между 11-м и 12-м атомами углерода. В этой форме 11-цис-ретиналь существует в темноте. У позвоночных фотолиз родопсина заканчивается отрывом хромофора от опсина; у беспозвоночных хромофор остается связанным с белком на всех стадиях фотолиза. У позвоночных родопсин регенерируется обычно в результате взаимодействия опсина с 11-цис-ретиналем, у беспозвоночных — при поглощении второго фотона света.

Рис. 5 Изомеризация молекулы 11-цис-ретиналя в 11-аll-трас-ретиналь в результате поглощения фотона света

Молекула родопсина, встроенная в мембрану палочек, очень чувствительна к световому воздействию (рис. 6). Установлено, что поглощение фотона света молекулой в половине случаев вызывает изомеризацию 11-цис-ретиналя [9]. Спонтанная изомеризация молекулы ретиналя в темноте происходит очень редко — приблизительно раз в 1000 лет. Такое различие имеет важное следствие для зрения. Когда один фотон попадает на сетчатку глаза, поглотившая его молекула родопсина реагирует с ним с высокой эффективностью, в то время как миллионы других молекул родопсина в сетчатке глаза остаются «молчащими».

Рис. 6 Функционирование родопсина в мембране 11-цис-ретиналь (красный) присоединен к одной из альфа-спиралей спиралей родопсина вблизи мембраны. Поглощение фотона света 11-цис-ретиналем приводит к изменению его конфигурации и активации родопсина. Эта модель структуры родопсина предложена американскими учёными Э. Драцем и П. Харгрэйвом

Последующие циклы фотохимического превращения родопсина и его активации приводят к возбуждению зрительного нерва за счет изменения ионного транспорта в фоторецепторе. Впоследствии родопсин восстанавливается (регенерирует) в результате синтеза 11-цис-ретиналя и опсина или в процессе синтеза новых дисков наружного слоя сетчатки.