Retinylidenprotein
Retinylidenproteiner , eller rhodopin i bred bemärkelse , är proteiner som använder retinal som en kromofor för ljusmottagning . De är den molekylära basen för en mängd olika ljusavkännande system från fototaxi hos flagellater till syn hos djur . Retinylidenproteiner inkluderar alla former av opsin och rhodopsin (i vid bemärkelse). Medan rhodopsin i snäv bemärkelse hänvisar till ett svagt ljust visuellt pigment som finns i ryggradsdjur, vanligtvis på stavceller, hänvisar rhodopsin i bred bemärkelse (som används här) till vilken molekyl som helst som består av ett opsin och en retinal kromofor i grundtillståndet. När den aktiveras av ljus, isomeriseras kromoforen, vid vilken punkt molekylen som helhet inte längre är rhodopsin, utan en besläktad molekyl såsom metarhodopsin. Det förblir dock ett retinylidenprotein. Kromoforen separeras sedan från opsinet, vid vilken punkt det nakna opsinet är ett retinylidenprotein. Således förblir molekylen ett retinylidenprotein under hela fototransduktionscykeln .
Strukturera
Alla rhodopsiner består av två byggstenar, en proteindel och en reversibelt kovalent bunden icke-proteinkofaktor , retinal ( retinaldehyd). Proteinstrukturen hos rhodopsin består av ett knippe av sju transmembranspiraler som bildar en inre ficka som binder den fotoreaktiva kromoforen. De bildar en superfamilj med andra membranbundna receptorer som innehåller sju transmembrandomäner, till exempel lukt- och kemokinreceptorer .
Mekanism för ljusmottagning
Istället för att aktiveras genom att binda kemiska ligander som deras släktingar, innehåller rhodopsiner retinal som ändrar konformation i reaktion mot ljus via fotoisomerisering och därmed aktiveras av ljus. Näthinnemolekylen kan anta flera olika cis-trans isomera former, såsom all- trans , 11- cis och 13- cis . Fotoisomerisering ( ljusberoende isomerisering ) av retinal från cis till trans eller vice versa inducerar en konformationsförändring i receptorproteinet . Denna förändring fungerar som en molekylär omkopplare för att aktivera en signaltransduktionsmekanism i cellen. Beroende på typen av rhodopsin öppnar det antingen en jonkanal (till exempel i bakterier) eller aktiverar ett associerat G-protein och utlöser en andra budbärarkaskad (till exempel i djurögon).
Typer av rhodopsiner
Retinylidenproteiner eller rhodopsiner finns i många arter från bakterier till alger och djur. De kan delas in i två distinkta typer baserat på deras sekvens såväl som den retinala isomeren de innehåller vid grundtillståndet och deras signaltransduktionsmekanismer.
Mikrobiella rhodopsiner
Liksom djurrhodopsiner innehåller mikrobiella rhodopsiner (som finns i prokaryoter och alger) en retinal kromofor och har sju transmembrana alfaspiraler ; dock är de inte kopplade till ett G-protein. Den retinala kromoforen skiljer sig från djurets 11- cis -form och är en helt transretinal isomer vid grundtillståndet, som isomeriserar till 13- cis vid ljusaktivering; kromoforen är också känd som kromofor av mikrobiell typ. Exempel är bakteriella sensoriska rhodopsiner, kanalrodopsiner , bakteriohodopsiner , halorhodopsiner , proteorhodopsiner , arkaerhodopsiner , heliorhodopsiner och xantorhodopsiner för att utföra fototrofi .
De fungerar som ljusstyrda jonkanaler och kan särskiljas ytterligare genom vilken typ av jon de kanaliserar. Bacteriorhodopsin fungerar som en protonpump , medan halorhodopsin fungerar som en kloridpump. Deras funktioner sträcker sig från bakteriell fotosyntes (bakteriohodopsin) till att driva fototaxi (kanalrodopsiner i flagellater ). Signaltransduktion i fototaxi involverar depolarisering av cellmembranet.
Encelliga flagellatalger innehåller kanalrodopsiner som fungerar som ljusstyrda katjonkanaler när de uttrycks i heterologa system. Många andra pro- och eukaryota organismer (särskilt svampar såsom Neurospora ) uttrycker rhodopsinjonpumpar eller sensoriska rhodopsiner med ännu okänd funktion. Mycket nyligen har mikrobiella rhodopsiner med guanylylcyklasaktivitet upptäckts. Även om alla mikrobiella rhodopsiner har signifikant sekvenshomologi med varandra, har de ingen detekterbar sekvenshomologi med familjen G-proteinkopplade receptorer ( GPCR) till vilken animaliska visuella rhodopsiner hör. Ändå är mikrobiella rhodopsiner och GPCR möjligen evolutionärt relaterade, baserat på likheten mellan deras tredimensionella strukturer. Därför har de tilldelats samma superfamilj i Structural Classification of Proteins (SCOP).
G-proteinkopplade receptorer
Djurrikets retinylidenproteiner kallas också opsiner . Ryggradsdjur innehåller fem underfamiljer av (rhod)opsiner och leddjur tre underfamiljer. Opsiner tillhör klassen av G-proteinkopplade receptorer och binder en 11- cis -isomer av retinal i grundtillståndet som fotoisomeriserar till en all- trans retinal vid ljusaktivering. De finns vanligtvis i de ljuskännande organen, till exempel i fotoreceptorcellerna på ryggradsnäthinnan där de underlättar synen. Djuropsiner kan också hittas i huden på amfibier, tallkottkörtlarna hos ödlor och fåglar, paddornas hypotalamus och den mänskliga hjärnan . De kan kategoriseras i flera distinkta klasser inklusive:
- visuella funktioner (klassisk rhodopsin och släktingar),
- melanopsiner
- peropsins
- neuropsiner
- encefalopsiner
Visuell uppfattning
Det "visuella lila" rhodopsinet (opsin-2) i stavcellerna i ryggradsnäthinnan absorberar grönblått ljus. Fotopsinerna i näthinnans konceller skiljer sig åt i ett fåtal aminosyror vilket resulterar i en förskjutning av deras ljusabsorptionsspektra . De tre mänskliga fotopsinerna absorberar gulgrönt (photopsin I), grönt (photopsin II) och blåviolett (photopsin III) ljus och är grunden för färgseende, medan den mer ljuskänsliga "visuella lila" är ansvarig för monokromatisk syn i mörker. Ljussignaltransduktion involverar en enzymkaskad av G-proteiner ( transducin ), cGMP-fosfodiesteras, stängning av en katjonkanal och slutligen hyperpolarisering av den visuella fotoreceptorcellen .
De visuella rhodopsinerna hos leddjur och blötdjur skiljer sig från ryggradsdjursproteinerna i deras signaltransduktionskaskad som involverar G-proteiner, fosfolipas C och slutligen depolarisering av den visuella fotoreceptorcellen.
Andra
Andra opsiner som finns hos människor inkluderar encefalopsin (eller panopsin, opsin-3), melanopsin (opsin-4), neuropsin (opsin-5) och peropsin. Melanopsin är involverat i ljusindragningen av dygnsklockan hos ryggradsdjur. Encefalopsiner och neuropsiner är mycket uttryckta i nervceller och hjärnvävnad, men än så länge är deras funktion okänd. Peropsin binder all- trans retinal (kromofor av mikrobiell typ) och kan fungera som ett fotoisomeras för att återföra retinal till den 11- cis -isomerform som behövs för visuell perception.
Se även
- ^ a b Spudich, John L.; Yang, Chii-Shen; Jung, Kwang-Hwan; Spudich, Elena N. (november 2000). "Retinylidenproteiner: strukturer och funktioner från Archaea till människor". Årlig översyn av cell- och utvecklingsbiologi . 16 (1): 365–392. doi : 10.1146/annurev.cellbio.16.1.365 . PMID 11031241 .
- ^ Mason, Peggy (26 maj 2011). Medicinsk neurobiologi . OUP USA. sid. 375. ISBN 978-0-19-533997-0 . Hämtad 21 september 2015 .
- ^ Hara, Toshiaki J.; Zielinski, Barbara (17 oktober 2006). Fish Physiology: Sensory Systems Neuroscience: Sensory Systems Neuroscience . Akademisk press. sid. 183. ISBN 978-0-08-046961-4 . Hämtad 21 september 2015 .
- ^ Tsukamoto, T.; Inoue, K.; Kandori, H.; Sudo, Y. (2013). "Termisk och spektroskopisk karaktärisering av en protonpumpande Rhodopsin från en extrem termofil" . Journal of Biological Chemistry . 288 (30): 21581–21592. doi : 10.1074/jbc.M113.479394 . ISSN 0021-9258 . PMC 3724618 . PMID 23740255 .
- ^ Sakmar T (2002). "Struktur av rhodopsin och superfamiljen av sju-helix-receptorer: samma och inte samma". Curr Opin Cell Biol . 14 (2): 189–95. doi : 10.1016/S0955-0674(02)00306-X . PMID 11891118 .
- ^ a b Bryant DA, Frigaard NU (november 2006). "Prokaryotisk fotosyntes och fototrofi belyst". Trender inom mikrobiologi . 14 (11): 488–496. doi : 10.1016/j.tim.2006.09.001 . PMID 16997562 .
- ^ Nagel G, Szellas T, Kateriya S, Adeishvili N, Hegemann P, Bamberg E (2005). "Channelrhodopsins: direkt ljusstyrda katjonkanaler". Biochem Soc Trans . 33 (Pt 4): 863–6. doi : 10.1042/BST0330863 . PMID 16042615 .
- ^ Gao S, Nagpal J, Schneider MW, Kozjak-Pavlovic V, Nagel G, Gottschalk A (september 2015). "Optogenetisk manipulation av cGMP i celler och djur av det hårt ljusreglerade guanylyl-cyklas-opsinet CyclOp" . Naturkommunikation . 6 (8046): 8046. Bibcode : 2015NatCo...6.8046G . doi : 10.1038/ncomms9046 . PMC 4569695 . PMID 26345128 .
- ^ Scheib U, Stehfest K, Gee CE, Körschen HG, Fudim R, Oertner TG, Hegemann P (augusti 2015). "Rhodopsin-guanylylcyklaset från vattensvampen Blastocladiella emersonii möjliggör snabb optisk kontroll av cGMP-signalering" . Vetenskapssignalering . 8 (389): rs8. doi : 10.1126/scisignal.aab0611 . PMID 26268609 . S2CID 13140205 .
- ^ Scheib U, Broser M, Constantin OM, Yang S, Gao S, Mukherjee S, et al. (maj 2018). "Rhodopsin-cyklaser för fotokontroll av cGMP/cAMP och 2,3 Å struktur av adenylylcyklasdomänen" . Naturkommunikation . 9 (1): 2046. Bibcode : 2018NatCo...9.2046S . doi : 10.1038/s41467-018-04428-w . PMC 5967339 . PMID 29799525 .
- ^ "Superfamilj: Bakteriellt fotosystem II reaktionscentrum, L- och M-subenheter" . SCOP .
- ^ G-protein-kopplad receptordatabas
- ^ a b c Terakita A (2005). "The opsins" . Genome Biol . 6 (3): 213. doi : 10.1186/gb-2005-6-3-213 . PMC 1088937 . PMID 15774036 .