БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2012, том 29, № 1-2, с. 38-50
= ОБЗОРЫ =
УДК 577.354.2
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ЗРИТЕЛЬНОГО ПИГМЕНТА РОДОПСИНА
© 2012 г. М. А. Островский
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва Кафедра молекулярной физиологии биологического факультета Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва; электронная почта: ostrovsky@sky.chph.ras.ru Поступила в редакцию 24.10.2011 г.
Представлен обзор собственных и литературных данных, касающийся ключевых физиологических функций молекулы зрительного пигмента родопсина. Рассматриваются молекулярные механизмы: спектральной настройки зрительных пигментов; фотоизомеризации хромофорной группы родопсина — 11-цис-ретиналя, запускающей процесс фототрансдукции; образования физиологически активного состояния родопсина как О-белок-связывающего рецептора; зрительного цикла родопсина и последствий его нарушения. Зрительный пигмент родопсин выполняет в механизме зрительной рецепции несколько физиологических функций, обеспечивающих спектральную чувствительность фо-торецепторных клеток, процессы фототрансдукции, световой и темновой адаптации. Генетически обусловленные дефекты как самой молекулы зрительного пигмента, так и белков, вовлеченных в механизмы фототрансдукции и адаптации или в механизм зрительного цикла, прямо связаны с патогенезом различных форм дегенеративных заболеваний сетчатки. Понимание молекулярных механизмов этих физиологических процессов в норме открывает путь для направленного исследования патогенеза этого класса глазных заболеваний.
Ключевые слова: зрение, фоторецепция, фототрансдукция, зрительные пигменты, родопсин, спектральная настройка, фотоизомеризация, хромофорная группа родопсина, О-белок-связывающий рецептор, зрительный цикл, фотоповреждение, дегенеративные заболевания сетчатки.
Зрительный пигмент родопсин — классический мембранный белок. С одной стороны, он типичный представитель обширного семейства О-белок-связывающих рецепторов (А класса О-белок-связывающих рецепторов) (см. базу данных ОРСЯЭВ [1]). С другой стороны, родопсин — это типичный представитель семейства светочувствительных ретиналь-содержащих белков. К ре-тиналь-содержащим белкам относятся также сенсорные родопсины, галородопсин и бактериоро-допсин галофильных архебактерий.
ЭВОЛЮЦИЯ
Ретиналь-содержащие белки — одни из самых древних белков биосферы. Бактериородопсин, относящийся к родопсинам 1-го типа и ответственный за бескислородный фотосинтез (фотоэнергетический процесс), возник в клетках-прокариотах около 3.5 млрд лет назад. Зрительный пигмент родопсин, относящийся к родопсинам 2-го типа (О-белок-связывающий рецептор) и ответственный за фоторецепцию (фотоинформационный процесс), появился в клетках-эукариотах многоклеточных организмов около 1 млрд лет назад. Около 600 млн лет назад, с которых начинает-
ся эволюционное древо животного царства, зрительный родопсин становится светочувствительным О-белок-связывающим рецептором в примитивных фоторецепторных биологических структурах, а с периода кембрийского взрыва (около 540—580 млн лет назад) сохраняется как фоторецепторный белок в зрительных клетках разнообразнейших по структуре органах зрения беспозвоночных и позвоночных животных [2].
Поразительными являются консерватизм и совершенство хромофорного центра ретиналь-содержащих белков, сформировавшегося на самых ранних стадиях эволюции биосферы. Хромо-фор-связывающий домен, в котором находится ковалентно связанная с апо-белком опсином хромофорная группа — полностью-транс-ретиналь в случае бактериородопсина и 11-цис-ретиналь (и никакой другой из 16 возможных) в случае зрительного родопсина, обеспечивает уникальную по скорости и эффективности фотохимическую реакцию: фотоизомеризацию ретиналевого хромофора. Она совершается в фемтосекундной шкале времени (1 фс = 10-15 с) и с высоким квантовым выходом (0.7—0.8 для бактериородопсина и 0.65 для зрительного родопсина). Столь не-
обыкновенно высокая скорость и хорошая эффективность реакции обеспечиваются уникальным по совершенству белковым окружением ре-тиналевого хромофора и его взаимодействием с этим окружением. Вероятно, именно поэтому кинетика и эффективность фотоизомеризации хромофора в ретиналь-содержащих белках соизмерима с теоретически рассчитанной скоростью изомеризации ретиналя в газовой фазе (подробнее см. ниже). Иными словами, в тесном белковом окружении изомеризация ретиналя подобна его изомеризации в свободном объеме. Этот феномен свидетельствует об идеальном строении хромофорного центра и эффективнейшем взаимодействии хромофорной группы с ее ближайшим белковым окружением.
СТРУКТУРА ЗРИТЕЛЬНОГО ПИГМЕНТА РОДОПСИНА
Родопсин стал первым мембранным белком животного происхождения, двухмерная [3, 4] и трехмерная [5] структура которого были определены.
В молекуле родопсина можно выделить внут-римембранный гидрофобный домен, образованный семью а-спиральными "тяжами", собранными в пучок и пересекающими фоторецепторную мембрану, и два гидрофильных, расположенных по обе стороны мембраны, — цитоплазматический и внутридисковый.
Зрительный пигмент родопсин является классическим О-белок-связывающим рецептором. Строение обширного класса О-белок-связываю-щих рецепторов подобно структуре родопсина.
Наиболее консервативным доменом ретиналь-содержащих белков, как уже говорилось, является хромофорный центр, в котором расположена ковалентно связанная с белком хромофорная группа. Важность белкового окружения в формировании энергетически невыгодной (непланар-ной, искаженной, скрученной) конформации 11-цис-ретиналя как хромофорной группы в молекуле зрительного родопсина не вызывает сомнений (см. обзор [6]). Используя методы молекулярной динамики, нами была продемонстрирована взаимная "подстройка" 11-цис-ретиналя и его ближайшего белкового окружения [7—9].
Изменение пространственной конфигурации 11-цис-ретиналя, в частности поворот Р-иононо-вого кольца вокруг С6-С7-связи примерно на 60° относительно начальной конфигурации, наблюдалось уже через 300—400 пикосекунд после начала моделирования [5, 10]. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными, согласно которым Р-иононовое кольцо в темновом родопсине повернуто примерно на 50—65° относительно
плоскости планарной структуры свободного 11-цис-ретиналя [11, 12].
Пространственная конфигурация 11-цис-ре-тиналя, доставляемого в хромофорный центр оп-сина ретиналь-переносящим белком, скорее всего, отлична от его конфигурации как хромофорной группы в темновом родопсине. Иными словами, окружающие хромофор аминокислотные остатки "помогают" или "заставляют" 11-цис-ретиналь принимать ту энергетически невыгодную пространственную конфигурацию, которая обеспечивает состояние повышенной готовности хромофорной группы для инициации фотохимической реакции изомеризации и которая стабилизирует родопсин как G-белок-связываю-щий рецептор в его темновом, физиологически неактивном состоянии
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ РОДОПСИНА
В механизмах фоторецепции молекула родопсина выполняет несколько ключевых физиологических функций, которые в основном определяются взаимодействием хромофорной группы с белковым окружением.
Во-первых, это функция спектральной настройки зрительных пигментов. Зрительные пигменты способны поглощать свет от ультрафиолетовой до красной области спектра — от 360 до 620 нм. Спектральная настройка обеспечивает возможность цветовосприятия.
Во-вторых, это инициация собственно зрительного акта — процесса фототрансдукции.
В-третьих, это важнейшая роль хромофорной группы поддерживать в темноте родопсин как G-белок-связывающий рецептор в неактивном состоянии (11-цис-ретиналь выступает как лиганд-антагонист, inverse agonist), а после поглощения света, напротив, поддерживать родопсин, точнее его сравнительно долгоживущий продукт метаро-допсин II, в физиологически активном состоянии (в метародопсине II полностью-транс-ретиналь выступает в как мощный лиганд-агонист). В результате обеспечиваются как состояние темновой адаптации фоторецепторной клетки, когда взаимодействие родопсина с G-белком трансдуцином практически невозможно (подавление темнового "шума"), так и запуск процесса фототрансдук-ции, благодаря максимально эффективному взаимодействию физиологически активированного родопсина с трансдуцином.
Наконец, в-четвертых, — это патогенетическая роль молекулы зрительного пигмента. Более ста мутаций самого родопсина или нарушения многокомпонентного зрительного цикла родопсина связаны с различными формами дегенерации сетчатки. В частности, одно из таких нарушений
зрительного цикла, приводящее к накоплению в фоторецепторной мембране свободного полно-стью-транс-ретиналя, высвободившегося из оп-сина на последней стадии фотолиза, приводит как к потенциальной опасности фотоповреждения сетчатки и ретинального пигментного эпителия, так и к опасности развития дегенеративных заболеваний сетчатки, в том числе болезни Штар-гардта, возрастной макулярной дегенерации и ряда других форм абиотрофий сетчатки.
Спектральная настройка зрительных пигментов
Спектральная настройка возможна в двух временных шкалах: длительной эволюционной и сравнительно краткосрочной адаптационной (физиологической). Эволюционная настройка обеспечивается аминокислотными заменами в хромофорном центре опсина вокруг хромофорной группы — 11-цис-ретиналя или 11-цис-де-гидроретиналя. Адаптационная настройка — сезонная или зависящая от световой среды обитания — определяется заменой хромофорной группы — 11-цис-ретиналя (ретиналь1 — альдегид витамина А1) на 11-цис-дегидроретиналь (рети-наль2 — альдегид витамина А2) и обратно (см. обзоры [13—15]).
Примером такой настройки, зависящей от световой среды обитания, может служить зрительный пигмент двух популяций финских креветок Mysis relicta — морской и озерной, разделившихся в конце ледникового периода (около 9000 лет назад), обитающих при разных условиях освещения и заметно различающихся по световой и спектральной чувствительности. Как нами показано, максимумы поглощения родопсина у этих креветок различаются: 530 нм у морской, живущей при относительно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.