биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Как кальмары реагируют на поляризованный свет?

[2 июля, 2008 г.]

В основе зрения лежат светочувствительные белки-пигменты, содержащие изомеризующийся под действием света кофактор. У животных реакция на свет (включая зрение) обусловлена трансмембранными фоторецепторами опсинами, принадлежащими к классу G-белок сопряжённых рецепторов, активация которых запускает внутриклеточный биохимический каскад. До сих пор единственным опсином с известной структурой был родопсин, содержащийся в сетчатке быка. Теперь же японские учёные получили структуру родопсина кальмара, раскрыв детали его строения и взаимодействия со своим G-белком (Gq), а также возможный механизм восприятия поляризованного света этими животными.

Многие беспозвоночные обладают хорошим зрением — головоногие моллюски, например, являясь завзятыми хищниками, при охоте полагаются практически исключительно на зрение. Сетчатка глаза кальмара содержит фоторецептор родопсин, который, хотя и отличается по строению и свойствам от своего «позвоночного» аналога (см. «Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет» [1]), также принадлежит к семейству рецепторов, действие которых связано с активацией G-белков (GPCR, от англ. G-protein-coupled receptors). Родопсин из сетчатки быка [1] стал первым представителем этого класса, для которого была экспериментально получена пространственная структура (хотя до того уже была информация о строении других фоторецепторов — например, бактериородопсина), и лишь совсем недавно семейство GPCR-рецепторов пополнилось новыми структурными данными, полученными для β1- [2] и β2-адренорецепторов [3] (см. «Новый рубеж: получена пространственная структура β2-адренорецептора»). Теперь же японским исследователям удалось получить новую структуру фоторецептора, принадлежащего к семейству GPCR, — родопсина, полученного из сетчатки тихоокеанского кальмара (Todarodes pacificus) [4].

Функциональной основой родопсина является светочувствительный кофактор ретиналь, ковалентно присоединённый к эволюционно консервативному остатку лизина в седьмой трансмембранной спирали белка-опсина. Химическая связь между атомом углерода альдегидной группы ретиналя и атомом азота аминогруппы боковой цепи лизина называется шиффовым основанием, и для стабилизации положительного заряда протонированного азота в составе этой связи требуется отрицательно заряженный противоион (остаток глутаминовой или аспарагиновой кислот в опсине). Ретиналь, одна из двойных связей в составе полиеновой цепочки которого при поглощении кванта света претерпевает переход цистранс, «заставляет» весь белок изменить конформацию, в результате чего становится возможным взаимодействие с G-белком и запускается сигнальный каскад (подробнее см. в [1]).

Родопсин располагается в плазматической мембране клеток-фоторецепторов. Под действием кванта света кофактор ретиналь меняет конформацию, и весь белок претерпевает перестройку, приводящую к запуску биохимического каскада с участием тримéрного G-белка, ассоциированного с внутренней стороной мембраны. Для позвоночных это — трансдуцин (Gt), α-субъединица которого, диссоциировав из состава тримéра, запускает фосфодиэстеразу цГМФ, что в конечном счёте приводит к закрыванию катионных каналов. У беспозвоночных аналогичным целям служит α-субъединица Gq-белкá, активирующая фосфолипазу C и приводящая к открыванию кальциевых каналов.

Другими словами, родопсин кальмара стал первым белком семейства GPCR с известной структурой, действие которого связано с активацией именно Gq-белкá [4]. Важность этой работы подтверждается тем, что рецепторы многих гормонов и нейротрансмиттеров (включая вазопрессин, окситоцин, серотонин и ацетилхолин) действуют именно через Gq. Многие лекарства, такие как антигистаминовые препараты и антагонисты ангиотензина, также действуют через Gq-сопряжённые рецепторы.

Строение родопсина кальмара [4]. Основная структурная особенность (как и для других рецепторов семейства GPCR) — семь трансмембранных α-спиралей, собранных в «пучок» так, чтобы N-конец белкá находился вне клетки, а C-конец — в цитоплазме. Из этих спиралей V и VI существенно выступают в цитоплазму (по сравнению с бычьим родопсином), а «дополнительная» спираль IX также вносит свой вклад в отличия, свойственные цитоплазматическому домену. (Предположительно, эти особенности определяют механизм взаимодействия с Gq-белком.) Светочувствительный кофактор ретиналь (красным) ковалентно связан с атомом азота (синим) остатка лизина, находящегося в VII спирали; вблизи этого атома также находятся остатки глутаминовой кислоты и тирозина, определяющие особенности регенерации исходной («темновой») формы родопсина. Остаток триптофана, находящийся в непосредственном контакте с ретиналем, а также внутримолекулярный консервативный кластер связанных молекул воды (голубым), могут участвовать в передаче конформационных изменений от трансмембранного «ядра» белка на поверхность контакта с цитоплазмой. Рисунок из [6].

Кристаллическая структура родопсина кальмара (пространственное разрешение 2.5 Å) [4] показала, что, хотя общий план строения родопсинов позвоночных и беспозвоночных животных — «пучок» из приблизительно ортогональных плоскости мембраны трансмембранных (ТМ) семи α-спиралей — и сохраняется, но присутствуют и заметные отличия (см. рисунок). В частности, ТМ спирали V и VI родопсина кальмара выступают в цитоплазму на ≈25 Å (чего не наблюдается у родопсина позвоночных), и появляется дополнительная короткая цитоплазматическая спираль IX. Эти особенности строения, наверняка определяющие специфику взаимодействия с Gq-белком, являются довольно неожиданными и вряд ли могли быть предсказаны по последовательности (используя методику моделирования по гомологии [5]).

Определение особенностей строения Gq-сопряжённого родопсина важно ещё и тем, что они лягут в основу для более точного моделирования структуры рецепторов, действующих по тому же механизму, и в особенности это касается деталей взаимодействия с G-белком. Эти знания могут использоваться и для дизайна лекарственных препаратов, действие которых будет связано с коррекцией связывания Gq-белков с их рецепторами.

Отличия в строении присутствуют не только в цитоплазматическом домене, но и в непосредственной близи сайта связывания ретиналя, — в частности, остаток глутаминовой кислоты, который, судя по аминокислотной последовательности, должен служить противоионом, стабилизирующим шиффово основание, находится в пространстве слишком далеко, чтобы выполнять эту функцию. Это может служить объяснением тому, что регенерация родопсина беспозвоночных (в отличие от своего аналога из сетчатки быка) происходит без диссоциации ретиналя от опсина — возвращая последний в рабочую («темновую») форму прямо «на месте», без разрушения шиффова основания.

Структура родопсина кальмара может будет полезна и при изучении человеческого меланопсина — фоторецептора сетчатки глаза, отвечающего за регуляцию циркадного ритма и за зрачковый рефлекс. Судя по аминокислотной последовательности, меланопсин человека ближе к родопсинам беспозвоночных, нежели к своему «соседу» по сетчатке, и появление структурного шаблона представляет несомненный интерес для изучения этого сенсора.

Кроме того, в результате анализа строения кристаллической ячейки родопсина кальмара было обнаружено, что молекулы ретиналя в молекулах фоторецепторов, образующих тетрамер, практически параллельны друг другу, что определяет также параллельность соответствующих дипольных моментов для хромофора. Видимо, именно эта особенность позволяет кальмарам с высокой чувствительностью реагировать на поляризованный свет, как и некоторым другим беспозвоночным (см. «Креветки видят по-другому»).

По материалам рубрики News and Views Nature [6] и оригинальной публикации [4].

Литература


  1. биомолекула: «Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет»;
  2. Warne T., Serrano-Vega M.J., Baker J.G., Moukhametzianov R., Edwards P.C., Henderson R., Leslie A.G.W., Tate C.G., Schertler G.F.X. (2008). Structure of a β1-adrenergic G-protein-coupled receptor. Nature doi: 10.1038/nature07101;
  3. биомолекула: «Новый рубеж: получена пространственная структура β2-адренорецептора»;
  4. Murakami M., Kouyama T. (2008). Crystal structure of squid rhodopsin. Nature 453, 363–367 (в интернете);
  5. биомолекула: «Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков»;
  6. Schertler G.F.X. (2008). Signal transduction: The rhodopsin story continued. Nature 435, 292–293 (в интернете).

Автор: Чугунов Антон.

Число просмотров: 391.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.