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].

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 (G_t), 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 G_q-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 G_q-белкá [4]. Важность этой работы подтверждается тем, что рецепторы многих гормонов и нейротрансмиттеров (включая вазопрессин, окситоцин, серотонин и ацетилхолин) действуют именно через G_q. Многие лекарства, такие как антигистаминовые препараты и антагонисты ангиотензина, также действуют через G_q-сопряжённые рецепторы.

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 (рис. 1) [5]. 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 G_q-белком, являются довольно неожиданными и вряд ли могли быть предсказаны по последовательности (используя методику моделирования по гомологии [6]).

Определение особенностей строения G_q-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 G_q-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» [7]).

Литература

1. Зрительный родопсин — рецептор, реагирующий на свет;
2. Tony Warne, Maria J. Serrano-Vega, Jillian G. Baker, Rouslan Moukhametzianov, Patricia C. Edwards, et. al.. (2008). Structure of a β1-adrenergic G-protein-coupled receptor. Nature. 454, 486-491;
3. Новый рубеж: получена пространственная структура β2-адренорецептора;
4. Midori Murakami, Tsutomu Kouyama. (2008). Crystal structure of squid rhodopsin. Nature. 453, 363-367;
5. Gebhard F. X. Schertler. (2008). Signal transduction: The rhodopsin story continued. Nature. 453, 292-293;
6. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков;
7. Креветки видят по-другому.