Rodopsin (rhodopsin)

Родопсин (также известный как зрительный пурпур ) представляет собой свет , чувствительный к рецепторный белок участвует в визуальной фототрансдукции . Он назван в честь древнегреческого ῥόδον ( rhódon ) для розы из-за ее розоватого цвета и ὄψις ( ópsis ) для зрения .

Родопсин является биологическим пигментом найден в стержнях в сетчатке и является G-белками рецепторов (GPCR) , . Относится к опсинам . Родопсин чрезвычайно чувствителен к свету и поэтому обеспечивает зрение в условиях низкой освещенности. Когда родопсин подвергается воздействию света, он сразу же фотообесцвечивается .

У людей он полностью регенерируется примерно через 30 минут, после чего стержни становятся более чувствительными.

Родопсин был открыт Францем Кристианом Боллем в 1876 году.

Структура

Родопсин состоит из двух компонентов: белковой молекулы, также называемой скотопсином, и ковалентно связанного кофактора, называемого ретиналем . Скотопсин – это опсин , светочувствительный рецептор , связанный с G-белком, который внедряется в липидный бислой клеточных мембран с использованием семи трансмембранных доменов белков .

Эти домены образуют карман, в котором фотореактивный хромофор , сетчатка, лежит горизонтально по отношению к клеточной мембране, связанный с остатком лизина в седьмом трансмембранном домене белка. Тысячи молекул родопсина находятся в каждом внешнем сегменте диска стержневой клетки-хозяина.

Сетчатка вырабатывается сетчаткой из витамина А , из пищевого бета-каротина .

Изомеризация 11- цис- ретиналя в полностью транс- ретиналь под действием света вызывает серию конформационных изменений («обесцвечивание») в опсине, в конечном итоге приводя его к форме, называемой метародопсин II (Meta II), которая активирует связанный G белок , трансдуцин , запускающий каскад вторичных мессенджеров циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) .

Родопсин палочек наиболее сильно поглощает зелено-синий свет и поэтому выглядит красновато-пурпурным, поэтому его также называют «визуально-пурпурным». Он отвечает за монохроматическое зрение в темноте.

Некоторые близкородственные опсины различаются лишь несколькими аминокислотами и длинами волн света, которые они поглощают сильнее всего. У людей есть восемь других опсинов, помимо родопсина, а также криптохром (светочувствительный, но не опсин).

В йодопсине находится в колбочках сетчатки и являются основой цветового зрения . Они имеют максимумы поглощения для желтовато-зеленого (фотопсин I), зеленого (фотопсин II) и голубовато-фиолетового (фотопсин III) света. Оставшийся опсин, меланопсин , содержится в светочувствительных ганглиозных клетках и сильнее всего поглощает синий свет.

В родопсине альдегидная группа сетчатки ковалентно связана с аминогруппой остатка лизина на протеине в протонированном основании Шиффа (-NH + = CH-).

Когда родопсин поглощает свет, его кофактор сетчатки изомеризуется из 11-цис-конфигурации в полностью-транс-конфигурацию, и впоследствии белок подвергается серии релаксации, чтобы приспособиться к измененной форме изомеризованного кофактора.

Промежуточные продукты, образующиеся в ходе этого процесса, были впервые исследованы в лаборатории Джорджа Вальда , получившего Нобелевскую премию за это исследование в 1967 году. Динамика фотоизомеризации впоследствии была исследована с помощью ИК-спектроскопии с временным разрешением и УФ / видимой спектроскопии.

Первый фотопродукт, называемый фотородопсином, образуется в течение 200 фемтосекунд после облучения, за которым в течение пикосекунд следует второй, называемый батородопсином, с искаженными полностью транс-связями. Этот промежуточный продукт может быть захвачен и изучен при криогенных температурах, и первоначально он был назван прелюмиродопсином.

В последующих промежуточных соединениях люмиродопсине и метародопсине I связь основания Шиффа с полностью транс-ретиналем остается протонированной, и белок сохраняет свой красноватый цвет. Критическое изменение, которое инициирует возбуждение нейронов, включает превращение метародопсина I в метародопсин II , что связано с депротонированием основания Шиффа и изменением цвета с красного на желтый.

Структура родопсина была подробно изучена с помощью рентгеновской кристаллографии на кристаллах родопсина.

Некоторые модели (например, механизм велосипеда педали , механизм хула-твист ) пытаются объяснить , как группа сетчатки может изменять свою конформацию , не сталкиваясь с обволакивающим родопсином белка кармана.

Недавние данные подтверждают, что родопсин является функциональным мономером, а не димером, который на протяжении многих лет был парадигмой рецепторов, связанных с G-белком.

Фототрансдукция

Родопсин является важным рецептором, связанным с G-белком, при фототрансдукции .

Функция

Продукт световой активации, метародопсин II, инициирует путь зрительной фототрансдукции , стимулируя трансдуцин G-белка (G t ), что приводит к высвобождению его α-субъединицы. Эта связанная с GTP субъединица, в свою очередь, активирует фосфодиэстеразу цГМФ .

цГМФ-фосфодиэстераза гидролизует (расщепляет) цГМФ , снижая его локальную концентрацию, поэтому она больше не может активировать цГМФ-зависимые катионные каналы .

Это приводит к гиперполяризации фоторецепторных клеток, изменяя скорость, с которой они высвобождают передатчики.

Деактивация

Мета II (метародопсин II) быстро дезактивируется после активации трансдуцина родопсинкиназой и аррестином . Пигмент родопсин должен быть регенерирован для дальнейшей фототрансдукции.

Это означает замену полностью транс-ретиналя на 11-цис-ретиналь, и распад Meta II имеет решающее значение в этом процессе. Во время распада Meta II, основание Шиффа, которое обычно удерживает все транс-ретиналь и апопротеин опсин (апородопсин), гидролизуется и становится Meta III.

В наружном сегменте палочек Meta III распадается на отдельные полностью трансретинальные и опсиновые. Второй продукт распада Meta II представляет собой комплекс опсина, полностью транс-ретиналя, в котором полностью транс-ретиналь перемещен во вторые сайты связывания.

Переходит ли распад Meta II в Meta III или полностью трансретинальный опсиновый комплекс, по-видимому, зависит от pH реакции. Более высокий pH приводит к реакции распада на Meta III.

Budete mít zájem:  Jak na nafouklé břicho a nadýmání? Zkuste čaje i úpravu jídelníčku!

Заболевание сетчатки

Мутация гена родопсина является основным фактором различных ретинопатий, таких как пигментный ретинит . В целом, вызывающий заболевание белок объединяется с убиквитином в телец включения, разрушает сеть промежуточных филаментов и снижает способность клетки разрушать нефункционирующие белки, что приводит к апоптозу фоторецепторов .

Другие мутации родопсина приводят к Х-сцепленной врожденной стационарной куриной слепоте , в основном из-за конститутивной активации, когда мутации происходят вокруг хромофорсвязывающего кармана родопсина.

Было обнаружено несколько других патологических состояний, связанных с родопсином, включая плохой трафик после Гольджи, нарушение регуляции активации, нестабильность внешнего сегмента стержня и связывание аррестина.

Микробные родопсины

Некоторые прокариоты экспрессируют протонные насосы, называемые бактериородопсинами , архаэродопсинами , протеородопсинами и ксантородопсинами, для осуществления фототрофии .

Подобно зрительным пигментам животных, они содержат хромофор сетчатки (хотя это полностью транс , а не 11- цис- форма) и семь трансмембранных альфа-спиралей ; однако они не связаны с G-белком. Прокариотические галородопсины – это активируемые светом хлоридные насосы.

Одноклеточные жгутиковые водоросли содержат канальные родопсины, которые действуют как светозависимые катионные каналы, когда экспрессируются в гетерологичных системах.

Многие другие про- и эукариотические организмы (в частности, грибы, такие как Neurospora ) экспрессируют насосы ионов родопсина или сенсорные родопсины, функция которых пока неизвестна. Совсем недавно были обнаружены микробные родопсины с активностью гуанилциклазы .

Хотя все микробные родопсины обладают значительной гомологией последовательностей друг с другом, они не имеют обнаруживаемой гомологии последовательностей с семейством рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR), к которому относятся зрительные родопсины животных. Тем не менее, микробные родопсины и GPCR, возможно, эволюционно связаны, основываясь на сходстве их трехмерных структур. Следовательно, они были отнесены к одному и тому же суперсемейству в Структурной классификации белков (SCOP).

Ссылки

дальнейшее чтение

внешние ссылки

(PDF) Rhodopsin, Methods and Protocols

This volume explores the technological improvements in protein engineering, expression, purification, and crystallization of several rhodopsin photoactive intermediates, thus increasing our understanding of rhodopsin activation.

The first chapters of the book focus on methods developed to study fundamentals of rhodopsin structure and function, starting with improved purification protocols of native and mutated rhodopsin, followed by methods used for rhodopsin reconstitution into lipid bilayers stabilizing rhodopsin function properties, and finally describing recently developed methods to study structural dynamics of rhodopsin activation and its mechanistic properties. Subsequently, chapters underline various techniques that have been developed to visualize the rhodopsin dimer and to study its functional significance. The next few chapters highlight cutting-edge imaging techniques of photoreceptors, rhodopsin trafficking, and its diffusion within signaling membranes. Finally the book concludes with recent developments that could be potentially beneficial in patient treatments, and treatment strategies for retinal degenerative diseases. Written in the highly successful Methods in Molecular Biology series format, the chapters include the kind of detailed description and implementation advice that is crucial for getting optimal results in the laboratory. Timely and practical, Rhodopsin: Methods and Protocols reaches out to researchers and health practitioners, and provides timely protocol useful for studying structural and functional properties of rhodopsin. © Springer Science+Business Media New York 2015. All rights are reserved.

A preview of the PDF is not available

ResearchGate has not been able to resolve any references for this publication.

July 1977 · Biophysics of Structure and Mechanism

Rod dark adaptation in the amphibian retina appears to be due to three processes: 1. background adaptation, occurring immediately after the extinction of an adapting or bleaching light, 2. intermediate adaptation, that frequently lasts 30 min or more and 3. opsin adaptation, which in the isolated retina where regeneration of rhodopsin is insignificant, is observed a a permanent loss of … [Show full abstract] sensitivity after the completion of intermediate adaptation. Intermediate adaptation is characterized by a linear relation between log threshold and the amount of ‚retinal‘ present, a similar relation is obtained between log threshold and the amount of rhodopsin bleached in opsin adaptation. These adaptation processes are discussed in terms of a model of the rod outer segment.Read more

April 1964 · Journal of the Optical Society of America

An indicator of individual retinal receptor response in the mammal is sought. This indicator must represent a detectable physical or chemical change of state in the receptor induced by the transducer of the photoreceptor. A histochemical technique has recently been described which results in differential staining between light-adapted and dark-adapted receptors.In this experiment an attempt has … [Show full abstract] been made to identify the action spectrum of this reaction in the predominantly rod retina of the albino rat. The action spectrum of this differential staining effect approximates that of rhodopsin.The staining takes place in the ellipsoid portion of the receptor (in the inner segment). From other investigations, however, rhodopsin is known to be localized in the outer segments of such cells.Read more

Budete mít zájem:  Které vitamíny užívat v těhotenství?

January 1998

  • Theodore P. Williams
  • Anne B. Thistle

Over the weekend of 21-23 February 1997, a small group gathered in Tallahassee, Florida, at the invitation of Ted Williams, to discuss ‚photo stasis and related topics.‘ The majority of participants were former students and colleagues of Ted's, but an occasional outsider such as myself was generously included. The papers presented there are collected in this volume. The theory of photo stasis was … [Show full abstract] first outlined in a landmark paper by John Penn and Ted, published in 1986 in Experimental Eye Research. They provided compelling data showing that, in the albino rat eye, levels of rhodopsin, outer-segment length, rhodopsin regeneration rate, and even, perhaps, rhodopsin packing density all depend on the levels of cyclic illumination (12 hours light, 12 hours dark) in which the animal was reared. So, for example, there is fourfold less rhodopsin in a retinal extract derived from an animal reared at 400 lux than in an extract from the retina of an animal reared at 3 lux. Animals reared at intermediate levels of light show intermediate amounts of rhodopsin that are correlated with illumination level. What these data immediately suggested is that the photoreceptor cell can adjust its photon-catching ability in response to the levels of light in which an animal is reared, and they also provided a compelling rationale for outer-segment turnover, a phenomenon discovered 20 years earlier by Richard Young but whose function has remained obscure.Read more

· Progress in molecular biology and translational science

  • Duncan Morhardt
  • William Guido
  • Ching-Kang Chen

Rhodopsin

This article is about the visual rhodopsin of vertebrates. For other types of rhodopsin, see Retinylidene protein.RHO

Available structuresPDB

Ortholog search: PDBe RCSB
List of PDB id codes
4ZWJ, 5DGY

IdentifiersAliasesRHO, CSNBAD1, OPN2, RP4, rhodopsin, Rhodopsin, visual purpleExternal IDsOMIM: 180380 MGI: 97914 HomoloGene: 68068 GeneCards: RHO

Gene location (Human)Chr.

Band

Start

End

Chromosome 3 (human)[1]
3q22.1 129,528,639 bp[1]
129,535,344 bp[1]
Gene location (Mouse)Chr.

Band

Start

End

Chromosome 6 (mouse)[2]
6 E3|6 53.72 cM 115,931,748 bp[2]
115,940,036 bp[2]
RNA expression pattern
More reference expression data
Gene ontologyMolecular function

Cellular component

Biological process

• signal transducer activity• metal ion binding• photoreceptor activity• GO:0001948 protein binding• G-protein coupled receptor activity• 11-cis retinal binding• G-protein coupled photoreceptor activity
• Golgi-associated vesicle membrane• Golgi apparatus• Golgi membrane• photoreceptor outer segment• intercellular junction• integral component of plasma membrane• membrane• photoreceptor inner segment• ciliary membrane• cell membrane• photoreceptor inner segment membrane• photoreceptor outer segment membrane• integral component of membrane• photoreceptor disc membrane• cell projection
• retina development in camera-type eye• sensory perception of light stimulus• signal transduction• response to stimulus• detection of light stimulus• absorption of visible light• cellular response to light stimulus• protein phosphorylation• response to light stimulus• regulation of rhodopsin mediated signaling pathway• retinoid metabolic process• phototransduction• phototransduction, visible light• photoreceptor cell maintenance• visual perception• protein-chromophore linkage• G-protein coupled receptor signaling pathway• rhodopsin mediated signaling pathway
Sources:Amigo / QuickGO

OrthologsSpeciesHumanMouseEntrez

6010
212541

Ensembl

ENSG00000163914
ENSMUSG00000030324

UniProt

P08100
P15409

RefSeq (mRNA)

NM_000539
NM_145383

RefSeq (protein)

NP_000530
NP_663358

Location (UCSC)Chr 3: 129.53 – 129.54 MbChr 6: 115.93 – 115.94 MbPubMed search[3][4]Wikidata

View/Edit Human View/Edit Mouse

Rhodopsin (also known as visual purple) is a light-sensitive receptor protein involved in visual phototransduction. It is named after ancient Greek ῥόδον (rhódon) for rose, due to its pinkish color, and ὄψις (ópsis) for sight.

[5] Rhodopsin is a biological pigment found in the rods of the retina and is a G-protein-coupled receptor (GPCR). It belongs to opsins. Rhodopsin is extremely sensitive to light, and thus enables vision in low-light conditions.[6] When rhodopsin is exposed to light, it immediately photobleaches.

In humans, it is regenerated fully in about 30 minutes, after which rods are more sensitive.[7]

Rhodopsin was discovered by Franz Christian Boll in 1876.[8][9]

Structure

Rhodopsin consists of two components, a protein molecule also called scotopsin and a covalently-bound cofactor called retinal. Scotopsin is an opsin, a light-sensitive G protein coupled receptor that embeds in the lipid bilayer of cell membranes using seven protein transmembrane domains.

These domains form a pocket where the photoreactive chromophore, retinal, lies horizontally to the cell membrane, linked to a lysine residue in the seventh transmembrane domain of the protein. Thousands of rhodopsin molecules are found in each outer segment disc of the host rod cell.

Retinal is produced in the retina from vitamin A, from dietary beta-carotene.

Isomerization of 11-cis-retinal into all-trans-retinal by light sets off a series of conformational changes ('bleaching') in the opsin, eventually leading it to a form called metarhodopsin II (Meta II), which activates an associated G protein, transducin, to trigger a cyclic guanosine monophosphate (cGMP) second messenger cascade.[7][10][11]

Rhodopsin of the rods most strongly absorbs green-blue light and, therefore, appears reddish-purple, which is why it is also called ‚visual purple‘.[12] It is responsible for monochromatic vision in the dark.[7]

Bovine rhodopsin Visual cycle

Budete mít zájem:  Minerálky na choroby: Která vám pomůže při léčbě?

Several closely related opsins differ only in a few amino acids and in the wavelengths of light that they absorb most strongly. Humans have eight other opsins besides rhodopsin, as well as cryptochrome (light-sensitive, but not an opsin).[13][14]

The photopsins are found in the cone cells of the retina and are the basis of color vision. They have absorption maxima for yellowish-green (photopsin I), green (photopsin II), and bluish-violet (photopsin III) light. The remaining opsin, melanopsin, is found in photosensitive ganglion cells and absorbs blue light most strongly.

In rhodopsin, the aldehyde group of retinal is covalently linked to the amino group of a lysine residue on the protein in a protonated Schiff base (-NH+=CH-).

[15] When rhodopsin absorbs light, its retinal cofactor isomerizes from the 11-cis to the all-trans configuration, and the protein subsequently undergoes a series of relaxations to accommodate the altered shape of the isomerized cofactor.

The intermediates formed during this process were first investigated in the laboratory of George Wald, who received the Nobel prize for this research in 1967.[16] The photoisomerization dynamics has been subsequently investigated with time-resolved IR spectroscopy and UV/Vis spectroscopy.

A first photoproduct called photorhodopsin forms within 200 femtoseconds after irradiation, followed within picoseconds by a second one called bathorhodopsin with distorted all-trans bonds. This intermediate can be trapped and studied at cryogenic temperatures, and was initially referred to as prelumirhodopsin.

[17] In subsequent intermediates lumirhodopsin and metarhodopsin I, the Schiff's base linkage to all-trans retinal remains protonated, and the protein retains its reddish color. The critical change that initiates the neuronal excitation involves the conversion of metarhodopsin I to metarhodopsin II, which is associated with deprotonation of the Schiff's base and change in color from red to yellow.[18]

The structure of rhodopsin has been studied in detail via x-ray crystallography on rhodopsin crystals.[19] Several models (e.g.

, the bicycle-pedal mechanism, hula-twist mechanism) attempt to explain how the retinal group can change its conformation without clashing with the enveloping rhodopsin protein pocket.

[20][21][22] Recent data support that rhodopsin is a functional monomer, instead of a dimer, which was the paradigm of G-protein-coupled receptors for many years.[23]

Phototransduction

Rhodopsin is an essential G-protein coupled receptor in phototransduction.

Function

The product of light activation, Metarhodopsin II, initiates the visual phototransduction pathway by stimulating the G protein transducin (Gt), resulting in the liberation of its α subunit. This GTP-bound subunit in turn activates cGMP phosphodiesterase.

cGMP phosphodiesterase hydrolyzes (breaks down) cGMP, lowering its local concentration so it can no longer activate cGMP-dependent cation channels. This leads to the hyperpolarization of photoreceptor cells, changing the rate at which they release transmitters.

Deactivation

Meta II (metarhodopsin II) is deactivated rapidly after activating transducin by rhodopsin kinase and arrestin.[24] Rhodopsin pigment must be regenerated for further phototransduction to occur.

This means replacing all-trans-retinal with 11-cis-retinal and the decay of Meta II is crucial in this process. During the decay of Meta II, the Schiff base link that normally holds all-trans-retinal and the apoprotein opsin (aporhodopsin) is hydrolyzed and becomes Meta III.

In the rod outer segment, Meta III decays into separate all-trans-retinal and opsin.[24] A second product of Meta II decay is an all-trans-retinal opsin complex in which the all-trans-retinal has been translocated to second binding sites.

Whether the Meta II decay runs into Meta III or the all-trans-retinal opsin complex seems to depend on the pH of the reaction. Higher pH tends to drive the decay reaction towards Meta III.[24]

Retinal disease

Mutation of the rhodopsin gene is a major contributor to various retinopathies such as retinitis pigmentosa. In general, the disease-causing protein aggregates with ubiquitin in inclusion bodies, disrupts the intermediate filament network, and impairs the ability of the cell to degrade non-functioning proteins, which leads to photoreceptor apoptosis.

[25] Other mutations on rhodopsin lead to X-linked congenital stationary night blindness, mainly due to constitutive activation, when the mutations occur around the chromophore binding pocket of rhodopsin.

[26] Several other pathological states relating to rhodopsin have been discovered including poor post-Golgi trafficking, dysregulative activation, rod outer segment instability and arrestin binding.[26]

Microbial rhodopsins

Diskuze

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Adblock
detector