Rodopsyna

Rodopsyna

Rys. 1. Rys. Struktura krystaliczna rodopsyny (PDB ID: 1U19). Helisy transmembranowe od TMH:I do TMH:VII zostały oznaczone kolorami odpowiednio od niebieskiego do czerwonego. B) Widok od strony zewnątrzkomórkowej na miejsce wiążące retinal. Czerwony, przerywany okrąg wskazuje na miejsce wiązania retinalu (wiązanie kowalencyjne za pomocą zasady Schiffa do lizyny Lys7.43) oraz na kwas glutaminowy, Glu3.28, bedący przeciwjonem dla protonowanej zasady Schiffa.

Rodopsyna jest białkiem fotoreceptorowym zlokalizowanym w komórkach pręcikowych siatkówki oka. Receptor ten bierze udział w kaskadach sygnalizacyjnych umożliwiających przekształcenie sygnału świetlnego w impuls nerwowy [1]. Absorpcja pojedynczego fotonu jest wystarczająca do przejścia receptora w stan aktywny, co umożliwia związanie i aktywację białka G (transducyny) po wewnętrznej stronie błony komórkowej [2]. Aktywna podjednostka G_α aktywuje fosfodiesterazę [3, 4], enzym hydrolizujący cykliczny GMP (cGMP) do GMP, co zmniejsza stężenie cGMP. Zmiana stężenia cGMP skutkuje czasowym zamknięciem kanałów potasowych powodując depolaryzację błony i przepływ prądu do synapsy i dalej do mózgu. Przekazany sygnał ulega istotnemu wzmocnieniu. Dzieję się tak gdyż pojedyncza molekuła rodopsyny może aktywować ok. 500 cząsteczek białka G.

Rodopsyna zbudowana jest z części białkowej opsyny oraz grupy prostetycznej 11-cis-retinalu (pochodnej witaminy A) (Rys. 1.). Kowalencyjnie związany ligand znajduje się w kieszeni hydrofobowej, otoczonej przez helisy (TMH:II do TMH:VII), którą przykrywa druga pętla cytoplazmatyczna (EL:II). Połączenie pomiędzy grupą aldehydową 11-cis-retinalu oraz łańcuchem bocznym Lys:7.43 tworzy uprotonowana zasada Schiffa [5]. Absorpcja kwantu światła przez 11-cis-retinal skutkuje jego izomeracją i przejściem w całkowicie-trans-retinal [1]. Zmiana w strukturze przestrzennej tego liganda prowadzi do zmian konformacyjnych całego receptora oraz jego aktywacji [6].

Rodopsyna jest białkiem o masie 40 kDa (kilodaltonów), składającym się z 348 aminokwasów (AA). Rodopsyna, podobnie jak inne receptory GPCR, posiada charakterystyczny motyw siedmiu α-helis przechodzących przez dwuwarstwę lipidową. Ich długość wynosi odpowiednio od 19 AA do 34 AA. Najkrótsza helisa VIII położona jest równolegle do dwuwarstwy lipidowej, po stronie cytoplazmatycznej [7].

N-koniec rodopsyny zbudowany jest z 33 AA i jest dosyć sztywny bowiem jego konformację stabilizuje β-kartka utworzona przez reszty Thr:4-Glu:5 oraz Tyr:10-Val:11 [8]. Dwie reszty asparaginowe zlokalizowane na pozycji 2 oraz 15 (Asn:2 oraz Asn:15) są miejscami glikozylacji receptora. Helisy transbłonowe rodopsyny posiadają nieregularną budowę oraz są odchylone od pionowej osi białka [7]. Zgięcia helis powstają głównie na skutek występujących w sekwencji reszt: prolin oraz glicyn. Największe zgięcia w TMH:VI oraz TMH:VII spowodowane są przez obecność dobrze zachowanych w sekwencji reszt Pro:6.50 oraz Pro:7.50. W helisach TMH:II oraz TMH:V występują odstępstwa od α-helikalnej struktury drugorzędowej na skutek obecności dodatkowych aminokwasów, odpowiednio: Gly:2.56 oraz Phe:5:47, tworzących w miejscu występowania fragmenty π-helisy. Również w rejonie zgięcia TMH:VII, fragment łańcucha białkowego przyjmuje nietypową konformację helisy 310. Pętle łączące helisy są relatywnie krótkie z wyjątkiem EL:II oraz IL:II. Najdłuższa pętla rodopsyny (EL:II), zlokalizowana pomiędzy helisami TMH:IV oraz TMH:V, szczelnie przykrywa miejsce wiązania retinalu zapobiegając prawdopodobnie samoistnej aktywacji rodopsyny, co jest niezwykle istotne dla procesu widzenia [9]. Fragmenty pętli łączącej TMH:IV oraz TMH:V: Ile:179 do Glu:181 oraz Ser:186 do Ile:189, tworzą strukturę β-kartki [8]. Za stabilizację pętli EL:II odpowiada dodatkowo wiązanie disulfidowe tworzone pomiędzy Cys:3.25 z helisy TMH:III oraz Cys:187 z pętli EL:II. Najdłuższą pętlą znajdującą się po stronie wewnątrzkomórkowej jest IL:II, łącząca TMH:IV oraz TMH:V. Porównanie wszystkich dostępnych struktur krystalicznych rodopsyny, zdeponowanych w bazie PDB, pozwala przypuszczać, iż fragment ten nie przyjmuje jednoznacznie określonej, stabilnej konformacji. Duże wartości czynnika temperaturowego dla tego odcinka łańcucha peptydowego również sugerują jego wysoką mobilność. Domena tworząca C-koniec receptora, od Asn:310 do Ala:348, nie jest dobrze upakowana. Między obecnymi tam aminokwasami nie występują żadne oddziaływania usztywniające ten fragment łańcucha białkowego. Krótka helisa H:VIII, znajdująca się na powierzchni błony, jest stabilizowana dzięki palmitylacji Cys:323 i Cys324 [10]. Długie palmitylowe łańcuchy, obecne na końcu tej helisy, są trwale zakotwiczone w błonie komórkowej.

W sekwencji rodopsyny występują charakterystyczne motywy dobrze zachowane w procesie ewolucji także w innych typach receptorów GPCR z rodziny A (Rys. 2.) [1, 11, 12]. Po stronie cytoplazmatycznej helisy TMH:III, znajduje się mikrodomena D(E)RY (a szczególnie środkowa, najbardziej zachowana w ewolucji reszta Arg:3.50), która tworzy połączenie pomiędzy helisami TMH:III i TMH:VI [11] poprzez utworzenie mostka solnego pomiędzy resztami Arg:3.50 oraz Glu:6.30. Podczas aktywacji receptora mostek ten ulega zerwaniu a część cytoplazmatyczna helisy TMH:VI ulega przemieszczeniu, tworząc w ten sposób miejsce na związanie białka G. Innym motywem o istotnym znaczeniu jest mikrodomena NPxxY obecna na helisie VII, która łączy helisy TMH:VII i H:VIII. Ten fragment łańcucha białkowego, również bierze udział w procesie aktywacji receptora prowadzącej do tworzenia kompleksu z białkiem G [2, 12]. Wzajemne położenie siedmiu helis transbłonowych rodopsyny stabilizowane jest dodatkowo przez oddziaływania hydrofobowe, jonowe, a także liczne wiązania wodorowe [1]. Badania krystalograficzne ujawniły także obecność cząsteczek wody w strukturze rodopsyny, które także uczestniczą w sieci wiązań wodorowych we wnętrzu receptora [13] i pośredniczą w procesie aktywacji.

Literatura

1. Filipek, S., et al., G protein-coupled receptor rhodopsin: a prospectus. Annu Rev Physiol, 2003. 65: p. 851-79.
2. Filipek, S., et al., A concept for G protein activation by G protein-coupled receptor dimers: the transducin/rhodopsin interface. Photochem Photobiol Sci, 2004. 3(6): p. 628-38.
3. Okada, T. and K. Palczewski, Crystal structure of rhodopsin: implications for vision and beyond. Curr Opin Struct Biol, 2001. 11(4): p. 420-6.
4. Jang, G.F., et al., Mechanism of rhodopsin activation as examined with ring-constrained retinal analogs and the crystal structure of the ground state protein. J Biol Chem, 2001. 276(28): p. 26148-53.
5. Janz, J.M. and D.L. Farrens, Role of the retinal hydrogen bond network in rhodopsin Schiff base stability and hydrolysis. J Biol Chem, 2004. 279(53): p. 55886-94.
6. Grobner, G., et al., Observations of light-induced structural changes of retinal within rhodopsin. Nature, 2000. 405(6788): p. 810-3.
7. Palczewski, K., et al., Crystal structure of rhodopsin: A G protein-coupled receptor. Science, 2000. 289(5480): p. 739-45.
8. Filipek, S., et al., The crystallographic model of rhodopsin and its use in studies of other G protein-coupled receptors. Annu Rev Biophys Biomol Struct, 2003. 32: p. 375-97.
9. Bourne, H.R. and E.C. Meng, Structure. Rhodopsin sees the light. Science, 2000. 289(5480): p. 733-4.
10. Okada, T., et al., The retinal conformation and its environment in rhodopsin in light of a new 2.2 A crystal structure. J Mol Biol, 2004. 342(2): p. 571-83.
11. Rovati, G.E., V. Capra, and R.R. Neubig, The highly conserved DRY motif of class A G protein-coupled receptors: beyond the ground state. Mol Pharmacol, 2007. 71(4): p. 959-64.
12. Fritze, O., et al., Role of the conserved NPxxY(x)5,6F motif in the rhodopsin ground state and during activation. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003. 100(5): p. 2290-5.
13. Okada, T., et al., Functional role of internal water molecules in rhodopsin revealed by X-ray crystallography. Proc Natl Acad Sci U S A, 2002. 99(9): p. 5982-7.