Rodopsyna drobnoustrojowa
.jpg)
| Archaeal/bakteryjne/grzybicze rodopsyny | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Bacteriorhodopsin trimer
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Symbol | Bac_rodopsyna | ||||||||
| Pfam | PF01036 | ||||||||
| InterPro | IPR001425 | ||||||||
| MĄDRY | SM01021 | ||||||||
| PROZYTA | PDOC00291 | ||||||||
| SCOP2 | 2brd / ZAKRES / SUPFAM | ||||||||
| TCDB | 3.E.1 | ||||||||
| Nadrodzina OPM | 6 | ||||||||
| Białko OPM | 1vgo | ||||||||
| |||||||||
Rodopsyny drobnoustrojowe , znane również jako rodopsyny bakteryjne, są białkami wiążącymi siatkówkę , które zapewniają zależny od światła transport jonów i funkcje czuciowe u bakterii halofilnych i innych. Są to integralne białka błonowe z siedmioma helisami transbłonowymi, z których ostatnia zawiera punkt przyczepu (konserwatywną lizynę) dla siatkówki .
Ta rodzina białek obejmuje napędzane światłem pompy protonowe , pompy jonowe i kanały jonowe , a także czujniki światła. Na przykład białka z halobakterii obejmują bakteriorodopsynę i archaerhodopsynę , które są napędzanymi światłem pompami protonowymi ; halorodopsyna , napędzana światłem pompa chlorkowa; oraz czuciowa rodopsyna, która pośredniczy zarówno w fotoatrakcyjnych (w czerwieni), jak i fotofobowych (w ultrafiolecie). Białka z innych bakterii obejmują proteorodopsyna .
Wbrew swojej nazwie rodopsyny drobnoustrojowe występują nie tylko u archeonów i bakterii , ale także u eukariotów (takich jak algi ) i wirusów ; chociaż są rzadkie w złożonych organizmach wielokomórkowych .
Nomenklatura
Rodopsyna była pierwotnie synonimem „ fioletu wizualnego ”, pigmentu wizualnego (cząsteczki światłoczułej) występującego w siatkówkach żab i innych kręgowców , używanego do widzenia przy słabym świetle i zwykle znajdowanego w pręcikach . Takie jest nadal znaczenie rodopsyny w wąskim znaczeniu, każde białko ewolucyjnie homologiczne do tego białka. W szerokim znaczeniu niegenetycznym rodopsyna odnosi się do dowolnej cząsteczki, niezależnie od tego, czy jest ona powiązana genetycznie, czy nie (w większości nie), składająca się z opsyny i chromoforu (ogólnie wariantu siatkówki). Wszystkie zwierzęce rodopsyny powstały (w wyniku duplikacji i rozbieżności genów) późno w historii dużego receptora sprzężonego z białkiem G (GPCR), która sama powstała po dywergencji roślin, grzybów, choanoflagellatów i gąbek od najwcześniejszych zwierząt. Chromofor siatkówki znajduje się wyłącznie w gałęzi opsyny tej dużej rodziny genów, co oznacza, że jego występowanie gdzie indziej reprezentuje ewolucję zbieżną, a nie homologię. Mikrobiologiczne rodopsyny są pod względem sekwencji bardzo różne od którejkolwiek z rodzin GPCR.
Termin rodopsyna bakteryjna pierwotnie odnosił się do pierwszej odkrytej rodopsyny drobnoustrojowej, znanej dziś jako bakteriorodopsyna . Okazało się, że pierwsza bakteriorodopsyna była pochodzenia archeologicznego, z Halobacterium salinarum . Od tego czasu odkryto inne rodopsyny drobnoustrojowe, przez co termin rodopsyna bakteryjna jest niejednoznaczny.
Tabela
Poniżej znajduje się lista niektórych z bardziej znanych mikrobiologicznych rodopsyn i niektórych ich właściwości.
| Funkcjonować | Nazwa | Skr. | Ref. |
|---|---|---|---|
| pompa protonowa (H+) | bakteriorodopsyna | BR | |
| pompa protonowa (H+) | proteorodopsyna | PR | |
| pompa protonowa (H+) | archaerodopsyna | Łuk | |
| pompa protonowa (H+) | ksantorodopsyna | xR | |
| pompa protonowa (H+) | rodopsyna Gloeobacter | GR | |
| kanał kationowy (+) | rodopsyna kanałowa | ChR | |
| pompa kationowa (Na+) | Krokinobacter eikastus rodopsyna 2 | KR2 | |
| pompa anionowa (Cl-) | halorodopsyna | HR | |
| czujnik Zdjęcia | sensoryczna rodopsyna I | SR-I | |
| czujnik Zdjęcia | czuciowa rodopsyna II | SR II | |
| czujnik Zdjęcia | Neurospora opsin I | NOP-I | |
| enzym aktywowany światłem | cyklaza guanylowa rodopsyny | RhGC |
Rodzina mikrobiologicznych rodopsyn transportujących jony
rodopsyn mikrobiologicznych przemieszczających jony (MR) ( TC# 3.E.1 ) jest członkiem superrodziny nośników wtórnych TOG . Członkowie rodziny MR katalizują napędzaną światłem translokację jonów przez błony cytoplazmatyczne drobnoustrojów lub służą jako receptory światła. Większość białek z rodziny MR jest mniej więcej tej samej wielkości (250-350 reszt aminoacylowych) i posiada siedem transbłonowych kluczy helikalnych z N-końcami na zewnątrz i C-końcami wewnątrz. Istnieje 9 podrodzin w rodzinie MR:
- Bakteriorodopsyny pompują protony z komórki;
- Halorodopsyny pompują chlorek (i inne aniony, takie jak bromek, jodek i azotan) do komórki;
- Czuciowe rodopsyny, które normalnie działają jako receptory dla zachowania fototaktycznego, są zdolne do wypompowywania protonów z komórki, jeśli są oddzielone od ich białek przekaźnikowych;
- grzybicze białka opiekuńcze są wywołanymi stresem białkami o źle zdefiniowanych funkcjach biochemicznych, ale ta podrodzina obejmuje również rodopsynę pompującą H + ;
- rodopsyna bakteryjna, zwana proteorodopsyną , jest napędzaną światłem pompą protonową, która działa podobnie jak bakteriorodopsyna;
- receptor zawierający siatkówkę Neurospora crassa służy jako fotoreceptor ( Neurospora ospin I);
- kanał protonowy bramkowany światłem zielonych alg, Channelrhodopsin-1;
- Rodopsyny sensoryczne z sinic.
- Aktywowana światłem cyklaza rodopsyny/guanylu
Opublikowano analizę filogenetyczną drobnoustrojowych rodopsyn i szczegółową analizę potencjalnych przykładów poziomego transferu genów .
Struktura
Wśród struktur o wysokiej rozdzielczości dla członków rodziny MR znajdują się białka archeologiczne, bakteriorodopsyna , archaerhodopsyna , sensoryczna rodopsyna II , halorodopsyna , a także czuciowa rodopsyna cyjanobakteryjna Anabaena (TC# 3.E.1.1.6 ) i inne.
Funkcjonować
Wydaje się, że powiązanie czuciowych rodopsyn z ich białkami przekaźnikowymi decyduje o tym, czy działają one jako transportery czy receptory. Połączenie czuciowego receptora rodopsyny z jego przetwornikiem zachodzi poprzez transbłonowe domeny helikalne dwóch oddziałujących białek. W każdym archeonie halofilnym są dwie czuciowe rodopsyny, jedna (SRI), która reaguje pozytywnie na światło pomarańczowe, ale negatywnie na światło niebieskie, druga (SRII), która reaguje tylko negatywnie na światło niebieskie. Każdy przetwornik jest specyficzny dla swojego pokrewnego receptora. Dostępna jest struktura rentgenowska SRII skompleksowana z jego przetwornikiem (HtrII) w rozdzielczości 1, 94 Å (). Dokonano przeglądu molekularnych i ewolucyjnych aspektów transdukcji sygnału świetlnego przez receptory czuciowe drobnoustrojów.
homologi
Homologi obejmują domniemane białka opiekuńcze grzybów, zawierającą siatkówkę rodopsynę z Neurospora crassa , rodopsynę pompującą H + z Leptosphaeria maculans , pompy protonowe zawierające siatkówkę wyizolowane z bakterii morskich, fotoreceptor aktywowany zielonym światłem u cyjanobakterii, który nie pompuje jonów i oddziałuje z małym (14 kDa) rozpuszczalnym białkiem transduktorowym i bramkowanymi światłem kanałami H + z zielonej algi, Chlamydomonas reinhardtii . Białko N. crassa NOP-1 wykazuje fotocykl i konserwowany H + pozostałości translokacji, które sugerują, że ten domniemany fotoreceptor jest powolną pompą H + .
Większość homologów rodziny MR w drożdżach i grzybach ma mniej więcej taką samą wielkość i topologię jak białka archeologiczne (283-344 reszt aminoacylowych; 7 domniemanych transbłonowych segmentów α-helikalnych), ale są one wywołane szokiem termicznym i toksycznymi rozpuszczalnikami białka o nieznanej funkcji biochemicznej. Sugerowano, że działają jako białka opiekuńcze napędzane pmf, które fałdują białka zewnątrzkomórkowe, ale tylko pośrednie dowody potwierdzają ten postulat. Rodzina MR jest daleko spokrewniona z rodziną 7 TMS LCT ( TC# 2.A.43 ). Reprezentatywnych członków rodziny MR można znaleźć w Bazie Danych Klasyfikacji Transporterów .
Bakteriorodopsyna
Bakteriorodopsyna pompuje jeden jon H + z cytozolu do środowiska pozakomórkowego na każdy zaabsorbowany foton. Zaproponowano określone mechanizmy i szlaki transportowe. Mechanizm obejmuje:
- fotoizomeryzacja siatkówki i jej początkowe zmiany konfiguracyjne,
- deprotonacja zasady Schiffa siatkówki i sprzężone uwolnienie protonu na powierzchnię błony zewnątrzkomórkowej,
- zdarzenie przełączające, które umożliwia ponowne protonowanie zasady Schiffa od strony cytoplazmatycznej.
Sześć modeli strukturalnych opisuje przemiany siatkówki i jej interakcję z wodą 402, Asp85 i Asp212 w szczegółach atomowych, a także przemieszczenia reszt funkcjonalnych dalej od podstawy Schiffa . Zmiany dostarczają uzasadnienia dla tego, w jaki sposób rozluźnienie zniekształconej siatkówki powoduje ruchy atomów wody i białek, które skutkują wektorowymi transferami protonów do iz podstawy Schiffa. Odkształcenie helisy jest sprzężone z wektorowym transportem protonów w fotocyklu bakteriorodopsyny.
Większość reszt biorących udział w trimeryzacji nie jest konserwowana w bakteriorodopsynie, homologicznym białku zdolnym do tworzenia struktury trimerycznej pod nieobecność bakterioruberyny. Pomimo dużej zmiany w sekwencji aminokwasów, kształt hydrofobowej przestrzeni intratrimeru wypełnionej przez lipidy jest wysoce konserwatywny między archaerhodopsyną-2 a bakteriorodopsyną. Ponieważ helisa transbłonowa zwrócona w stronę tej przestrzeni ulega dużej zmianie konformacyjnej podczas cyklu pompowania protonów, możliwe jest, że trimeryzacja jest ważną strategią wychwytywania specjalnych składników lipidowych, które są istotne dla aktywności białka.
Archaerodopsyna
Archaerhodopsyny to napędzane światłem transportery jonów H + . Różnią się od bakteriorodopsyny tym, że bordowa błona, w której ulegają ekspresji, zawiera bakterioruberynę, drugi chromofor , który ma chronić przed fotowybielaniem . Bacteriorhodopsin nie ma również pętli omega , którą zaobserwowano na N-końcu struktur kilku archaerhodopsin.
Archaerhodopsin-2 (AR2) znajduje się w bordowej błonie Halorubrum sp . Jest to napędzana światłem pompa protonowa. Kryształy trygonalne i heksagonalne ujawniły, że trimery są ułożone na siatce przypominającej plaster miodu. W tych kryształach bakterioruberyna wiąże się ze szczelinami między podjednostkami trimeru. Łańcuch polienowy drugiego chromoforu jest odchylony od normalnej błony o kąt około 20 stopni i od strony cytoplazmatycznej otoczony jest helisami AB i DE sąsiednich podjednostek. Ten szczególny tryb wiązania sugeruje, że bakterioruberyna odgrywa strukturalną rolę w trimeryzacji AR2. W porównaniu ze strukturą aR2 w innej postaci krystalicznej niezawierającej bakterioruberyny, kanał uwalniania protonu przyjmuje bardziej zamkniętą konformację w krysztale P321 lub P6(3); tj. natywna konformacja białka jest stabilizowana w trimerycznym kompleksie białko-bakterioruberyna.
Mutanty Archaerhodopsin-3 (AR3) są szeroko stosowane jako narzędzia w optogenetyce do badań neurologicznych.
rodopsyny kanałowe
Rodopsyna kanałowa -1 (ChR1) lub kanałopsyna-1 (Chop1; Cop3; CSOA) C. reinhardtii jest blisko spokrewniona z rodopsynami czuciowymi archeonów. Ma 712 aminokwasów z peptydem sygnałowym, po którym następuje krótki region amfipatyczny, a następnie hydrofobowa domena N-końcowa z siedmioma prawdopodobnymi TMS (reszty 76-309), po której następuje długa hydrofilowa domena C-końcowa o około 400 resztach. Część C-końcowej domeny hydrofilowej jest homologiczna do skrzyżowania (białka domeny EH i SH3 1A) zwierząt (AAD30271).
Chop1 służy jako bramkowany światłem kanał protonowy i pośredniczy w reakcjach fototaksji i fotofobii u zielonych alg. Na podstawie tego fenotypu Chop1 można by przypisać do kategorii TC #1.A , ale ponieważ należy do rodziny, w której dobrze scharakteryzowane homologi katalizują transport aktywnych jonów, przypisuje się go do rodziny MR. Ekspresja kotleta 1 gen lub skrócona postać tego genu kodująca tylko hydrofobowy rdzeń (reszty 1-346 lub 1-517) w oocytach żaby w obecności all-trans retinalu wytwarza przewodnictwo bramkowane światłem, które wykazuje cechy kanału biernie, ale selektywnie przepuszczalny dla protonów. Ta aktywność kanału prawdopodobnie generuje prądy bioelektryczne.
Homologiem ChR1 w C. reinhardtii jest rodopsyna kanałowa-2 (ChR2; Chop2; Cop4; CSOB). Białko to jest w 57% identyczne, w 10% podobne do ChR1. Tworzy kationoselektywny kanał jonowy aktywowany przez absorpcję światła. Transportuje zarówno jednowartościowe, jak i dwuwartościowe kationy. Znieczula na małe przewodnictwo w świetle ciągłym. Powrót do zdrowia po odczulaniu jest przyspieszany przez zewnątrzkomórkową H + i ujemny potencjał błonowy. Może to być fotoreceptor dla komórek przystosowanych do ciemności. Przejściowy wzrost uwodnienia transbłonowych helis α przy at (1/2) = 60 μs zgadza się z początkiem przenikania kationów. Asparaginian 253 przyjmuje proton uwolniony przez zasadę Schiffa (t(1/2) = 10 μs), przy czym ta ostatnia jest ponownie protonowana przez kwas asparaginowy 156 (t(1/2) = 2 ms). Wewnętrzne grupy akceptorów i donorów protonów, odpowiadające D212 i D115 w bakteriorodopsynie, wyraźnie różnią się od innych mikrobiologicznych rodopsyn, co wskazuje, że ich pozycje przestrzenne w białku zostały przeniesione podczas ewolucji. E90 deprotonuje wyłącznie w stanie nieprzewodzącym. Zaobserwowane reakcje przeniesienia protonu i zmiany konformacyjne białek dotyczą bramkowania kanału kationowego.
Halorodopsyny
Bakteriorodopsyna pompuje jeden jon Cl- z ośrodka pozakomórkowego do cytozolu na zaabsorbowany foton. Chociaż jony poruszają się w przeciwnym kierunku, generowany prąd (zgodnie z definicją ruchu ładunku dodatniego) jest taki sam jak dla bakteriorodopsyny i archaerhodopsyny.
Morska bakteryjna rodopsyna
Doniesiono, że morska rodopsyna bakteryjna działa jako pompa protonowa. Jednak przypomina również czuciową rodopsynę II archeonów, a także Orfa z grzyba Leptosphaeria maculans (AF290180). Białka te wykazują 20-30% identyczności ze sobą.
Reakcja transportu
Uogólniona reakcja transportu dla rodopsyn bakterio- i czuciowych to:
- H + (wejście) + hν → H + (wyjście).
To dla halorodopsyny to:
- Cl - (wyjście) + hν → Cl - (wejście).
