Родопсин (версия Миг)

Рис.2. Схематическое изображение палочки, фоторецепторного диска наружного сегмента, фоторецепторной мембраны диска и молекулы родопсина, в центре которой находится ее хромофорная группа — 11-цис-ретиналь, ковалентно связанный с белковой частью (опсином).

Родопси́н (от др.-греч. ρόδον — роза и др.-греч. όπσις — зрение (версия Миг); иногда в качестве синонима используют устаревшее название — зри́тельный пу́рпур) — группа зрительных пигментов, несколько различных по строению у разных видов животных (см. опсины (версия Миг)). Содержится в палочках сетчатки глаза морских беспозвоночных, рыб, почти всех наземных позвоночных и человека. Относится к сложным белкам — хромопротеинам.

• Модификации белка, свойственные различным биологическим видам, могут существенно различаться по структуре и молекулярной массе.

Или это зрительные фотопигменты опсины (версия Миг) в сетчатке позвоночных в фоторецепторах колбочках и палочках (например, родопсин (версия Миг) в палочках) — это сложные молекулы, которые представляет собой хромогликопротеиды, содержащие одну хромофорную группу, две олиго-сахаридные цепочки и водонерастворимый мембранный белок опсин.

Родопсин принадлежит к обширному семейству G-белоксопряжённых рецепторов (GPCR-рецепторов), названному так за механизм трансмембранной передачи сигнала, основанный на взаимодействии с внутриклеточными примембранными G-белками. Появление его пространственной структуры, полученной с высоким экспериментальным разрешением, является очень важным событием для биологии и медицины, поскольку родопсин как «родоначальник» семейства А GPCR-рецепторов является своего рода «моделью» структуры и функций множества других рецепторов, чрезвычайно интересных с фундаментальной и практической (фармакологической) точек зрения. Свое название родопсин получил за ярко-красный цвет (по-гречески rhodon — означает «розовый», a opsis — зрение).

История открытия и исследований родопсина

Пурпурная окраска клеток-палочек была обнаружена Генрихом Мюллером (Heinrich Müller) в 1851 году; он приписал её гемоглобину. Он извлек из глаза лягушки сетчатку; она оказалась розовато-пурпурной, но очень скоро обесцветилась. Это столь интересное наблюдение было забыто.

В 1876 году Франц Болл (Franz Boll, 1876) из Римского университета выделил фоточувствительный пигмент из палочки сетчатки лягушки. Он обнаружил, что сетчатка лягушки чувствительна к свету, и после освещения меняет свою окраску на жёлтую, с последующим обесцвечиванием. Болл также продемонстрировал, что после некоторого времени пребывания в темноте сетчатка животных приобретает изначальную яркую окраску.

Вилли Кюхне (Willy Kühne), физиолог из Германии, продолживший работы Франца Болла, определил, что пигмент, отвечающий за окраску сетчатки — это белок наружных сегментов палочек (НСП), и назвал его «зрительным пурпуром» (родопсином). Кюхне выделил родопсин из клеток пигментного эпителия сетчатки, сравнил спектроскопические свойства этого белка и препарата сетчатки. Он постулировал, что жёлтый и бесцветный продукты, образующиеся под действием света, химически различны, и заключил, что генерация сетчаткой электрических импульсов является следствием реакции на свет.

В 1933 году строение и химические свойства родопсина были изучены Джорджем Уолдом (George Wald, 1950, 1959) и его коллегами по Гарвардскому университету, которые впервые выделили из препарата сетчатки вещество, первоначально идентифицированное как витамин А, что объяснило феномен «куриной слепоты» у пациентов с авитаминозом по этому каротиноиду (к тому времени еще мало было известно о биохимической роли витаминов). Позже оказалось, что кофактором является ретиналь — соответствующий витамину А (ацетату ретинола) альдегид. Уолд и коллеги продемонстрировали, что ретиналь, добавленный в темноте к обесцвеченному родопсину, способен восстанавливать «свежий» пигмент, причём этим действием обладает только 11-цис-изомер. Они открыли, что родопсин состоит из двух компонентов — бесцветного белка, называемого опсином или жёлтым пигментом и 11-цис-ретиналя, ковалентно связанного хромофора каротиноидной природы, акцептирующего свет. В 1967 году Уолд получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за исследования в области физиологии и биохимии зрения», а также за открытие биохимической роли витамина А (см. Нобелевская речь Уолда, 1967, на англ. языке).

Полная аминокислотная последовательность родопсина была определена в 1982 году в Институте биоорганической химии АН СССР Ю. А. Овчинниковым и сотр. [3] и несколько позже подтверждена анализом структурного гена родопсина Д. Хоггнесом и Дж. Натансом в США. Было показано, что в последовательности родопсина длиной 348 аминокислотных остатков присутствует семь протяжённых участков, состоящих из неполярных аминокислотных остатков, образующих трансмембранные ™ α-спирали, соединенные вне- и внутриклеточными участками-«петлями». При этом N-конец находится во внеклеточной области, а C-конец — в цитоплазматической. Такая топология рецептора была подтверждена ограниченным протеолизом белка в составе нативной мембраны, обработкой моноклональными антителами и химической модификацией проникающими и непроникающими агентами. Также было установлено место прикрепления кофактора: ретиналь связывается альдиминной связью с остатком ЛИЗ-296, находящимся в седьмой (последней) ТМ α-спирали.

Пространственная структура родопсина долго не поддавалась изучению «прямыми» методами, рентгеноструктурным анализом (РСА) и спектроскопией ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В то время как атомная структура другого мембранного белка, со схожей семиспиральной топологией (бактериородопсин) была определена Гендерсоном и сотр. еще в 1990-м году, структура зрительного родопсина высокого разрешения оставалась неизвестной до 2000 года.

Структура молекулы родопсинов

Трансдукция (перенос фрагмента молекулы) родопсина

Функции родопсина

Под действием света светочувствительный зрительный пигмент изменяется и один из промежуточных продуктов его превращения непосредственно ответствен за возникновение зрительного возбуждения. Зрительные пигменты, содержащиеся в наружном сегменте фоторецепторной клетки, представляют собой сложные окрашенные белки (хромопротеиды). Та их часть, которая поглощает видимый свет, и называется хромофором. Это химическое соединение — альдегид витамина А, или ретиналь. Белок зрительных пигментов, с которыми связан ретиналь, называется опсином.

При поглощении кванта света (фотона) хромофорная группа белка (11-цис-ретиналь) изомеризуется в транс-форму. Возбуждение зрительного нерва происходит при фотолитическом разложении родопсина за счёт изменения ионного транспорта в фоторецепторе. Впоследствии родопсин восстанавливается (регенерирует) в результате синтеза 11-цис-ретиналя и опсина или в процессе синтеза новых дисков наружного слоя сетчатки.

Родопсин относится к суперсемейству трансмембранных рецепторов GPCR (рецепторов, связанных с G-белками). При поглощении света конформация белковой части родопсина меняется, и он активирует G-белок трансдуцин, который активирует фермент цГМФ-фосфодиэстеразу. В результате активации этого фермента в клетке падает концентрация цГМФ и закрываются цГМФ-зависимые натриевые каналы. Так как ионы натрия постоянно выкачиваются из клетки АТФ-азой, концентрация ионов натрия внутри клетки падает, что вызывает её гиперполяризацию. В результате фоторецептор выделяет меньше тормозного медиатора глутамата, и в биполярной нервной клетке, которая «растормаживается», возникают нервные импульсы.

Спектр поглощения родопсина

Рис. 1. Спектры поглощения Родопсина

Рис. 2a. Спектральные характеристики родопсина и опсина: не цветные — палочки и трёх других типов опсинов — колбочек в цвете S.M.L.

Специфический спектр поглощения зрительного пигмента определяется как свойствами хромофора и опсина, так и характером химической связи между ними (подробнее об этом см. обзор:). Этот спектр имеет два максимума — один в ультрафиолетовой области (278 нм.), обусловленный опсином, и другой — в видимой области (около 500 нм.), — поглощение хромофора рис. 1. Превращение при действии света зрительного пигмента до конечного стабильного продукта состоит из ряда очень быстрых промежуточных стадий. Исследуя спектры поглощения промежуточных продуктов в экстрактах родопсина при низких температурах, при которых эти продукты стабильны, удалось подробно описать весь процесс обесцвечивания зрительного пигмента.

На Рис.1, кривая 1, паказан ‎спектр поглощения родопсина, содержащий три основные полосы:

• α — (500 нм),
• β — (350 нм),
• γ — (280 нм).

Полосы α — (500 нм) и β — (350 нм) относятся к области поглощения хромоформной группы (полоса в спектре поглощения родопсина на графике кривой палочкового сумеречного видения). Полоса γ — (280 нм) — относится к группе поглощения ароматических аминокислот белка — триптофана, тирозина и фенилаланина. Это благодаря фоточувствительности родопсина (ответная реакции выхода сигнала происходит при воздействии квантового фотосигнала величиной в 0,67). Всё это в зоне не цветного зрения. (См. Фотобиологический парадокс зрения восприятия света и фактора риска,Ретиномоторная реакция фоторецепторов сетчатки глаза).

На Рис. 1 показаны спектры поглощения родопсина лягушки Rana temporaria в дигитониновом экстракте. Видны два максимума поглощения в видимой (500 нм.) и ультрафиолетовой (280 нм.) области. График 1 — родопсин (восстановленный пигмент); 2 — индикатор жёлтый (обесцвеченный пигмент). По оси абсцисс — длина волны (λ); по оси ординат — оптическая плотность (D).

На рисуноке 2а. Показаны спектральные характеристики родопсина (палочки) и трёх других типов опсинов (колбочки). Цветное зрение приматов трихроматично, то есть определяется тремя типами клеток-«колбочек», содержащих каждая свой тип светочувствительного пигмента, по аминокислотной последовательности и структуре очень схожего с родопсином. На рисунке приведены нормализованные спектры поглощения «синего» (β), «зелено-голубого» (γ) и «жёлто-зеленого» (ρ) пигментов из S,M,L — колбочек, соответственно. Также показан спектр родопсина из клеток - чёрных «палочек» (обозначен пунктиром), т.е. без цвета.

В хрусталике глаза и тканях сетчатки существует пигмент типа меланина, анологичный тому, что содержится в коже. Он имеет желтоватый или коричневый оттенок и служит для того, чтобы предотвратить попадание определённой части световой энергии, в особенности коротковолновой энергии, на сетчатку. При этом он является светофильтром отсекающим губительную для тканей и рецепторов УФ область спектра особенно для колбочек сетчатки глаза.. Поэтому, при высоком уровне световой освещённости — менее 500 нм для различения сумеречного и ночного освещения, максимум чувствительности палочки (в которой содержится родопсин) находится не в зоне дневного освещения, а в зоне синей части спектра с длинами волн менее 498 нм.

В живом глазу наряду с разложением зрительного пигмента, естественно, постоянно идёт процесс его регенерации (ресинтеза). При темновой адаптации этот процесс заканчивается только тогда, когда весь свободный опсин соединился с ретиналем.

Дневное и ночное зрение

Из спектров поглощения родопсина видно, что восстановленный родопсин (при слабом «сумеречном» освещении) отвечает за ночное зрение, а при дневном «цветовом зрении» (ярком освещении) разлагается и максимум его чувствительности смещается в синюю область. Это наглядно показывает известный Эффект Пуркинье (версия Миг).

При достаточном, дневном освещении освещении палочка автоматически уходит из зоны восприятия дневных лучей RGB и для восприятия дневного света открываются колбочки (см. Ретиномоторная реакция фоторецепторов сетчатки глаза), которые выделяют основные лучи видимого спектра сфокусированной предметной точки. Сигналы этих лучей равны длинам волн S,M,L (синих, зелёных, красных) не в цвете). Посылая их в мозг, в зрительных отделах создаётся цветное оптическое изображение стерео.  Полное восстановление родопсина у человека (в темноте или при слабом освещении) занимает около 30 минут; в течении всего этого периода чувствительность нашего «сумеречного зрения» постепенно увеличивается, достигая максимума.

На основе проведённых фундаментальных исследований академика биохимика М. А. Островского в области работы фотопигмента родопсин в палочках (см. также Биохимия зрения и свободно-радикальное окисление клеток сетчатки глаза) было также подтверждено, что палочки с фотопигментом родопсином участвуют в зрительном процессе в условиях сумеречного и ночного зрения (чёрно-белого).

Замечание

Фоторецепторные клетки Колбочки, Палочки и ганглиозные клетки ipRGC (Свет снизу)

Рис. Ф. RPE — РПЕ, Ретинальный пигментный эпителий сетчатки глаза OS — Наружный сегмент экстерорецепторов IS — Внутренний сегмент фоторецепторов ONL — Внешний зернистый слой — Внешний ядерный слой OPL — Внешний сплетениевидный слой сетчатки глаза INL — Внутренний ядерный слой IPL — Внутренний сплетениевидный слой сетчатки глаза GC — Ганглионарный слой BM — мембрана Бруха P — Пигментные эпителиоциты C — Колбочки сетчатки глаза R — Палочки сетчатки глаза Стрелка и пунткирна линия — внешняя пограничная мембрана H — Горизонтальные клетки сетчатки глаза Bi — Биполярные клетки сетчатки глаза M — Клетки Мюллера A — Амакриновые клетки (версия Миг) G — Ганглиозные клетки ipRGC Ax — Аксоны

При рассмотрении вопросов визуального зрения, вопросов восприятия и воздействия видимых лучей света на зрительную систему, следует различать и отличать понятия яркость света — физическая величина от яркости цвета — биологическая величина.

Яркость цвета связана с цветным зрением, нашим личным, биологическим восприятием световых видимых более слабых лучей (электромагнитных колебаний) (см. дневное зрение). Так с колбочками S,M,L, (синих, зелёных, красных) с пиком длиной волны более 496 нм, которые нашим глазом воспринимаются как очень яркие (вопросы приспосабливаемости и выживания живых организмомв), хотя они физически по энергетике более слабые. У них частота колебаний волн более низкая, чем у синих, УФ лучей (длина волн менее 496нм). Дневной образ жизни животных связан с окружающей средой обитания, где в основном все объекты освещены дневными лучами света, а прямой и отражённый видимый спектр света содержит основные видимые лучи S,M,L,, которые более слабые, но биологически отбираются как наиболее яркие. Понятно, почему мы не видим Уф лучи, рентгеновские лучи и т.д. Природа выбрала свой вариант восприятия среды обитания и защиты глаза от ненужных ей сильных УФ, фиолетовых, высокочастотных синих лучей с длинами волн менее 498 нм. Например, синие, УФ лучи с длинами волн менее 496 нм для глаза являются не яркими, и колбочками не воспринимаются, т.к. они блокируются от попадания на колбочки ганглиозными и биполярными клетками сетчатки глаза, хотя они более мощные! (Парадокс). (См. рис. Ф).

Для восприятия лучей света при слабом освещении в условиях сумеречного и ночного зрения — "монохромных лучей" с длинами волн менее 498нм, в условиях "ночного видения" служат экстерорецепторы, называемые палочками, которые имеют пик чувствительности вокруг 496 нм и менее с фотопигментом высокой чувствительности при слабом освещении родопсином к лучам синим и УФ с высокой частотой колебаний (менее 496нм). (Колбочки их не воспринимают).

Откуда биологические понятия яркости и контрастности цвета при зрении отличаются от физическbх понятий яркости и контрастности света.

Литература

На русском языке

• Страйер Л., Биохимия. пер. с англ., т. 3, М., 1985, с. 340‒348
• Абдулаев, Нажмутин Гаджимагомедович. Родопсины: структура и функции. Автореф. д.х.н., М., 1985

На английском языке

• N. N. Vsevolodov. Biomolecular electronics: an introduction via photosensitive proteins
• Ovchinnikov Yu. А., «FEES letters», 1982, v. 148(2), p. 179‒191
• Applebury M., Hargrave P., «Visual Res.», 1986, v. 26 (12), p. 1881‒1895
• Shichida Y., «Photobio-chemistry and Photobiophysics», 1986, v. 13 (3), p. 287‒307
• Pugh E., Cobbs W., «Visual Res.», 1986, v. 26 (10), p. 1613‒1643
• Bennett N.. Sitaramayya A., «Biochemistry», 1988, v. 27 (5), p. 1710‒1715

См. также

• Опсины (версия Миг)
• Палочки сетчатки глаза (версия Миг)
• Теория трёхкомпонентного цветного зрения (версия Миг)
• Зрение (версия Миг)
• Развитие экстерорецепторов колбочек и палочек сетчатки глаза
• Эволюция и генетика фотопигментов сетчатки глаза при цветном зрении

Литература

• М. А. Островский ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС ЗРЕНИЯ

Внешние ссылки

На английском языке

• The Rhodopsin Protein
• Photoisomerization of rhodopsin, animation.
• Rhodopsin and the eye, summary with pictures.
• UMich Orientation of Proteins in Membranes families/superfamily-6 — Calculated spatial positions of rhodopsin-like proteins in membrane
• MeSH Rhodopsin