Mikrobiyal rodopsin - Microbial rhodopsin

Mor Bakteriyorhodopsin içinde halobakteriler de Cargill bireyin tuz buharlaşma havuzları içinde San Francisco Körfezi bulunan, Newark, California

Bakteriyelhodopsin benzeri protein
Bakteriyelhodopsin trimer
tanımlayıcılar
Sembol	Bac_rhodopsin
Pfam	PF01036
InterPro	IPR001425
PROZİT	PDOC00291
SCOP2	2brd / KAPSAM / SUPFAM
TCDB	3.E.1
OPM süper ailesi	6
OPM proteini	1vgo
Mevcut protein yapıları: Pfam   yapılar / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDB toplamı yapı özeti

Mikrobiyal rhodopsins olarak da bilinen, bakteriyel rhodopsins olan retinal bağlayıcı proteinler ışığa bağımlı sağlayan iyon taşıma ve sensori işlevlerinin halofil ve diğer bakteriler. Sonuncusu retinal için bağlanma noktasını (korunmuş bir lizin) içeren yedi transmembran helezonlu integral membran proteinleridir .

Bu protein ailesi, ışıkla çalışan proton pompalarını , iyon pompalarını ve iyon kanallarını ve ayrıca ışık sensörlerini içerir. Örneğin, proteinler de halobakterilerin içerir bakteriyorodopsin ve archaerhodopsin ışık sürülü olan, proton pompası ; ışıkla çalışan bir klorür pompası olan halorhodopsin ; ve hem fotoçekici (kırmızıda) hem de fotofobik (morötesi) tepkilere aracılık eden duyusal rodopsin . Diğer bakterilerden gelen proteinler arasında proteorhodopsin bulunur .

Mikrobiyal rodopsinler, adlarının aksine sadece Arkea ve Bakterilerde değil , aynı zamanda Ökaryot ( alg gibi ) ve virüslerde de bulunur ; Karmaşık çok hücreli organizmalarda nadir olmalarına rağmen .

isimlendirme

Rodopsin , başlangıçta , kurbağaların ve diğer omurgalıların retinalarında bulunan , loş ışıkta görüş için kullanılan ve genellikle çubuk hücrelerinde bulunan görsel bir pigment (ışığa duyarlı molekül) olan " görsel mor " ile eşanlamlıdır . Bu hala dar anlamda rodopsinin anlamıdır, bu proteine ​​evrimsel olarak homolog herhangi bir protein. Genetik olmayan geniş bir anlamda, rodopsin, bir opsin ve bir kromofordan (genellikle bir retina varyantı) oluşan, genetik kökenle ilişkili olsun veya olmasın (çoğunlukla değil) herhangi bir molekülü ifade eder. Tüm hayvan rodopsinleri , en eski hayvanlardan bitkilerin, mantarların, choanflagellatların ve süngerlerin ayrılmasından sonra ortaya çıkan büyük G-protein kenetli reseptör (GPCR) gen ailesinin tarihinin sonlarında (gen duplikasyonu ve ayrışması ile) ortaya çıkmıştır. Retinal kromofor, yalnızca bu büyük gen ailesinin opsin dalında bulunur, yani başka bir yerde ortaya çıkması, homolojiyi değil, yakınsak evrimi temsil eder. Mikrobiyal rodopsinler, dizi olarak GPCR ailelerinin herhangi birinden çok farklıdır.

Bakteriyel rodopsin terimi, başlangıçta, bugün bakteriorhodopsin olarak bilinen, keşfedilen ilk mikrobiyal rodopsine atıfta bulunmuştur . İlk bakteriorhodopsin Halobacterium salinarum'dan arke kökenli olduğu ortaya çıktı . O zamandan beri, bakteriyel rodopsin terimini belirsiz kılan başka mikrobiyal rodopsinler keşfedildi .

Tablo

Aşağıda, daha iyi bilinen mikrobiyal rodopsinlerin ve bazı özelliklerinin bir listesi bulunmaktadır.

İyon Yer Değiştiren Mikrobiyal Rodopsin Ailesi

İyon translocating Mikrobiyal rodopsin (MR) Aile ( 3.E.1 TC # ) üyesidir TOG süper ailesi ikincil taşıyıcı. MR ailesinin üyeleri, mikrobiyal sitoplazmik membranlar boyunca ışıkla çalışan iyon translokasyonunu katalize eder veya ışık reseptörleri olarak hizmet eder. MR ailesinin çoğu proteini yaklaşık olarak aynı boyuttadır (250-350 amino asil kalıntısı) ve N-terminalleri dışta ve C-terminalleri içte olan yedi transmembran sarmal anahtara sahiptir . MR ailesinde 9 alt aile vardır:

1. Bakteriyelhodopsinler protonları hücre dışına pompalar;
2. Halorhodopsinler hücre içine klorür (ve bromür, iyodür ve nitrat gibi diğer anyonlar) pompalar;
3. Normalde fototaktik davranış için reseptörler olarak işlev gören duyusal rodopsinler, dönüştürücü proteinlerinden ayrışmışlarsa protonları hücre dışına pompalayabilirler;
4. Fungal Chaparone'lar, kötü tanımlanmış biyokimyasal işleve sahip stres kaynaklı proteinlerdir, ancak bu alt aile aynı zamanda bir H ⁺ pompalayan rodopsin içerir;
5. Proteorhodopsin olarak adlandırılan bakteriyel rodopsin, bakteriorhodopsinler gibi işlev gören ışıkla çalışan bir proton pompasıdır;
6. Neurospora crassa retina içeren reseptör, bir olarak hizmet fotoreseptör (I ospin Neurospora);
7. yeşil alg ışık kapılı proton kanalı, Channelrhodopsin-1;
8. Siyanobakterilerden duyusal rodopsinler.
9. Işıkla aktive olan rodopsin/guanilil siklaz

Mikrobiyal rodopsinlerin filogenetik bir analizi ve potansiyel yatay gen transfer örneklerinin ayrıntılı bir analizi yayınlandı.

Yapı

MR Ailesinin üyeleri için yüksek çözünürlüklü yapılar arasında arke proteinleri, bakteriorhodopsin , arkeerhodopsin , duyusal rodopsin II , halorhodopsin ve ayrıca bir Anabaena siyanobakteriyel duyusal rodopsin (TC# 3.E.1.1.6 ) ve diğerleri bulunur.

İşlev

Duyusal rodopsinlerin dönüştürücü proteinleri ile ilişkisi, onların taşıyıcı mı yoksa reseptör olarak mı işlev gördüğünü belirliyor gibi görünmektedir. Duyusal bir rodopsin reseptörünün dönüştürücüsü ile ilişkisi, etkileşen iki proteinin transmembran sarmal alanları aracılığıyla gerçekleşir. Herhangi bir halofilik arkeonda iki duyusal rodopsin vardır, biri (SRI) turuncu ışığa olumlu yanıt verirken mavi ışığa olumsuz yanıt verir, diğeri (SRII) yalnızca mavi ışığa olumsuz yanıt verir. Her dönüştürücü, aynı kökenli reseptörü için özeldir. 1.94 Å çözünürlükte dönüştürücüsü (HtrII) ile kompleks haline getirilmiş bir SRII x-ışını yapısı mevcuttur ( 1H2S ​). Mikrobiyal duyu reseptörleri tarafından ışık sinyali transdüksiyonunun moleküler ve evrimsel yönleri gözden geçirilmiştir.

homologlar

Homologlar, varsayılan mantar şaperon proteinlerini, Neurospora crassa'dan retina içeren bir rodopsin, Leptosphaeria maculans'tan bir H ⁺ -pompalayan rodopsin , deniz bakterilerinden izole edilmiş retinal içeren proton pompaları, siyanobakterilerde iyonları pompalamayan yeşil ışıkla aktive olan bir fotoreseptör ve küçük bir (14 kDa) çözünür dönüştürücü protein ve yeşil alg Chlamydomonas reinhardtii'den ışık kapılı H ⁺ kanalları ile etkileşime girer . N. crassa NOP 1 proteini, bir PHOTOCYCLE ve korunmuş H sergiler ⁺ Bu farazi fotoreseptör yavaş H düşündürmektedir translokasyon kalıntıları ⁺ pompası.

Maya ve mantarlardaki MR ailesi homologlarının çoğu, arke proteinleriyle (283-344 amino asil kalıntısı; 7 varsayılan transmembran α-sarmal segmenti) yaklaşık olarak aynı boyut ve topolojiye sahiptir, ancak bunlar ısı şoku ve toksik solvent kaynaklıdır. bilinmeyen biyokimyasal fonksiyona sahip proteinler. Hücre dışı proteinleri katlayan pmf güdümlü şaperonlar olarak işlev gördükleri öne sürülmüştür, ancak yalnızca dolaylı kanıtlar bu varsayımı desteklemektedir. MR ailesi, 7 TMS LCT ailesi ( TC# 2.A.43 ) ile uzaktan ilişkilidir . MR ailesinin temsili üyeleri Taşıyıcı Sınıflandırma Veritabanında bulunabilir .

Bakteriyelhodopsin

Bakteriyelhodopsin , emilen foton başına sitozolden hücre dışı ortama bir H ⁺ iyonu pompalar . Spesifik taşıma mekanizmaları ve yolları önerilmiştir. Mekanizma şunları içerir:

1. retinanın foto-izomerizasyonu ve ilk konfigürasyon değişiklikleri,
2. retina Schiff bazının deprotonasyonu ve bir protonun hücre dışı membran yüzeyine birleştirilmiş salınımı,
3. Schiff bazının sitoplazmik taraftan yeniden protonlanmasını sağlayan switch olayı.

Altı yapısal model, retinanın dönüşümlerini ve su 402, Asp85 ve Asp212 ile etkileşimini atomik ayrıntıda ve ayrıca Schiff bazından daha uzaktaki fonksiyonel kalıntıların yer değiştirmelerini açıklar . Değişiklikler, bozulmuş retinanın gevşemesinin, su ve protein atomlarının Schiff bazına ve Schiff bazından vektörel proton transferleriyle sonuçlanan hareketlerine nasıl neden olduğuna dair gerekçeler sağlar. Helis deformasyonu, bakteriorhodopsinin fotosiklde vektörel proton taşınmasıyla bağlantılıdır.

Trimerizasyona katılan kalıntıların çoğu, bakterioruberin yokluğunda trimerik bir yapı oluşturabilen homolog bir protein olan bakteriorhodopsin içinde korunmaz. Amino asit dizisindeki büyük bir değişikliğe rağmen, lipidler tarafından doldurulan intratrimer hidrofobik boşluğun şekli, archaerhodopsin-2 ve bacteriorhodopsin arasında yüksek oranda korunur. Bu boşluğa bakan bir transmembran sarmal, proton pompalama döngüsü sırasında büyük bir konformasyonel değişime uğradığından, trimerizasyonun, protein aktivitesi ile ilgili özel lipid bileşenlerini yakalamak için önemli bir strateji olması mümkündür.

Archaerhodopsin

Kovalent bağlı retinal grubu gösteren Archaerhodopsin-3'ün temel durum yapısı: PDB:6S6C.

Archaerhodopsinler, ışıkla çalışan H ⁺ iyon taşıyıcılarıdır. Onlar ifade edildiği bordo membran, bacterioruberin içerdiğini de bakteriyorhodopsin farklılık, ikinci kromofor karşı korumak için düşünülen photobleaching . Bakteriyelhodopsin ayrıca birkaç archaerhodopsin yapılarının N-ucunda gözlemlenen omega halka yapısından yoksundur .

Archaerhodopsin-2 (AR2), Halorubrum sp'nin bordo membranında bulunur . Işıkla çalışan bir proton pompasıdır. Trigonal ve altıgen kristaller, trimerlerin bir petek kafes üzerinde düzenlendiğini ortaya çıkardı. Bu kristallerde, bakterioruberin trimerin alt birimleri arasındaki yarıklara bağlanır. İkinci kromoforun polien zinciri, zar normalinden yaklaşık 20 derecelik bir açıyla eğimlidir ve sitoplazmik tarafta, komşu alt birimlerin AB ve DE helisleri ile çevrilidir. Bu tuhaf bağlanma modu, bakterioruberinin AR2'nin trimerizasyonu için yapısal bir rol oynadığını göstermektedir. Bakterioruberin içermeyen başka bir kristal formundaki aR2 yapısı ile karşılaştırıldığında, proton salma kanalı P321 veya P6(3) kristalinde daha kapalı bir konformasyon alır; yani, proteinin doğal yapısı trimerik protein-bakterioruberin kompleksinde stabilize edilir.

Archaerhodopsin-3 (AR3) mutantları yaygın araçları olarak kullanılan optogenetics nörolojik araştırma için.

Kanalrodopsinler

C. reinhardtii'nin Channelrhodopsin -1 (ChR1) veya channelopsin-1 (Chop1; Cop3; CSOA)'si, arkeal duyusal rodopsinlerle yakından ilişkilidir. Bir sinyal peptidi ile 712 aas'a, ardından kısa bir amfipatik bölgeye ve ardından yedi olası TMS'ye sahip bir hidrofobik N-terminal alanına (76-309) ve ardından yaklaşık 400 tortuluk uzun bir hidrofilik C-terminal alanına sahiptir. C-terminal hidrofilik alanın bir kısmı, hayvanların (AAD30271) kesişimine (EH ve SH3 alanı proteini 1A) homologdur.

Chop1, ışık kapılı bir proton kanalı olarak hizmet eder ve yeşil alglerde fototaksi ve fotofobik tepkilere aracılık eder. Bu fenotipe dayanarak, Chop1 TC kategorisi # 1.A'ya atanabilir , ancak iyi karakterize edilmiş homologların aktif iyon taşınmasını katalize ettiği bir aileye ait olduğu için MR ailesine atanır. Sentezlenmesi chop1 geni veya tüm-trans retinal mevcudiyetinde kurbağa oositlerine yalnızca hidrofobik özünü (kalıntılar 1-346 veya 1-517) kodlayan genin bir kesik biçiminde bir ışık kapılı iletkenlik üreten göstermektedir özellikleri a kanal pasif ama seçici olarak protonlara geçirgendir. Bu kanal aktivitesi muhtemelen biyoelektrik akımlar üretir.

C. reinhardtii'de ChR1'in bir homologu channelrhodopsin-2'dir (ChR2; Chop2; Cop4; CSOB). Bu protein %57 özdeş, %10 ChR1'e benzer. Işık absorpsiyonu ile aktive olan katyon seçici bir iyon kanalı oluşturur. Hem tek değerli hem de çift değerli katyonları taşır. Sürekli ışıkta küçük bir iletkenliğe duyarsızlaşır. Duyarsızlaştırmadan kurtarma, hücre dışı H ⁺ ve negatif bir zar potansiyeli ile hızlandırılır . Koyu adapte hücreler için bir fotoreseptör olabilir. Katyon geçirgenliğinin başlamasıyla birlikte (1/2) = 60 μs sayılarıyla transmembran α-helislerinin hidrasyonunda geçici bir artış. Aspartat 253, Schiff bazı (t(1/2) = 10 μs) tarafından salınan protonu kabul eder, ikincisi aspartik asit 156 (t(1/2) = 2 ms) tarafından yeniden protonlanır. Bakteriorhodopsin içindeki D212 ve D115'e karşılık gelen dahili proton alıcı ve donör grupları, diğer mikrobiyal rodopsinlerden açıkça farklıdır, bu da proteindeki uzaysal konumlarının evrim sırasında yeniden konumlandırıldığını gösterir. E90, yalnızca iletken olmayan durumda deprotone eder. Gözlenen proton transfer reaksiyonları ve protein konformasyonel değişiklikleri, katyon kanalının geçişi ile ilgilidir.

halorodopsinler

Bakteriyelhodopsin , emilen foton başına hücre dışı ortamdan sitozole bir Cl ⁻ iyonu pompalar . İyonlar zıt yönde hareket etse de, üretilen akım (pozitif yükün hareketiyle tanımlandığı gibi) bakteriorhodopsin ve arkerhodopsinlerle aynıdır.

Deniz Bakteriyel Rodopsin

Bir deniz bakteriyel rodopsinin bir proton pompası olarak işlev gördüğü rapor edilmiştir. Bununla birlikte, aynı zamanda arkelerin duyusal rhodopsin II'sinin yanı sıra Leptosphaeria maculans mantarından (AF290180) bir Orf'a benzer. Bu proteinler birbirleriyle %20-30 özdeşlik gösterirler.

Taşıma Reaksiyonu

Bakteriyo ve duyusal rodopsinler için genelleştirilmiş taşıma reaksiyonu:

H ⁺ (in) + hν → H ⁺ (çıkış).

Halorhodopsin için bu:

Cl ⁻ (dışarı) + hν → Cl ⁻ (inç).

Ayrıca bakınız

• Bakteriyelhodopsin
• proteorodopsin
• opsin

Referanslar