Детальный анализ искаженной сетчатки и ее взаимодействия с окружающими остатками в K-интермедиате бактериородопсина

Биология связи, том 6, Номер статьи: 190 (2023) Цитировать эту статью

822 Доступа

1 Цитаты

6 Альтметрика

Подробности о метриках

K-интермедиат бактериородопсина, перекачивающего протоны, является первым промежуточным продуктом, образующимся после изомеризации ретиналя в 13-цис-форму. Хотя до сих пор сообщалось о различных структурах промежуточного соединения K, они отличаются друг от друга, особенно с точки зрения конформации хромофора сетчатки и его взаимодействия с окружающими остатками. Мы сообщаем здесь точный рентгеновский кристаллографический анализ структуры K. Полиеновая цепь 13-цис-ретиналя имеет S-образную форму. Боковая цепь Lys216, которая ковалентно связана с ретиналем посредством связи с основанием Шиффа, взаимодействует с остатками Asp85 и Thr89. Кроме того, Nζ-H протонированной связи Шиффового основания взаимодействует с остатком Asp212 и молекулой воды W402. На основе квантово-химических расчетов этой K-структуры мы исследуем факторы, стабилизирующие искаженную конформацию ретиналя, и предлагаем способ релаксации к следующему L-интермедиату.

Бактериородопсин (bR) представляет собой светоуправляемый протонный насос, встречающийся в плазматической мембране археи Halobacterium salinarum1,2, и в настоящее время является одним из наиболее интенсивно изучаемых мембранных белков3,4. Подобные микробные родопсины, действующие как ионные насосы, каналы и сенсоры, были обнаружены не только у архей, но также у бактерий, грибов и даже вирусов5,6,7. Все эти белки, как и bR8, имеют семь трансмембранных спиралей и центральный хромофор сетчатки. Ретиналь имеет полиеновую основу с длинными сопряженными двойными связями. В случае bR хромофор сетчатки образует связь Шиффового основания (SB) с остатком лизина в положении 216 (Lys216). В адаптированном к свету состоянии покоя ретиналь принимает полностью транс-конформацию. Поглощение света вызывает изомеризацию двойной связи C13–C14 сетчатки из транс-конформации в цис-конформацию. Структурные изменения распространяются на белковую часть и выражаются соответствующие функции.

В случае БР происходит реакционный цикл, в котором последовательно образуется ряд интермедиатов (I, J, K, L, M, N, O). В реакционном цикле БР одиночный протон транспортируется изнутри наружу плазматической мембраны. Интермедиат K, который характеризуется пиком поглощения при 590 нм при комнатной температуре9, является первым интермедиатом, образующимся после изомеризации ретиналя в 13-цис-форму. Промежуточное соединение K может быть захвачено световым облучением при криогенных температурах10. Было показано, что промежуточное соединение K, полученное при криогенных температурах, имеет почти те же характеристики в колебательных полосах, что и промежуточное соединение, полученное кратковременно при комнатной температуре11,12. Структура промежуточного соединения K была впервые исследована с помощью метода крио-ловушки в сочетании с рентгеновской кристаллографией13,14,15,16 (дополнительная таблица 1). Структура также была исследована с помощью последовательных фемтосекундных кристаллографических исследований с временным разрешением (TR-SFX)17,18,19 (дополнительная таблица 1). Эти исследования показали, что структурные изменения при образовании промежуточного соединения K невелики и все еще ограничены окрестностями сетчатки. Таким образом, промежуточное соединение K является интересным объектом исследования, который может дать представление о хранении и распространении энергии в белках. Однако среди ранее описанных K-структур в конформации ретиналя и деталях его взаимодействия с окружающими остатками можно обнаружить множество несоответствий. По этой причине решающие моменты в хранении и распространении энергии внутри белков остаются плохо изученными, хотя оценка запасенной энергии была сделана ~50 кДж/моль20.

Возможность манипулировать клетками с помощью света недавно привела к использованию световых родопсинов для преднамеренной активации нейронов и других клеток с помощью оптогенетики21,22. Кроме того, были проведены обширные исследования по использованию БР в фотоматериалах23,24. С точки зрения развития приложений с использованием родопсинов и других фотоактивных белков важно выяснить механизм, с помощью которого фотоизомеризация хромофора транслируется в функциональные движения в белках. Поэтому в этом исследовании мы сосредоточились на bR, который является одним из наиболее изученных фотоактивных белков, и провели структурный анализ с высоким разрешением, чтобы точно определить конформацию его хромофора сетчатки и взаимодействия с белковым окружением в промежуточном продукте K.