רודופסין
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
רודופסין הוא אחד מהפיגמנטים האחראים לקליטת האור בעין. הרודופסין נמצא בתאי הקנה שברשתית. הוא מורכב מהחלבון אופסין הקשור קוולנטית למולקולת רטינל הנמצאת במרכזו. מולקולת הרטינל מתפקדת ככרומופור וגורמת לשינוי מבני באופסין בתגובה לקליטת פוטון. שינוי מבני זה מפעיל את החלבון טרנסדיוצין אשר מעביר את הסיגנל הלאה בתא הקנה וממנו למרכז הראיה במוח. חלבון הרודופסין משמש כמערכת מודל לחקר קולטנים נוספים ממשפחת קולטנים מצומדי חלבון G, עמה הוא נמנה.
תוכן עניינים |
[עריכה] רקע וחשיבות
ברשתית יונקים קיימים שני סוגי תאים האחראים על הראיה: תאים הרגישים לאור יום ולצבעים שונים הנקראים מדוכים ותאים לראיית לילה, הקולטים אור בעוצמה נמוכה ואינם רגישים להבדלי צבעים, הנקראים קנים.
רודופסין הוא הפיגמנט קולט-האור שבקנים. רודופסין ממוקם בממברנות פנימיות בתא הקנה, בעלות מבנה של דסקיות הערומות באופן צפוף זו על זו (כ-2000 דסקיות בכל תא). הרודופסין בנוי משני מרכיבים: מפפטיד בן 348 חומצות אמינו בשם אופסין (Opsin) וממולקולת רטינל, נגזרת אלדהידית של ויטמין A, המשמשת ככרומופור[1]. החלבון אופסין שייך למשפחת קולטנים מצומדי חלבון G, אשר מפעילים מסלולי בקרה תוך תאיים בתגובה לאותות חיצוניים. הפעלה של חלבונים במשפחה זו על ידי סיגנל חיצוני גורמת לשינוי מבני בצד התוך תאי של הקולטן ומאפשרת קשירה והפעלה של חלבון G מתאים. האותות החיצוניים מגוונים ויכולים להיות יונים, חומצות גרעין, פפטידים, הורמונים ומולקולות טעם וריח ועוד. במקרה של הרודופסין הסיגנל הוא אור הנקלט ברטינל, ומאפשר את תחילתו של תהליך הראייה.
הפוטון הנקלט ברטינל גורם לסדרה של שינויים מבניים ברודופסין. שינויים מבנים אלו גורמים להפעלת חלבון G בשם טרנסדיוצין (transducin) או Gt. תהליך זה ידוע כ"תהליך ההלבנה", מכוון שרודופסין מאבד את צבעו במהלכו. זהו תהליך מהיר ומרגע עירור הכרומופור על ידי פוטון ועד להפעלת הרודופסין משך הזמן הוא מסדר הגודל של מילישניות בודדות[2].
בדומה לרודופסין קיימים מגוון של פיגמנטי ראייה נוספים בעלי טווח ספקטרלי רחב, החל מאולטרא סגול וכלה באור אינפרא אדום, וביניהם קיים דמיון מבני רב. הכרומופור בכל פיגמנטי הראייה הללו הוא נגזרת אלדהידית של ויטמין A, ועל כן מחסור בויטמין A עלול לגרום לעיוורון[3].
מערכת הרודופסין נוחה להפעלה מלאכותית ומדויקת באמצעות אור ולכן אפיון פיזיקלי של תפקודה במימד הזמן הוא נוח, כמו-כן תהליך הבידוד של הרודופסין בכמויות גדולות מרשתיות של בקר הוא פשוט. על-כן מערכת זו הפכה למערכת מודל נוחה בפענוח מנגנון הראייה בפרט ופעילות קולטנים מצומדי חלבוני G בכלל. הבנה מעמיקה של התנהגות הכרומופור והשפעתו המבנית והאנרגטית על רודופסין בכללו, היא צעד מפתח בכך.
הרודופסין נחקר במגוון שיטות ספקטרליות, גנטיות, ביוכימיות ואף נקבע מבנהו התלת-ממדי בעזרת התאבכות קרני רנטגן[4].
[עריכה] רטינל
הרטינל היא מולקולה ממשפחת הקרטינואידים הנוצרת מחמצון של ויטמין A. היא בעלת מערכת מצומדת של קשרים כפולים הגורמת לבליעת אור בתדרי אור נראה. תחום אורכי הגל הנבלעים תלוי בסביבה הכימית הנוצרת בפנים החלבון, ולכן הומולוגים של הרודופסין בולעים בטווח צבעים שונה. בליעה של פוטון גורמת לעירור של הרטינל ולאיזומריזציה של הקשר הכפול בין פחמנים 11 ו-12 מציס לטרנס. שינוי קונפיגורציה זה גורם לשינויים אלוסטריים בחלבון ובכך להפעלת הרודופסין[5].
הרטינל קשור קוולנטית לאופסין באמצעות בסיס שיף הנוצר עם שייר ליזין 296 השמור אבולוציונית. שייר זה ממוקם בחלק הממברנלי של הקולטן על סליל האלפא השביעי. בסיס השייף קשור לפרוטון, ועל מנת לייצב את המטען החיובי של הפרוטון, נמצא בסמוך לו שייר קרבוקסילי טעון שלילית, של שייר גלוטמט 113, השמור אבולוציונית אף הוא. הטבעת ההידרופובית של הרטינל יוצרת אינטראקציה עם כיס הידרופובי פנימי ברודופסין. משמע, הרטינל מקובע בשלושה סוגי קשרים שונים לאופסין ומשני קצותיו. אופן קשירה זה מאפשר לרטינל לגרום לשינויים אלוסטריים מקיפים ברודופסין בעת האיזומריזציה.
תהליך איקטוב הרודופסין ניתן לחלוקה למספר תהליכי-ביניים. ה"תהליך הראשוני" מוגדר כמעבר ממצב מעורר ראשוני, גבוה אנרגטית, חומר-ביניים אנרגטי נמוך יותר, הנקרא "באתו-רודופסין" (Batho-Rhodopsin). התהליך הראשוני מאופיין בהסטה לאדום של אזור מקסימום הבליעה ל-543 ננומטר. האיזומריזציה של מלקולת הרטינל מתרחשת לאחר כ-200 פמטושניות מרגע קליטת הפוטון ומיד לאחר מכן נוצר חומר-הביניים באתו. בתהליך הראשוני נקבעת הניצולת הקוונטית של בליעת הפוטון, ועל כן הבנתו היא מרכזית בחקר הרודופסין.
המהירות האדירה של תהליך זה אפשרית בשל הסביבה הכימית הייחודית השוררת בתוך הרודופסין, והיא מהריאקציות המהירות ביותר הידועות בכימיה. האיזומריזציה מהירה מכדי לאפשר שינוי קונפורמציה משמעותי באופסין, ולכן האיזומריזציה כולה מתרחשת בתוך אתר הקשירה המקורי של הציס-רטינל. מנגנון זה מאפשר שימור מרבית האנרגיה של הפוטון (ניצולת של 0.67). אנרגיה זו משתחררת על-ידי הרפיית המתח הסטרי באמצעות שינויי קונפורמציה הדרגתיים, במספר שלבי ביניים (לומי ומטא1). זאת עד להגעה למצב הפעיל של הרצפטור, מטא2.
בסופו של תהליך ההלבנה משתחררת אנרגיית הפוטון כולה והטרנס-רטינל מתנתק מהחלבון. כמו-כן חשוב לציין את אנרגיית השפעול הגבוהה למעבר ממטא1 למצב הפעיל, מטא2. אנרגית אקטיבציה גבוהה זו מגדילה את האינרטיות הכימית הכמעט-מוחלטת של הרודופסין בחשכה מכוון שהיא גבוהה בהרבה מהאנרגיה התרמית של הסביבה. מנגנון זה הוא דוגמה מצוינת לאיזון התרמודינמי והקינטי העדין הקיים במערכות ביולוגיות. הניצולת הגבוהה של הרצפטור יחד עם אנרגיית השפעול הגבוהה של חומר-הביניים הפעיל נחוצה להגדלת יחס רעש-אות של המערכת. כל זאת בנוסף לרגישות של מערכת זו, עד כדי כך שפוטון יחיד מסוגל להפעיל את מערכת ראיית הלילה.
[עריכה] אופסין
אופסין הוא המרכיב החלבוני של רודופסין המורכב משרשרת פפטידית יחידה. בדומה לכלל החלבונים במשפחת הקולטנים המצומדים לחבון G, האופסין מכיל שבעה סלילי אלפא חוצי-ממברנה, שלוש לולאות בצד הציטוזולי ושלוש לולאות בצד החוץ-תאי. כך שניתן לחלק את האופסין לשלושה אזורים מבחינת יחסי תפקוד-מבנה: האזור הציטוזולי/תוך-תאי (קצה קרבוקסילי), האזור החוץ-תאי (קצה אמיני) וביניהם האזור הממברנלי.
האזור הציטוזולי מאופיין, בנוסף לשלושת הלולאות שבו, בסליל אלפא שמיני קצר, סמוך לזנב הקרבוקסילי, בעל אופי אמפיפילי. צירו של סליל האלפא השמיני כמעט מקביל לממברנה והוא קבור בה בחלקו. בנוסף הוא מעוגן לממברנה בקצהו על ידי קשירתן של שתי קבוצות פאלמיתוייל (palmitoyl) לציסטאינים 322 ו-323 באופן המבטיח את סמיכותו של הסליל לממברנה. סליל 8 מפגין שמירות אבולוציונית ונראה כי יש לו תפקיד, יחד עם הלולאות הפנימיות 2 ו-3, בקשירתו של טרנסדיוצין בשלב ה-מטא2.
האזור החוץ-תאי של אופסין חשוב לקיפול נכון של החלבון, לעיבודו הנכון בתא ולתעבורתו בתא אל ממברנות הדסקיות. בהתאם לכך מוטציות בלולאות החוץ התאיות גורמות להיתקעות של האופסין ב-רטיקולום האנדופלזמטי, וליצירת קומפלקסים של האופסין עם שפרונים. דוגמה לחשיבות של אזור זה ליציבות החלבון היא קשר די-סולפידי המקשר בין לולאה חיצונית 2 לסליל 3. קיומו של הקשר הדי-סולפידי חשוב בייצוב מבנה כיס-הקשירה של רטינל. מאפיין נוסף של אזור זה הוא סוכרים הקשורים בזנב האמינו של החלבון על אספרגינים 2 ו-15 ברצף החלבון ודרושים להפעלה תקינה של טרנסדיוצין בתגובה לאור.
האזור הממברנלי מכיל את הכיס הקושר את הרטינל. באזור זה אינטראקציות רבות המייצבות את מצב היסוד של הרודופסין ומאפשרות לו בכך יציבות גבוהה בחשכה. ארבע רשתות של קשרי מימן מקשרות בין הסלילים השונים באזור זה. בקרבת אזור המגע עם הציטוזול, בקצהו הקרבוקסילי של סליל 3 (שיירים 106 עד 139), מצוי מוטיב ה-E(D)RY (שיירים 134 עד 136). זהו מוטיב נפוץ מאוד בקולטנים מצומדי חלבון G (אם כי בדרך-כלל הרצף הוא DRY) ובעל תפקיד בבקרת הקשר עם חלבון ה-G. במצב הלא פעיל של רודופסין מוטיב זה נמצא באינטראקציה יונית עם גלוטמט 247. קשר יוני זה נשבר בשלב אקטיבציית החלבון כתוצאה מאיזומריזצית הרטינל הגורמת לתזוזת סליל 6. תזוזה זו חושפת את המוטיב לציטוזול ומאפשרת לו ליצור אינטראקציה עם חלבון ה-G.
סליל מרכזי נוסף הוא סליל 7 אשר מכיל את ליזין 296, השייר היוצר את בסיס השייף עם הרטינל. הקצה הקרבוקסילי של סליל 7 מכיל את מוטיב ה-NPXXY, אשר אופייני גם הוא בקולטנים מצומדי חלבון G. מוטיב זה יוצר מספר אינטראקציות עם סליל 2 ועל כן חשוב ביציבות המבנה של הרצפטור.
מוטציות ברצף של גן האופסין גורמות בדר"כ לניוון ראייתי חמור דומיננטי ואוטוזומלי בשם רטיניטיס פיגמנטוזה. לעומת זאת מוטציות המוחקות לחלוטין את הגן או מונעות מהגן להיות משועתק או מתורגם לחלבון גורמות רק לפנוטיפ רצסיבי של המחלה. בעוד, בהטרוזיגוטים למוטציות כאלו ניכרת רק ירידה חלקית בתפקוד הראייה. עובדות אלו מדגימות את החשיבות של כמות הפיגמנטים בתא הקנה והקריטיות של תפקודם התקין של הרצפטורים כולם.
[עריכה] טרנסדיוצין
טרנסדיוצין הוא חלבון ה-G המצומד לרודופסין. טרנסדיוצין הינו בעל שלוש תת-יחידות: α, β ו-γ. לאחר הפעלת הרודופסין מתבצעת החלפה של GDP ל-GTP ביחידת האלפא של טרנסדיוצין. החלפה זו מפעילה את טרנסדיוצין, אשר מפעיל את cGMP-phosphodiesterase. הפעלה זו גורמת לירידה בריכוז ה-cGMP בתא. הירידה בריכוז ה-cGMP גורמת לסגירת תעלות יונים תלויות cGMP ובכך לקיטוב של התא, אשר גורם ליצירת פוטנציאל פעולה בתא ולהפעלת הסינפסה.
קיים מנגנון "כיבוי" למצב-הפעיל ברודופסין. לאחר הפעלת הרודופסין מתבצע בו זירחון בשלוש עמדות סרין (334, 338, 343) על ידי חלבון בשם רודופסין-קינאז (Rhodopsin-Kinase). אל הרודופסין המזורחן נקשר החלבון ארסטין (arrestin), אשר "מכבה" את הרודופסין הפעיל. ארסטין נקשר בספציפיות ובמהירות גבוהה ובכך גורם לדעיכה מהירה של האות.
[עריכה] הערות שוליים
- ^ Filipek, S., Stenkamp, R.E., Teller, D.C., and Palczewski, K. (2003). G PROTEIN-COUPLED RECEPTOR RHODOPSIN: A Prospectus. Ann. Rev. Phys. 65, 851–79.
- ^ Ohguro, H. (1996). Signal transduction mechanism in photoreceptor cells. Sapp. Med. J. 65(1), 65-72
- ^ Wolf, G. (2001). The Discovery of the Visual Function of Vitamin A. Journal of Nutrition. 131,1647-1650
- ^ Palczewski, K., Kumasaka, T., Hori, T., Behnke, C.A., Motoshima, H. Fox, B.A., Trong, I.L., Teller, D.C., Okada, T., Stenkamp, R.E., Yamamoto, M., and Miyano, M. (2000). Crystal Structure of Rhodopsin: A G Protein–Coupled Receptor. Science. 289, 739-745.
- ^ Vershinin, A. (1999). Biological functions of carotenoids-diversity and evolution. BioFactors. 10, 99-104.
