視紫紅質 (Rhodopsin)是一種存在於視網膜桿狀細胞(rod cells)中一種呈玫瑰紅色的視網膜色素,經研究發現它是一種異三合體鳥糞嘌呤核甘酸的結合蛋白(Heterotrimeric guanine nucleotide-binding protein);即G蛋白質伴隨受器(G protein-coupled receptors,GPCRs)。
這種蛋白質需要水分子 以及一些其他的物質(包括汞離子、鋅離子、視黃醛等)作為受質(ligand)來協助穩定。
其中有一種稱為視黃醛 (retinal)的受質,對於視紫紅(Rhodopsin)之作用機制有密切關連。視黃醛(retinal)位於視紫紅質的內部,和視紫紅質(Rhodopsin)之間的交互作用十分重要。
視黃醛(retinal)受到光的激發後會由順式(cis-form)轉變為反式(trans-form)
,這樣的形變(comformational change)發動一連串的訊號傳遞反應(signal pathway),最後產生視覺。
研究發現不同生物種體內的視紫紅質(Rhodopsin)在結構上有一些共同的特性:他們都有7個通過細胞膜且鑲嵌於膜上的阿爾發螺旋 (transmembrane α helices),彼此間靠著6個loops連結
大致來說,視黃醛(rhodopsin)可分為三個部分, 外細胞部份 (extracellular region)、細胞膜間螺旋 (transmembrane helices)、細胞膜內表面部份 (cytoplasmic surface)。
在外細胞部份(extracellular region)中 Pro23 或 Gln28的side chain的位置很接近S4,S5 strand間的區域和E-I loop上的Tyr102的side chain。這樣的組成會造成很穩定的結構。要是在Pro23 或是Gln28上的突變會導致視網膜病變。
在transmembrane helices(helix2)中,靠近cytoplasmic terminal region幾乎都被一些來自H-II (pro71,leu72),C-II (phe148),H-V (leu226, val230),H-VI (val250, met253)的拒水性residues包圍,形成G protein的binding site。
兩個 Zn ions,3個Hg ions連結於rhodopsin的Asn2、Asn15。11-cis-retinal則由lys296連接 。
11-cis-retinal分為B-ionone ring和retinylidene group兩部分。
Rhodopsin 上的Trp265 支鏈indole ring,指向靠近B-ionone ring的retinylidene group,也靠近retinal的C13-methyl group。
這個C13-methyl group的刪除,在黑暗時造成rhodopsin 的部份 constitutive activity ,失去它和trp265的相互作用.影響整個反應機制的活性。
從B-ionone ring ∼ C11, retinylidene group幾乎和H-III平行,Glu113、 Gly114 ,Ala117、Thr118 , Gly120、還有Gly121 提供retinal binding pocket很多side chain,主要都在polyene chain的周圍。
Gly90如果被Asp所取代的話
,使其中的salt-bridge 不穩定,會導致夜盲症。 而cytoplasmic surface上的C-IV loop合成許多種的peptides,他們都會影響G-protein的活性。
Conclusion
Rhodopsin的晶體結構有七個很高度組成的transmembrane helices,bundle with 11-cis-retinal,將rhodopsin維持在ground state。
鑑於被11-cis-retinal bound 的rhodopsin有很低的活性,吸收一個光子所產生cis-trans的形變.包含一半蛋白質 、還有細胞質表面的改變,會活化幾百個G-protein 的再生能力,使Rhodopsin active。
一些在細胞質表面的conserved residues,在G-protein活化時,會因為chromophore因光活化, 產生型變,導致rhodopsin活化,使訊號傳遞,因而產生視覺。
spin off/on
Ligand on/off
show stucture
backboneZoom in out
More Infomationsabout Bovine
about rhodopsin (NCBI protein search)
ACCESSION # : P02699
SOURCE cow.
ORGANISM Bos taurus
01-OCT-2000
Sequence alignment(blast)
Molecular weight: 39007.7
Theoretical pI: 5.87
sequence computation (ProtParam tool)
multiple sequence alignment (Biology Workbench)
Clustal W dendogram Unrooted Tree (generated by Phylip's Drawtree)
The 2 analysis below are used in window size = 9 and 100% relative weight of the window edges compared to the window center :
hydrophobic (Kyte & Doolittle)
a-helix scale (Chou and Fastman)
Primary Citation:
Palczewski, K., Kumasaka, T., Hori, T., Behnke, C. A., Motoshima, H., Fox, B. A., Le Trong, I., Teller, D. C., Okada, T., Stenkamp, R. E., Yamamoto, M., Miyano, M.:
Crystal Structure of Rhodopsin: A G Protein-Coupled Receptor Science 289 pp. 739 (2000)
PDB ID : 1F88
Structure neighbors: