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Analyse eines Protein-Mikroschalters durch FTIR-Differenzspektroskopie

Rhodopsin

Rhodopsin ist das lichtsensitive Protein in den Stäbchenzellen in Augen von Wirbeltieren. Es ist verantwortlich für die visuelle Wahrnehmung bei schwachen Lichtverhältnissen.1) Rhodopsin besteht aus 348 Aminosäuren. Sieben seiner Helices (310 Aminosäuren) sind in die Zellmembran eingebettet (Abb. 1) . Mit dieser Sekundärstruktur gehört es zur Klasse A von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Sie leiten eine Reihe von chemischen Signalen (siehe Signaltransduktion) durch die Zellmembran. Des Weiteren besitzt Rhodopsin eine achte Helix, die parallel zur Membran verläuft.

Abb.1
Kristallstruktur des Rhodopsins

In der Abbildung wurde zur Veranschaulichung das Rhodopsin in einen Ausschnitt einer POPC-Membran (Palmityloleylphosphatidylcholin-Membran) eingezeichnet. Die Helices 1-7 (nach den Spektralfarben geordnet: blau bis orange-rot) liegen senkrecht zur Membranebene, Helix 8 (rot) liegt hingegen parallel dazu. Der lichtsensitive Ligand Retinal (rot, zwischen der orange-roten und orangen Helix) ist durch eine Schiff'sche Base an K296 (an der orange-roten Helix 7) des Apoproteins (vgl. Apoenzym) Opsin gebunden. Die übrigen Seitenketten wurden übersichtshalber nicht dargestellt.

An die Aminosäure Lys2962) des Rhodopsins ist Retinal (Aldehyd des Vitamins A) durch eine Schiff'sche Base kovalent gebunden. Dieses liegt im Grundzustand in der 11-cis-Konfiguration (Abb. 2) vor. Nach Lichtabsorption ändert sich diese durch Isomerisierung in die all-trans-Konfiguration.

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Abb.2
cis-trans-Isomerisierung von Retinal

Das hier gezeigte Retinal ist im Opsin durch eine Schiff'sche Base an einen Lysin-Rest gebunden. Durch Einwirkung von Licht isomerisiert das 11-cis-Retinal (links) in die all-trans-Konformation (rechts). Umgekehrt wird die all-trans-Konformation über einen komplizierten Retinal-Metabolismus in 11-cis-Retinal zurückverwandelt.

Die umgebenden Aminosäuren, welche als Retinal-Bindungstasche bezeichnet werden, passen sich dann an das gestreckte all-trans-Retinal an. Nach und nach reagieren auch weiter entfernte Regionen des Proteins, wodurch sich das Lichtsignal vom lichtsensitiven Kern über das Protein ausbreitet. Diese Änderungen resultieren in einer neuen Konformation des Proteins an der cytoplasmatischen Oberfläche. So knickt z.B. Helix 6 ab und klappt um ca. 6Å3) nach außen. Die dadurch entstandene Vertiefung ist maßgeblich für eine funktionelle Interaktion zwischen Rezeptor (Rhodopsin) und Effektor (G-Protein Transducin): Nur so kann der Effektor gebunden und das Signal weitergeleitet werden.

Schließlich zerfällt das aktive Rhodopsin in Opsin und all-trans-Retinal. Aktives Rhodopsin und Opsin haben unter den Bedingungen der Kristallisation dieselbe Struktur und unterscheiden sich nur darin, dass Opsin keinen Liganden mehr besitzt. Die komplette beschriebene Reaktionsfolge ist in (Abb. 3) dargestellt.

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Abb.3
Reaktionsfolge vom inaktiven Rhodopsin zum Opsin
1)Für die Farbwahrnehmung und die Wahrnehmung bei hellen Lichtverhältnissen sind lichtsensitive Proteine in den Zapfenzellen verantwortlich.
2)Lys296 ist der Drei-Buchstaben-Code für Lysin an Position 296.
3)Das Ångström (Å) ist seit 1978 als Einheit, die nicht dem SI entspricht (vgl. SI-Einheiten), nicht mehr zugelassen. In der Biochemie wird es dennoch häufig verwendet. 1Å entspricht 10m bzw. 01nm.
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