Химики проследили за возбуждением родопсина под действием света

Химики из Швейцарии и Японии проследили за возбуждением белка родопсина — зрительного пигмента позвоночных животных. Они выяснили, как его структура меняется в течение нескольких пикосекунд после возбуждения светом. Для этого, пишут химики в Nature, пришлось использовать лазерный рентгеноструктурный анализ.

Когда свет попадает на фоторецепторы некоторых областей сетчатки глаза, он передает энергию белку-фоторецептору родопсину — а он в ответ меняет свою конформацию. Благодаря этому запускается последовательность структурных изменений в разных белках, которые приводят к преобразованию светового сигнала в электрический и его передаче в мозг.

При этом за поглощение света отвечает не весь белок родопсин, а его небольшая часть — органический кофактор ретиналь. Структурно он представляет собой длинную линейную молекулу с шестью сопряженными двойными связями. И под действием светового возбуждения одна из двойных связей меняет свою геометрию: она превращается из цис- двойной связи в транс- двойную связь, и это превращение запускает дальнейшие изменения в конформации белка.

Структуру родопсина химики подробно изучили с помощью рентгеноструктурного анализа в 2000 году. Но как именно он меняет свою структуру под действием света ученые не знали до сих пор. Проблема была в том, что для проведения рентгеноструктурного анализа необходимо было вырастить несколько больших кристаллов родопсина, а затем каждый из них проанализировать в разные моменты времени после возбуждения. Но растить большие кристаллы белков — трудная задача, а других способов получить время-разрешенную картину у ученых не было.

Но это проблему удалось решить химикам под руководством Гебхарда Шертлера (Gebhard Schertler) из Института Пауля Шеррера. Они предположили, что для изучения структурных изменений родопсина во времени можно использовать время-разрешенный лазерный рентгеноструктурный анализ (TR-SFX). Он основан на облучении мелких кристаллов вещества очень мощными и быстрыми рентгеновскими импульсами, которые можно генерировать лазерами на свободных электронах. Такой подход позволяет использовать большое количество мелких кристаллов, которые несложно вырастить.

Так, сначала ученые вырастили кристаллы бычьего родопсина, а затем исследовали его на дифрактометре. Чтобы возбудить ретиналь, химики облучали кристаллы лазером, а чтобы получить дифракционную картину, посылали в образец мощный рентгеновский импульс. Затем из дифракционной картины ученые расшифровывали структуру белка.

В результате выяснилось, что уже за одну пикосекунду после возбуждения молекула ретиналя успевает изомеризоваться и потерять половину взаимодействий с окружающими ее аминокислотами и молекулами воды. Одновременно с этим конформация родопсина начинает меняться — а через 100 пикосекунд после возбуждения изменений уже практически не происходит. Сами авторы статьи считают, что эти изменения конформации родопсина напоминают что-то вроде «выдоха» белка в сторону внеклеточного пространства.

В результате с помощью лазерного рентгеноструктурного анализа ученым удалось проследить за конформационными изменениями возбужденного родопсина и его кофактора ретиналя. Далее, по мнению химиков, для полного понимания процесса нужно проследить за тем, что происходит с родопсином в первую пикосекунду после возбуждения.

Сразу после его открытия ученые применяли лазерный рентгеноструктурный анализ для расшифровки структуры белков. А вот для расшифровки структуры небольшой молекулы его впервые применили совсем недавно, и мы об этом рассказывали.