Rhodopsin

Rhodopsin besteht aus einem Proteinanteil, dem Stäbchen-Opsin (Skotopsin), einem Transmembranprotein, und dem kovalent gebundenen Chromophor 11-cis-Retinal. Das 11-cis-Retinal (Aldehyd des Retinols) ist als Imin (Schiffsche Base) an die ε-Aminogruppe eines Lysins in der 7. Transmembrandomäne gebunden, was beim Rinderrhodopsin Lysin 296 ist. In den Stäbchenzellen der Netzhaut ist Rhodopsin jedoch nicht in die Zellmembran eingelagert, sondern befindet sich in den Membranen scheibchenförmiger Organellen (Disks) im Inneren der Zelle.[5]

Wirbeltierrhodopsine sind Vertreter der großen Familie von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs). Bovines Rhodopsin war der erste G-Protein-gekoppelte Rezeptor, von dem eine durch Röntgenstrukturanalyse gewonnene Kristallstruktur vorlag (charakteristisch sind u. a. die sieben helikalen Transmembrandomänen – siehe Abbildung). Er diente daher als Vorlage für Modelle anderer GPCRs, auch wenn die Übereinstimmung in der Primärstruktur teilweise sehr gering ist. Mittlerweile liegen die Kristallstrukturen zahlreicher weiterer GPCRs vor.[6]

Das Absorptionsmaximum von Rhodopsin im sichtbaren Lichtwellenlängenbereich liegt bei λ = 500 nm.[7] Absorption eines einzelnen Photons im passenden Energiebereich führt im 11-cis-Retinal zu einer Isomerisierung nach all-trans-Retinal. Dadurch verändert sich die Raumstruktur des Retinals, und durch interne Wechselwirkungen im Molekül kommt es infolgedessen zu einer Reihe von Konformationsänderungen im Proteinanteil des Pigments, die das Rhodopsin in einen „Meta II“-genannten metastabilen aktiven Zustand überführen. In der Forschung spricht man von „Bleaching“ („Bleichung“), da das Pigment im Zuge der Aktivierung seine rötliche Farbe verliert. Die veränderten funktionalen Eigenschaften von aktiviertem Rhodopsin sind die Basis für eine Reihe rasch stattfindender Veränderungen in der Zelle.[2]

Lichtaktiviertes Rhodopsin in den Stäbchenzellen der Netzhaut aktiviert das G-Protein Transducin. Dadurch wird die Visuelle Signaltransduktion ausgelöst, eine mehrschrittige Reaktionskaskade, in deren Verlauf die ursprüngliche Erregung moduliert und um ein Vielfaches verstärkt wird. Deren Endpunkt ist ein elektrisches Signal, das über Nervenzellen schließlich ins visuelle Zentrum des Gehirns weitergeleitet wird.[8]

Mikrobielle Rhodopsine sind dagegen oft in der Zellmembran lokalisierte lichtaktivierte Protonenpumpen, Ionenpumpen oder Ionenkanäle: Ihre Aktivierung resultiert ohne Zwischenschritte direkt in einem elektrischen Signal.

Der metastabile Meta II-Zustand wandelt sich auch spontan wieder in einen inaktiven Zustand um. In der Regel – und insbesondere im Rahmen der visuellen Transduktion in den Stäbchenzellen der Netzhaut – wird aktiviertes Rhodopsin jedoch durch einen schnelleren enzymatischen Prozess – Phosphorylierung durch das Enzym Rhodopsinkinase und Bindung des Proteins Arrestin – deaktiviert.[5] Im Zuge der Deaktivierung wird das all-trans-Retinal freigesetzt. Zur Regenerierung des lichtempfindlichen Rhodopsins muss 11-cis-Retinal wieder gebunden werden. Auch das involviert komplexe, enzymatisch gesteuerte Vorgänge: So wird all-trans-Retinal zu 11-cis-Retinal außerhalb der Zelle im angrenzenden retinalen Pigmentepithel „recycelt“.[9]