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円盤膜は定常的にリニューアルされている。外節の根元から新しい円盤膜が作られ、先端の円盤膜は[[網膜色素上皮細胞]]に取り込まれる。[[マウス]]ではおよそ10日で円盤膜が根元から網膜色素上皮細胞層に達する。 | 円盤膜は定常的にリニューアルされている。外節の根元から新しい円盤膜が作られ、先端の円盤膜は[[網膜色素上皮細胞]]に取り込まれる。[[マウス]]ではおよそ10日で円盤膜が根元から網膜色素上皮細胞層に達する。 | ||
[[Image:Mammal eye.png|thumb|right| | [[Image:Mammal eye.png|thumb|right|350px|'''図1:ほ乳類の眼'''<br />眼に入った光は、[[角膜]]、[[レンズ]]、[[ガラス体]]を通過し、視細胞に受容される。[[網膜]]中の視細胞は光が入射する方向と反対側にあり、そのため、光は視細胞に達するまでに[[神経節細胞]]や[[双極細胞]]などが含まれる神経層を通過することになる。 形態的に異なる2種類の視細胞、桿体（Rod）と錐体（Cone）があり、それぞれ、暗所、明所での視覚を分担している。 また、錐体には複数のサブタイプがあり、それぞれ、赤、緑、青の光を吸収しやすい視物質が含まれており、色識別を可能にしている。桿体にはロドプシンが大量に含まれる円盤膜がパンケーキ状に重なっている。]] | ||
一方、錐体には複数のサブタイプがあり、それぞれに波長感受性の異なる錐体視物質が含まれている。ヒトの錐体には、赤、緑、青に感受性の高い3種類の錐体視物質がそれぞれ含まれている。そして、これら錐体の応答が統合されることにより、色覚が生じる<ref><pubmed> 1385866 </pubmed></ref>。 | 一方、錐体には複数のサブタイプがあり、それぞれに波長感受性の異なる錐体視物質が含まれている。ヒトの錐体には、赤、緑、青に感受性の高い3種類の錐体視物質がそれぞれ含まれている。そして、これら錐体の応答が統合されることにより、色覚が生じる<ref><pubmed> 1385866 </pubmed></ref>。 | ||
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また、ロドプシンのアスパラギン2／アスパラギン15は[[wikipedia:JA:糖鎖修飾|糖鎖修飾]]を受ける。このためロドプシンのアスパラギン2／アスパラギン15は生物種を超えて良く保存されている。このようなタンパク質の[[wikipedia:JA:N結合型糖鎖付加|N結合型糖鎖付加]]は、修飾されるアミノ酸残基の位置は異なるが、オプシン類そしてファミリー１のGPCRにも見られる。一般に、糖鎖修飾はタンパク質の輸送やフォールディングに関わると考えられている。これ以外にもN末端のメチオニンは[[wikipedia:JA:アセチル化|アセチル化]]され、前述のC末端のシステイン322／システイン323の残基はパルミトイル化（脂質修飾）されている。 | また、ロドプシンのアスパラギン2／アスパラギン15は[[wikipedia:JA:糖鎖修飾|糖鎖修飾]]を受ける。このためロドプシンのアスパラギン2／アスパラギン15は生物種を超えて良く保存されている。このようなタンパク質の[[wikipedia:JA:N結合型糖鎖付加|N結合型糖鎖付加]]は、修飾されるアミノ酸残基の位置は異なるが、オプシン類そしてファミリー１のGPCRにも見られる。一般に、糖鎖修飾はタンパク質の輸送やフォールディングに関わると考えられている。これ以外にもN末端のメチオニンは[[wikipedia:JA:アセチル化|アセチル化]]され、前述のC末端のシステイン322／システイン323の残基はパルミトイル化（脂質修飾）されている。 | ||
[[Image:Rhodopsin structure.png|thumb|right| | [[Image:Rhodopsin structure.png|thumb|right|350px|'''図2:ロドプシンの立体構造モデル'''<br />'''a'''：基底状態のロドプシンの立体構造（PDBID:1U19）。ヘリックス1を青色で示しヘリックス8をオレンジ色で示している。7本の膜貫通ヘリックスに加えて膜面に平行なヘリックス8が特徴的である。ヘリックス3は大きく傾いていて細胞質側はヘリックス4とヘリックス5の間に入り込んでいる。上が円板膜内側、下がGタンパク質と相互作用する細胞質側である。手前のヘリックス7にレチナール（11−シス）とその結合部位であるリジン296、そしてシッフ塩基の対イオンとして機能するヘリックス3のグルタミン酸113のアミノ酸、システイン110-システイン187のジスフィルド結合、細胞質側にはヘリックス3にERYモチーフ、ヘリックス7にはNPXXYモチーフのアミノ酸を示している。<br />'''b'''：活性化に伴う構造変化。[[wikipedia:JA:基底状態|基底状態]]（緑色PDBID:1U19）と較べて[[wikipedia:JA:活性状態|活性状態]]は（オレンジ色PDBID:3PQR）ヘリックス6が大きく外側に動きヘリックス5も細胞質側に伸びるている。また基底状態ではヘリックス3とヘリックス6間のイオニックロックの相互作用が活性状態では解除されアルギニン135はNPXXYモチーフやチロシン223等と新たな相互作用を形成する。]] | ||
== 膜環境 == | == 膜環境 == | ||
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レチナールはオプシンの内部に埋め込まれており、また、そのプロトン化シッフ塩基は疎水的な環境に位置している。そのためそのままでは非常に不安定である。オプシン内にはこの[[wikipedia:JA:正電荷|正電荷]]を安定化する対イオン（counterion）が存在する。ロドプシンではグルタミン酸113が対イオンとして働き<ref><pubmed> 2573063 </pubmed></ref>、ヘリックス7のシッフ塩基プロトンの正電荷とヘリックス3の[[グルタミン酸]]の負電荷の間に塩橋（salt bridge）が形成される<ref><pubmed> 1356370 </pubmed></ref>。また対イオンはシッフ塩基の[[wikipedia:JA:pKa|pKa]]を上げシッフ塩基の[[wikipedia:JA:加水分解|加水分解]]を防いでいる。対イオンは単独で働いているのではなく、構造水を含む[[wikipedia:JA:水素結合|水素結合]]ネットワークを形成して働いていると考えられている。 | レチナールはオプシンの内部に埋め込まれており、また、そのプロトン化シッフ塩基は疎水的な環境に位置している。そのためそのままでは非常に不安定である。オプシン内にはこの[[wikipedia:JA:正電荷|正電荷]]を安定化する対イオン（counterion）が存在する。ロドプシンではグルタミン酸113が対イオンとして働き<ref><pubmed> 2573063 </pubmed></ref>、ヘリックス7のシッフ塩基プロトンの正電荷とヘリックス3の[[グルタミン酸]]の負電荷の間に塩橋（salt bridge）が形成される<ref><pubmed> 1356370 </pubmed></ref>。また対イオンはシッフ塩基の[[wikipedia:JA:pKa|pKa]]を上げシッフ塩基の[[wikipedia:JA:加水分解|加水分解]]を防いでいる。対イオンは単独で働いているのではなく、構造水を含む[[wikipedia:JA:水素結合|水素結合]]ネットワークを形成して働いていると考えられている。 | ||
[[Image:Central Ionic Lock.png|thumb|right| | [[Image:Central Ionic Lock.png|thumb|right|350px|'''図3:シッフ塩基・対イオン・塩橋'''<br />ヘッリックス7の296番目のリシン残基の正電荷とヘリックス3の対イオンの負電荷は塩橋を形成し、リガンド非結合状態の受容体で不活性状態を安定化する。11-シス-レチナールが結合した状態でもシッフ塩基プロトンと対イオンの間で塩橋が生じ不活性状態を安定化する。]] | ||
== 構造モチーフ == | == 構造モチーフ == | ||
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オプシンシフト以外にもロドプシンはレチナールの種類を変えることによって吸収スペクトルを変えることができる。多くの脊椎動物は通常ビタミンA1(retinal)を用いるが、[[wikipedia:JA:魚類|魚類]]、[[wikipedia:JA:両生類|両生類]]や[[wikipedia:JA:爬虫類|爬虫類]]のなかには[[wikipedia:JA:A2 retinal|A2 retinal]] (3,4-dehydroretinal) を用いるものもいる。 共役二重結合系が長いのでA2レチナールはA1に比べてより長波長に吸収を持つ（図4b）。従ってA1/A2の視物質は同じタンパク質でもそれぞれ違う色をもつ。Opsin+A1 retinalの視物質がRhodopsin（rhod＝紅）と呼ばれるのに対してOpsin+A2 retinalはPorphyropsin（porphyr＝紫）と呼ばれる。カエル幼生（[[wikipedia:JA:オタマジャクシ|オタマジャクシ]]）のオプシンがA2レチナールを発色団とし、成体（カエル）になるとA1レチナールを発色団とする事が知られている。つまり、オタマジャクシは、濁った淡水でより透過に優れた長波長の光を利用するためにA2レチナールを利用していると考えられる。また、魚類（特に淡水魚）などは2種類のレチナールを持ち、季節変動などの環境要因によってA1/A2レチナールを使い分けていると考えられている。 無脊椎動物の視物質ではA1, A2 retinalの他にA3([[wikipedia:JA:3-hydroxyretina|3-hydroxyretina]])やA4([[wikipedia:JA:4-hydroxyretinal|4-hydroxyretinal]]) retinalが用いられる（図4c）。 | オプシンシフト以外にもロドプシンはレチナールの種類を変えることによって吸収スペクトルを変えることができる。多くの脊椎動物は通常ビタミンA1(retinal)を用いるが、[[wikipedia:JA:魚類|魚類]]、[[wikipedia:JA:両生類|両生類]]や[[wikipedia:JA:爬虫類|爬虫類]]のなかには[[wikipedia:JA:A2 retinal|A2 retinal]] (3,4-dehydroretinal) を用いるものもいる。 共役二重結合系が長いのでA2レチナールはA1に比べてより長波長に吸収を持つ（図4b）。従ってA1/A2の視物質は同じタンパク質でもそれぞれ違う色をもつ。Opsin+A1 retinalの視物質がRhodopsin（rhod＝紅）と呼ばれるのに対してOpsin+A2 retinalはPorphyropsin（porphyr＝紫）と呼ばれる。カエル幼生（[[wikipedia:JA:オタマジャクシ|オタマジャクシ]]）のオプシンがA2レチナールを発色団とし、成体（カエル）になるとA1レチナールを発色団とする事が知られている。つまり、オタマジャクシは、濁った淡水でより透過に優れた長波長の光を利用するためにA2レチナールを利用していると考えられる。また、魚類（特に淡水魚）などは2種類のレチナールを持ち、季節変動などの環境要因によってA1/A2レチナールを使い分けていると考えられている。 無脊椎動物の視物質ではA1, A2 retinalの他にA3([[wikipedia:JA:3-hydroxyretina|3-hydroxyretina]])やA4([[wikipedia:JA:4-hydroxyretinal|4-hydroxyretinal]]) retinalが用いられる（図4c）。 | ||
[[Image:Rhodopsin spectrum and retinal.png|thumb|right| | [[Image:Rhodopsin spectrum and retinal.png|thumb|right|350px|'''図4:ロドプシンの吸収スペクトル'''<br>'''a:'''[[wikipedia:JA:有機溶媒|有機溶媒]]中のRetinalは380nmに吸収極大（λmax）を示すが、アミノ基を持つ化合物（例えば[[wikipedia:JA:プロピルアミン|プロピルアミン]]）とシッフ塩基を形成してプロトン化されると、λmaxが440nmまでシフトする。さらにロドプシン中ではまわりのアミノ酸残基との相互作用によって、λmaxが約500 nmまでシフトする。この440nmからの差分をオプシンシフトと呼ぶ。ロドプシンの吸収スペクトルは可視部の吸収（αバンド）の他に、紫外領域に小さな吸収（βバンド）、280nm付近にタンパク質の[[wikipedia:JA:芳香族|芳香族]]アミノ酸残基に由来する吸収（γバンド）を示すのが特徴である（αバンド、βバンド、γバンドを図中に示して頂けば幸いです）。<br />'''b:'''ロドプシンにはA1、A2の2種類のレチナールが知られている。A2レチナールより構成するものを特にポルフィロプシンとよび、A1レチナールよりも共役二重結合系が長いのでより長波長の光を吸収することができる。<br />'''c:'''無脊椎動物の視物質にはA1、A2レチナールの他にA3やA4レチナールを用いるものもある。]] | ||
==光反応過程 == | ==光反応過程 == | ||
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これらのバクテリアのロドプシン類も、動物のロドプシン類と同様に7回膜貫通領域をもち、発色団としてレチナールを用い、さらにその発色団はレチナールシッフ塩基結合を介してヘリックス7に結合している。ただし、動物のロドプシンは主に11-シス型のレチナールを発色団として持ち、光を受容して全トランスに異性化されて活性状態になるが、バクテリアのロドプシンは全トランス型のレチナールを発色団とし、光を吸収して13-シス型に異性化し、機能を発揮することがわかっている。また、バクテリアのロドプシンは活性状態になったあと熱反応で元の状態に戻る光反応サイクルを描く。７本膜貫通α-ヘリックス構造を持つことから、両タンパク質は進化的に系統関係があると考えられていたが、アミノ酸配列からは相同性の無いことが明らかにされている。しかしロドプシン類の中でも20％程度の相同性しか示さないものもあるので、たとえ共通の祖先タンパク質から進化しても遠縁な生物種間では変異が蓄積し有意な相同性がなくなっている可能性もある。 | これらのバクテリアのロドプシン類も、動物のロドプシン類と同様に7回膜貫通領域をもち、発色団としてレチナールを用い、さらにその発色団はレチナールシッフ塩基結合を介してヘリックス7に結合している。ただし、動物のロドプシンは主に11-シス型のレチナールを発色団として持ち、光を受容して全トランスに異性化されて活性状態になるが、バクテリアのロドプシンは全トランス型のレチナールを発色団とし、光を吸収して13-シス型に異性化し、機能を発揮することがわかっている。また、バクテリアのロドプシンは活性状態になったあと熱反応で元の状態に戻る光反応サイクルを描く。７本膜貫通α-ヘリックス構造を持つことから、両タンパク質は進化的に系統関係があると考えられていたが、アミノ酸配列からは相同性の無いことが明らかにされている。しかしロドプシン類の中でも20％程度の相同性しか示さないものもあるので、たとえ共通の祖先タンパク質から進化しても遠縁な生物種間では変異が蓄積し有意な相同性がなくなっている可能性もある。 | ||
== 参考文献 == | == 参考文献 == | ||
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（執筆者：松山オジョス武、七田芳則 担当編集委員：林康紀） | |||