Ретиналь-содержащие белки играют ключевую роль в ряде важнейших биологических и физиологических процессов — в зрении и дифференцировке тканей у высших животных и в светозависимом транспорте протонов, ионов хлора или фототаксисе у некоторых видов микроорганизмов.

Цель настоящей работы состояла в разработке и осуществлении на практике комплексного подхода к исследованию структурно-функциональных отношений в микробных родопсинах путем химической модификации функционально значимых элементов структуры молекулы хромофорной группы.

Как было показано ранее нами для образования ковалентной связи между аналогом ретиналя и апобелком - опсином необходимо наличие в молекуле аналога ретиналя фрагмента полиеновой цепи, содержащей от двух до четырех сопряженных кратных связей с терминальной формильной группой, в то время как триметилциклогексеновое кольцо может быть легко заменено на более массивный остаток.

На основе результатов собственных исследований и литературных данных была создана база данных “Properties of artificial bacteriorhodopsin analogs. From 1975 to 2019”, версия 2.0, 2020, суммирующая сведения о способности апобелка (бактериоопсина - BO) к образованию ковалентных и нековалентных комплексов с различными полиеновыми соединениями и об их фотохимических и функциональных свойствах. Она включает перечисленные ниже структурные, спектральные и фотохимические параметры и другие сведения о продуктах взаимодействия более 440 полиеновых соединений с бактериоопсином (BO).

Структура всех полиеновых соединений была классифицирована на основании их отличий от природного хромофора (all-E-ретиналя).

Рассмотрены следующие серии модификаций аналогов ретиналя:

А - Природный хромофор - ретиналь и его изомеры

B - Модификация терминальной полярной группы

C - Модификация полиеновой цепи

D - Изменение типа связей и их расположения в полиеновой цепи хромофора

E - Изменение длины полиеновой цепи, расположения связей и типов терминальных групп.

F - Изменение или блокировка конфигурации связи. Неизомеризуемые аналоги хромофора

G - Изменение триметилциклогексенового кольца. Модификации кольца

H - Изменение триметилциклогексенового кольца. Замена кольца на ароматические или гетероциклические фрагменты

I - Изменение триметилциклогексенового кольца. Ациклические аналоги

J - Разные смешанные модификации

K - Меченные производные ретиналя (радиоактивные, фотоаффинные, флуоресцентные, аналоги с «тяжелыми» атомами, парамагнитные (SL), ионофорные и фотохромные зонды)

Основными дескрипторами являлись: структура конкретного тестированного изомера полиенового соединения; λmax исходного соединения; моделей (оснований Шиффа с н-бутиламином в метаноле, в непротонированной и протонированных формах); нековалентного комплекса с бактериоопсином; пигмента в водном буфере (адаптированного к свету и темноте (LA и DA-формы); наличие и тип фотоцикла, его основные интермедиаты; эффективность протоного транспорта; изомерный состав хромофора (соотношение all-E- и 13Z-изомеров); “опсиновый” сдвиг; устойчивость продуктов взаимодействия к гидроксиламину и all-E-ретиналю и прочие дополнительные данные.

Сравнительный анализ нашей базы данных, показал, что, диверсифицируя природу хромофора, можно напрямую изменять λmax в спектрах аналогов бактериородопсина в довольно широком интервале (от 412 до 830 нм), хотя далеко не все эти новые пигменты способны к циклическим фотохимическим реакциям.

Работа была частично поддержана РФФИ (проект № 20-03-00139а).



1. Khodonov A.A., Belikov N.E., Demina O.V. Properties of artificial bacteriorhodopsin analogs. From 1975 to 2019. Editors: Chupin V.V., Varfolomeev S.D. Version 2, 2020. IBCP/MIPT, Moscow, Russia 186 pp. http://biochemphysics.ru/assets/upload/documents/docs/BRDT_v2.pdf

Retinal-containing proteins play a key role in a number of important biological and physiological processes - in vision and tissue differentiation in higher animals and in light-dependent transport of protons, chloride ions, or phototaxis in some types of microorganisms.

The purpose of this work was to develop and put into practice an integrated approach to the study of structure-function relationships in microbial rhodopsins by chemical modification of functionally significant structural elements of the chromophore group molecule.

As we have shown earlier, for the formation of a covalent bond between the retinal analogue and the apoprotein - opsin, the presence of a polyene chain fragment containing from two to four conjugated multiple bonds with the terminal formyl group is necessary in the retinal analogue molecule, while the trimethylcyclohexene ring can be easily replaced by more massive residue.

Based on the results of our own research and literature data, the database “Properties of artificial bacteriorhodopsin analogs. From 1975 to 2019”, version 2.0, 2020, summarizing information about the ability of apoprotein (bacterioopsin - BO) to form covalent and non-covalent complexes with various polyene compounds and about their photochemical and functional properties. It includes the following structural, spectral and photochemical parameters and other information about the products of interaction of more than 440 polyene compounds with bacterioopsin (BO).

The structure of all polyene compounds was classified based on their differences from the natural chromophore (all-E-retinal).

The following series of modifications of retinal analogs are considered:

А - Natural chromophore - retinal and its isomers

B - Terminal polar group modification

C - Polyenic chain modification

D - Alteration of the bond types and its disposition in the chromophore polyenic chain

E - Alteration of the polyenic chain length and bond disposition and terminal group types

F - Alteration or locking of the bond configuration. Non-isomerizable analogs

G - Alteration of the trimethylcyclohexenic ring. Ring modification

H - Alteration of the trimethylcyclohexenic ring. Replacement of the ring with aromatic or heterocyclic fragments

I - Alteration of the trimethylcyclohexenic ring. Acyclic analogs

J - Miscellaneous modifications

K - Labelled retinal derivatives (radioactive, photoaffinic, fluorophoric, heavy-atom, paramagnetic (SL), ionophoric and photochromic probes)

The main descriptors were: the structure of the specific isomer of the polyene compound tested; λmax of the initial compound; of models (Schiff bases with n-butylamine in methanol, in non-protonated and protonated forms); of non-covalent complex with bacterioopsin; of pigment in aqueous buffer (light- and dark-adapted (LA and DA forms); presence and type of photocycle, its main intermediates; efficiency of proton transport; isomeric composition of the chromophore (ratio of all-E- and 13Z-isomers); “opsin” shift; stability of interaction products to hydroxylamine and all-E-retinal and other additional data.

A comparative analysis of our database showed that by diversifying the nature of the chromophore, it is possible to directly change λmax in the spectra of bacteriorhodopsin analogues in a fairly wide range (from 412 to 830 nm), although not all of these new pigments are capable of cyclic photochemical reactions.

The work was partly supported by the Russian Foundation for Basic Research (project no. 20-03-00139a).



1. Khodonov A.A., Belikov N.E., Demina O.V. Properties of artificial bacteriorhodopsin analogs. From 1975 to 2019. Editors: Chupin V.V., Varfolomeev S.D. Version 2, 2020. IBCP/MIPT, Moscow, Russia 186 pp. http://biochemphysics.ru/assets/upload/documents/docs/BRDT_v2.pdf