Как быстро мы видим свет?

Сотрудники химического факультета МГУ совместно с коллегами из Орхусского университета (Дания) установили механизм и определили скорость инициируемой светом реакции для молекулы, отвечающей за возникновение зрительного сигнала, – одного из самых быстрых биохимических превращений в природе. Работа ученых опубликована в журнале Nature Communications. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда.

Фотоизомеризация ретиналя — первичный процесс при передаче зрительного сигнала // Источник: Анастасия Боченкова / МГУ

Процессы, происходящие в природе под действием света, такие как фотосинтез у растений, зрение у позвоночных, сопровождаются химическими превращениями хромофорных групп фотоактивных белков – небольших молекул, отвечающих за поглощение кванта световой энергии. Ученые десятилетиями изучают факторы, влияющие на высокую эффективность светозависимых биохимических процессов в живых организмах. Фотохимические превращения в живых системах происходят с невероятными скоростями – на временах порядка сотен фемтосекунд. Основной частью светопоглощающих белков зрительной рецепции является молекула ретиналя, система двойных связей которой отвечает за поглощение света в видимом диапазоне.

Химическая «основа» зрения – изменение положения заместителей у двойных связей ретиналя, так называемая цис-транс изомеризация. Механизм изомеризации ретиналя у бактерий и у животных различаются: при поглощении фотона цис-форма переходит в транс-изомер у животных, а у бактерий наоборот – транс-изомер ретиналя переходит в цис-форму. Кроме того, у молекул ретиналя «разных царств природы» изомеризуются разные двойные связи. Времена этих превращений ранее определили как для одиночных молекул ретиналя в растворе, так и в составе светочувствительных белков – зрительных фоторецепторов. Оказалось, что во многих случаях скорость фотоизомеризации в растворе падает в сотни раз. В связи с этим возник фундаментальный вопрос, оказывает ли белковое окружение ускоряющее (каталитическое) воздействие на реакцию, или оно просто защищает молекулу ретиналя от воздействия растворителя.

Российские и датские ученые впервые ответили на этот вопрос, долгое время остававшийся без ответа. Для этого датскими учеными был разработан новый экспериментальный метод для исследования заряженных биологических хромофоров в газовой фазе с использованием фемтосекундной спектроскопии с временным разрешением и современных ион-накопительных технологий. Подготовка к таким экспериментам и их проведение занимает несколько лет. Сотрудники лаборатории квантовой фотодинамики, созданной недавно на химическом факультете МГУ по программе развития Московского университета, провели анализ результатов и интерпретировали полученные данные с помощью квантовохимических расчетов высокого уровня точности. Моделирование механизмов фотохимических реакций требует огромной вычислительной мощности. Расчеты российские химики проводили на суперкомпьютерном комплексе «Ломоносов» Московского университета. Ученые установили, что фотоизомеризация ретиналя в газовой фазе действительно может быть очень быстрой — сотни фемтосекунд для цис-изомера, и медленной — несколько пикосекунд для полностью транс-изомера. Таким образом, ученые выяснили, что первичная фотохимическая реакция в белках зрительной рецепции проходит так же быстро, как и для изолированной молекулы ретиналя. Бактериальные родопсины, напротив, значительно ускоряют реакцию и, более того, меняют специфичность реакции изомеризации.

«Наши результаты показывают возможность принципиально нового подхода в исследованиях фотохимических реакций в белках. Изучение эталонных реакций, таких как превращения изолированных молекул, помогает сделать заключение о том, как функционируют белки и какова роль белкового окружения», — рассказала один соавторов, доцент, к.ф.-м.н. Анастасия Боченкова.

Текст: МГУ

Intrinsic photoisomerization dynamics of protonated Schiff-base retinal

Hjalte V. Kiefer, Elisabeth Gruber, Jeppe Langeland, Pavel A. Kusochek, Anastasia V. Bochenkova & Lars H. Andersen