人類能夠看清顏色的秘密到底是什么？最新一期《科學(xué)》雜志用 3 篇論文揭開了背后原理，原來這個(gè)秘密就藏在人眼里三種感光蛋白的立體結(jié)構(gòu)里。

在本次三篇論文之中，三種蛋白的結(jié)構(gòu)被同時(shí)看清，論文作者們則分別來自三個(gè)獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)。三支團(tuán)隊(duì)分別來自南昌大學(xué)團(tuán)隊(duì)與德國柏林夏里特醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)以及日本名古屋工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)。

我們?cè)谏镎n本上都學(xué)過這樣一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，人類可以看到紅綠藍(lán)三種顏色，憑借的是視網(wǎng)膜上的三種視錐細(xì)胞，它們各自擁有一種感光蛋白，依次對(duì)長波、中波和短波的光存在敏感度，也就是一種負(fù)責(zé)紅色、一種負(fù)責(zé)綠色、一種負(fù)責(zé)藍(lán)色。

人眼之所以能看到不同波長的光，原因在于上述三種感光蛋白使用的是同一個(gè)發(fā)色團(tuán)，它是一種叫做 11-順式視黃醛的小分子，可以轉(zhuǎn)出來不同顏色的光信號(hào)。

紅綠藍(lán)三種視蛋白的氨基酸序列差別非常小，紅和綠之間僅有幾個(gè)氨基酸不同，但是它們的感光峰值卻差了三四十納米，這恰好覆蓋了從紅到綠的光譜范圍，這也是人眼能分辨出萬千種顏色的原因。

此次三篇論文從不同角度回答了一個(gè)問題：到底這些微小差異怎么造成了這么大的區(qū)別。

圖 | 三篇論文（來源：Science）

其中一篇論文用冷凍電鏡解析了綠色和藍(lán)色視蛋白在暗態(tài)下的結(jié)構(gòu)；另一篇論文解析了猴子的紅色視蛋白和綠色視蛋白，結(jié)果發(fā)現(xiàn)猴子的色覺和人基本一樣；第三篇論文把所有三種人類視蛋白在激活狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)都做了出來，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們都連著一個(gè) G 蛋白和一個(gè)全反式視黃醛。

論文指出，G 蛋白是視覺信號(hào)傳遞的“啟動(dòng)器”，視黃醛是發(fā)色團(tuán)被光激活之后的形態(tài)，只有把三種視蛋白在激活狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)放在一起比較，才可以看清它們?cè)谛盘?hào)傳導(dǎo)這一步的異同。

當(dāng)把這些結(jié)構(gòu)放在一起看，論文作者發(fā)現(xiàn)紅綠感光的差異主要來自一個(gè)氨基酸的替換。他們發(fā)現(xiàn)在紅色視蛋白里，一個(gè)位置上恰好放著蘇氨酸，并且?guī)е粋€(gè)羥基，這個(gè)羥基能夠改變發(fā)色團(tuán)周圍的電場，于是光譜就會(huì)偏移。

其實(shí)這種偏移來自靜電效應(yīng)，改變發(fā)色團(tuán)周圍的電荷環(huán)境之后就可以調(diào)色。研究中，論文作者用量子力學(xué)和分子力學(xué)的混合模型做了計(jì)算，證實(shí)靜電效應(yīng)確實(shí)起著主導(dǎo)地位。

（來源：Science）

藍(lán)色視蛋白走的是另一條路線，它的發(fā)色團(tuán)周圍擁有一圈絲氨酸，會(huì)形成一個(gè)極性環(huán)境，不僅穩(wěn)定了發(fā)色團(tuán)，也讓光譜發(fā)生了藍(lán)移。藍(lán)色視蛋白還擁有一個(gè)額外的二硫鍵，它連接著第二和第七個(gè)跨膜螺旋。

這個(gè)額外的化學(xué)鍵讓它的結(jié)構(gòu)更加結(jié)實(shí)，也讓其和紅綠視蛋白區(qū)分開來。而且藍(lán)色視蛋白的激活機(jī)制也更特殊，它用色氨酸和酪氨酸組成了一個(gè)擴(kuò)展的芳香族網(wǎng)絡(luò)，借此把發(fā)色團(tuán)的異構(gòu)化信號(hào)傳遞到整個(gè)蛋白。相比之下，紅綠視蛋白無需依靠這個(gè)通路，它們的信號(hào)傳導(dǎo)更加依賴經(jīng)典的 GPCR 微開關(guān)。

視蛋白和桿細(xì)胞里的視紫紅質(zhì)也有明顯的區(qū)別。具體來說，視紫紅質(zhì)負(fù)責(zé)暗視覺，對(duì)單光子都很敏感，但是恢復(fù)速度比較慢。視蛋白負(fù)責(zé)明視覺，需要在強(qiáng)光下工作，工作時(shí)既需要快速響應(yīng)、也需要快速恢復(fù)。

論文里的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)解釋了上述區(qū)別的來源：那就是視蛋白的發(fā)色團(tuán)結(jié)合口袋更加開放，允許視黃醛實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)出。而桿細(xì)胞里視紫紅質(zhì)的發(fā)色團(tuán)被牢牢鎖住，無論是釋放還是重新結(jié)合都要慢得多。至于視蛋白的不活化狀態(tài)，由于不如視紫紅質(zhì)穩(wěn)定，反而讓它能更快地切換到激活狀態(tài)，也能更快地回到基態(tài)準(zhǔn)備下一次響應(yīng)。

冷凍電鏡的結(jié)構(gòu)揭示了一個(gè)之前沒被人們注意到的特征，詳細(xì)來說在視蛋白的膜內(nèi)側(cè)有一個(gè)側(cè)向開口，這個(gè)開口在視紫紅質(zhì)里是找不到的，也一直處于關(guān)閉狀態(tài)。論文作者認(rèn)為這個(gè)開口是視黃醛快速進(jìn)出的通道。而視紫紅質(zhì)沒有這種通道，發(fā)色團(tuán)結(jié)合和解離都依賴蛋白的構(gòu)象變化，這就導(dǎo)致速度就慢了。但是，視蛋白有了上述側(cè)向開口，就可以在強(qiáng)光下快速地更新發(fā)色團(tuán)，從而保持持續(xù)的感光能力。

（來源：Science）

那么，這些新發(fā)現(xiàn)對(duì)普通人有什么用？最大的用處之一就是色覺缺陷的分子基礎(chǔ)被看得更清楚了。要知道紅綠色盲在人群中占比很高，絕大多數(shù)是因?yàn)榧t綠視蛋白的基因重組導(dǎo)致功能異?！，F(xiàn)在有了這些論文里的高分辨率結(jié)構(gòu)，就可以在原子尺度上理解哪些突變破壞了功能，哪些僅僅是無關(guān)緊要的變異。與此同時(shí)，藍(lán)視蛋白突變導(dǎo)致的罕見色盲也有了結(jié)構(gòu)解釋。

論文里的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)也揭示了三種視蛋白的進(jìn)化路線：短波敏感視蛋白是其中最為古老的一支，紅綠視蛋白則是后來基因重復(fù)產(chǎn)生的。短波視蛋白保留了更多的祖先特征，發(fā)色團(tuán)環(huán)境更為受限。紅綠視蛋白做了更多的功能優(yōu)化，譬如在發(fā)色團(tuán)結(jié)合口袋里出現(xiàn)了一個(gè)氯離子結(jié)合位點(diǎn)，這個(gè)位點(diǎn)可以調(diào)節(jié)波長敏感性和 G 蛋白信號(hào)強(qiáng)度。也就是說大自然用同一種零件，通過微調(diào)的方式改出了三種不同功能的版本，實(shí)現(xiàn)了令人嘆為觀止的效率和精度。

（來源：Science）

預(yù)計(jì)未來的藥物設(shè)計(jì)也可能從中受益，因?yàn)橐暤鞍讓儆?G 蛋白偶聯(lián)受體家族，這是制藥領(lǐng)域最重要的靶點(diǎn)家族之一，多達(dá)大約三分之一的上市藥物都作用于這類受體。據(jù)了解，視蛋白的配體是光，其調(diào)控方式極其精確，而結(jié)構(gòu)信息可以幫助設(shè)計(jì)光控藥物，使用光來開關(guān)特定受體的活性，目前這類技術(shù)已經(jīng)在神經(jīng)科學(xué)里有了初步應(yīng)用。

顏色是我們感知世界的基礎(chǔ)能力，這項(xiàng)能力其實(shí)建立在那些看不見的分子結(jié)構(gòu)上，這些分子層面的微小差異，最后變成了我們眼中這個(gè)五彩斑斕的世界，而有了這些三維結(jié)構(gòu)，人們就能更精確地理解色覺的生物學(xué)基礎(chǔ)，這便是這些研究的意義所在。

參考資料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz3996

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz8141

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz3624

排版：劉雅坤

注：封面/首圖由 AI 輔助生成