人類能夠看清顏色的秘密到底是什麼？最新一期《科學》雜誌用 3 篇論文揭開了背後原理，原來這個秘密就藏在人眼裡三種感光蛋白的立體結構裡論文。
在本次三篇論文之中，三種蛋白的結構被同時看清，論文作者們則分別來自三個獨立研究團隊論文。三支團隊分別來自南昌大學團隊與德國柏林夏裡特醫學院團隊、瑞士蘇黎世聯邦理工學院團隊以及日本名古屋工業大學團隊。
我們在生物課本上都學過這樣一個知識點，人類可以看到紅綠藍三種顏色，憑藉的是視網膜上的三種視錐細胞，它們各自擁有一種感光蛋白，依次對長波、中波和短波的光存在敏感度，也就是一種負責紅色、一種負責綠色、一種負責藍色論文。
人眼之所以能看到不同波長的光，原因在於上述三種感光蛋白使用的是同一個髮色團，它是一種叫做 11-順式視黃醛的小分子，可以轉出來不同顏色的光訊號論文。
紅綠藍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氨基酸不同，但是它們的感光峰值卻差了三四十奈米，這恰好覆蓋了從紅到綠的光譜範圍，這也是人眼能分辨出萬千種顏色的原因論文。
此次三篇論文從不同角度回答了一個問題：到底這些微小差異怎麼造成了這麼大的區別論文。
圖 | 三篇論文（來源：Science）
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其中一篇論文用冷凍電鏡解析了綠色和藍色視蛋白在暗態下的結構；另一篇論文解析了猴子的紅色視蛋白和綠色視蛋白，結果發現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啟用狀態下的結構都做了出來，結果發現它們都連著一個 G 蛋白和一個全反式視黃醛論文。
論文指出，G 蛋白是視覺訊號傳遞的“啟動器”，視黃醛是髮色團被光啟用之後的形態，只有把三種視蛋白在啟用狀態下的結構放在一起比較，才可以看清它們在訊號傳導這一步的異同論文。
當把這些結構放在一起看，論文作者發現紅綠感光的差異主要來自一個氨基酸的替換論文。他們發現在紅色視蛋白裡，一個位置上恰好放著蘇氨酸，並且帶著一個羥基，這個羥基能夠改變髮色團周圍的電場，於是光譜就會偏移。
其實這種偏移來自靜電效應，改變髮色團周圍的電荷環境之後就可以調色論文。研究中，論文作者用量子力學和分子力學的混合模型做了計算，證實靜電效應確實起著主導地位。
（來源：Science）
藍色視蛋白走的是另一條路線，它的髮色團周圍擁有一圈絲氨酸，會形成一個極性環境，不僅穩定了髮色團，也讓光譜發生了藍移論文。藍色視蛋白還擁有一個額外的二硫鍵，它連線著第二和第七個跨膜螺旋。
這個額外的化學鍵讓它的結構更加結實，也讓其和紅綠視蛋白區分開來論文。而且藍色視蛋白的啟用機制也更特殊，它用色氨酸和酪氨酸組成了一個擴充套件的芳香族網路，藉此把髮色團的異構化訊號傳遞到整個蛋白。相比之下，紅綠視蛋白無需依靠這個通路，它們的訊號傳導更加依賴經典的 GPCR 微開關。
視蛋白和杆細胞裡的視紫紅質也有明顯的區別論文。具體來說，視紫紅質負責暗視覺，對單光子都很敏感，但是恢復速度比較慢。視蛋白負責明視覺，需要在強光下工作，工作時既需要快速響應、也需要快速恢復。
論文裡的結構資料解釋了上述區別的來源：那就是視蛋白的髮色團結合口袋更加開放，允許視黃醛實現快速進出論文。而杆細胞裡視紫紅質的髮色團被牢牢鎖住，無論是釋放還是重新結合都要慢得多。至於視蛋白的不活化狀態，由於不如視紫紅質穩定，反而讓它能更快地切換到啟用狀態，也能更快地回到基態準備下一次響應。
冷凍電鏡的結構揭示了一個之前沒被人們注意到的特徵，詳細來說在視蛋白的膜內側有一個側向開口，這個開口在視紫紅質裡是找不到的，也一直處於關閉狀態論文。論文作者認為這個開口是視黃醛快速進出的通道。而視紫紅質沒有這種通道，髮色團結合和解離都依賴蛋白的構象變化，這就導致速度就慢了。但是，視蛋白有了上述側向開口，就可以在強光下快速地更新發色團，從而保持持續的感光能力。
（來源：Science）
那麼，這些新發現對普通人有什麼用？最大的用處之一就是色覺缺陷的分子基礎被看得更清楚了論文。要知道紅綠色盲在人群中佔比很高，絕大多數是因為紅綠視蛋白的基因重組導致功能異常。現在有了這些論文裡的高解析度結構，就可以在原子尺度上理解哪些突變破壞了功能，哪些僅僅是無關緊要的變異。與此同時，藍視蛋白突變導致的罕見色盲也有了結構解釋。
論文裡的結構資料也揭示了三種視蛋白的進化路線：短波敏感視蛋白是其中最為古老的一支，紅綠視蛋白則是後來基因重複產生的論文。短波視蛋白保留了更多的祖先特徵，髮色團環境更為受限。紅綠視蛋白做了更多的功能最佳化，譬如在髮色團結合口袋裡出現了一個氯離子結合位點，這個位點可以調節波長敏感性和 G 蛋白訊號強度。也就是說大自然用同一種零件，透過微調的方式改出了三種不同功能的版本，實現了令人歎為觀止的效率和精度。
（來源：Science）
預計未來的藥物設計也可能從中受益，因為視蛋白屬於 G 蛋白偶聯受體家族，這是製藥領域最重要的靶點家族之一，多達大約三分之一的上市藥物都作用於這類受體論文。據瞭解，視蛋白的配體是光，其調控方式極其精確，而結構資訊可以幫助設計光控藥物，使用光來開關特定受體的活性，目前這類技術已經在神經科學裡有了初步應用。
顏色是我們感知世界的基礎能力，這項能力其實建立在那些看不見的分子結構上，這些分子層面的微小差異，最後變成了我們眼中這個五彩斑斕的世界，而有了這些三維結構，人們就能更精確地理解色覺的生物學基礎，這便是這些研究的意義所在論文。
參考資料論文：
排版論文：劉雅坤
注論文：封面/首圖由 AI 輔助生成
