内向氢离子泵的发现

工程研究生院生命与应用化学系和等人。发现了内向H+泵型视紫红质，这是一种使生活在深海的细菌利用光能将氢离子（H+）带入细胞的蛋白质，并通过应用尖端的光谱测量方法，成功阐明了其主要机制。该结果发表在英国普通科学杂志上11月17日号

　　

―研究详情―

利用光能在细菌细胞内运输离子的蛋白质

　生物细胞内存在着氢离子（H+）、钠离子（Na+）、氯离子（Cl-）等多种离子。当细胞内外的这些离子之间出现浓度差时，细胞内就会产生电能，用于细胞生存所需的各种活动。生活在海洋中的细菌含有一种称为微生物视紫红质（*1）的蛋白质，它利用光能在细胞膜上传输各种离子。过去的研究发现了视紫质，它像泵一样输送海水中丰富的H+和Cl-（*2），2013年，Kandori教授和Inoue副教授等人发现了视紫红质。发现自然界中存在泵送 Na+ 的视紫红质（图 1）。当这些视紫红质运输离子时，例如充当H+泵的视紫红质，利用光能将H+运输到细胞外部，从而在细胞内外产生H+浓度差异。然后，这种离子浓度的差异被用作驱动力，在细胞内产生更大的电化学能量，从而合成细胞活动所需的物质，例如三磷酸腺苷（ATP）。换句话说，细菌可以通过将光能转化为电化学能而变得更加活跃。同样，Na+泵和Cl-泵向增加细胞内电能的方向输送离子，并且通过用光操纵各种离子，这些视紫红质帮助细菌生存。另一方面，沿相反方向运输这些离子会剥夺细胞的能量，并且由于此类蛋白质对细胞生存极为不利，因此人们认为它们在自然界中不存在。

图 1：利用光传输三种离子（H+、Cl-、Na+）的细菌蛋白（视紫红质）

　　

光驱动内向H+泵型视紫红质的发现

然而，由 Kandori 教授和 Inoue 副教授领导的研究小组现在发现，生活在 800 米深的深海中的海洋细菌有一种蛋白质，可以利用光的能量将 H+ 带入细胞，他们将这种视紫红质命名为 PoXeR（图 2）。这种蛋白质的存在违背了传统的生物学观点，表明细菌并不简单地利用光来产生能量。此外，这项研究表明，即使在细胞内电位和H+浓度极高的条件下，视紫红质也始终将H+转运到细胞内，这表明转运效率极高。这种PoXeR将H+转运到海洋细菌细胞内的原因目前尚不清楚，但人们认为它可能通过转运的H+将刺激传递到细胞内而引发各种细胞内反应。

图2：普通外向H+泵浦（左）和新发现的光驱动内向H+泵浦（右）

　　

传输机制的阐明和医疗应用的期望

此外，Kandori教授和他的同事通过使用红外光谱关注分子结构，研究了这种PoXeR如何运输H+，这使得可以详细研究蛋白质内部氨基酸和其他物质的结构，并使用高速激光直接观察化学反应。根据研究，PoXeR内部结合有一种被称为发色团(*3)的染料分子(视网膜)来吸收光，但当它吸收光时，该视网膜的结构会发生变化，此外，使用红外线和激光进行测量表明，与视网膜结合的H+转移到存在于细胞内侧的蛋白质氨基酸残基之一(*4)上。接收这种 H+ 的氨基酸并不存在于一般的向外 H+ 泵中，而是 PoXeR 所独有的，并且被证明在向内运输中发挥着重要作用。研究还发现，视网膜接受光时发生的结构变化与正常视紫红质不同，采用了适合向内输送H+的结构。这样，在这项研究中，我们不仅发现了一种具有新功能的蛋白质，而且还成功地快速阐明了这种PoXeR通过与之前已知的外向H+泵型视紫红质显着不同的机制来实现H+转运。
此外，基于这一机制，Kandori教授和他的同事通过改变构成PoXeR的氨基酸类型，成功地将运输能力提高了原来水平的三倍以上。人们相信，通过使用这些突变蛋白作为分子工具，将有可能开发出利用光来控制包括人类在内的各种生物体内所有细胞中H+浓度的新技术。
例如，在大脑的神经细胞中，神经传递是通过充满神经递质的小囊结构（囊泡）进行的，囊泡内神经递质的量是根据囊泡中所含的H+浓度来控制的。相比之下，使用视紫红质有望通过降低囊泡内的 H+ 浓度来防止神经递质过度释放，并有望有助于阐明躁狂抑郁症和癫痫等疾病的病理机制，以及建立利用光的新疗法（图 3）。除此之外，H+在线粒体、内质网、溶酶体等各种细胞内细胞器中发挥着重要作用，预计这种内向H+泵型视紫红质将在未来作为全新的光分子工具广泛应用于研究与之相关的各种疾病和生命现象。

图3：使用内向H+泵抑制神经递质释放

　　

*这项研究是在预算所需项目“光与生命”研究全球中心形成、日本学术振兴会 (JSPS) 的科学研究补助金以及日本科学技术振兴机构 (JST) PRESTO 研究“光的终极控制和积极利用以及新领域的开发”的支持下进行的。

<词汇表>

※1 微生物视紫红质
　一种利用光能发挥作用的蛋白质，主要由细菌等单细胞微生物拥有。在细菌细胞内部，它存在于包围细胞外部的细胞膜中，具有将H+、Cl-、Na+等离子输送到细胞内外的功能。
※2 离子泵
　一种蛋白质，具有将离子输送进出细胞的功能，存在于包括人类在内的所有生物中。离子泵具有使用各种能量逆浓度梯度输送离子的功能，但视紫红质被归类为使用光能输送离子的离子泵的一种。
※3发色团
　用于吸收光的染料分子结合在光吸收蛋白质内部。这种吸收光的色素分子称为发色团，就微生物视紫红质而言，它相当于视网膜。
※4个氨基酸残基
组成蛋白质的生物分子。二十种氨基酸残基连接成直链，形成蛋白质分子。