阐明前所未有的氢离子转运机制 - 通过切换步骤向相反方向转运氢离子的蛋白质 -

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（阅读之前）
〇质子是氢原子的正离子。在生物体内，利用跨膜质子浓度的差异
能量转换和质量运输正在发生。
〇质子泵是一种主动运输质子的蛋白质。

研究成果要点

〇阐明氢离子转运蛋白新的氢离子转运机制
〇​最近发现了一种与常规氢离子转运蛋白转运方向相反的氢离子转运蛋白，其转运机制尚不清楚，但可以通过观察反应中间体来阐明其机制
〇​预计对氢离子输运原理的理解将会取得进展

摘要

　大阪大学研究生院理学研究生Kohei Hayashi（硕士课程）、助理教授Mizuno Misao和Yasuhisa Mizutani教授的研究小组与V体育工学研究生院的Hideki Kandori教授合作，揭示了蛋白质利用光能传输质子（氢离子）的新机制。
　在生物体内，能量转换和质量传输是利用跨膜质子浓度的差异进行的。这种质子浓度的差异是由主动运输质子的蛋白质造成的，这些蛋白质被称为质子泵。在一些微生物中发现了利用光能的质子泵，这些质子泵被称为外向质子泵，可将质子从细胞内部输送到外部。最近，人们发现了一种具有类似三维结构，但以与传统蛋白质相反的方向（即向内）传输质子的蛋白质，受到了人们的关注。然而，反向质子传输的机制尚未阐明。
　水谷教授的研究小组使用时间分辨共振拉曼光谱*1来观察蛋白质裂视紫质4（图1）中所含的视网膜发色团*2的结构变化，裂视紫红质是一种内向质子泵。结果，他们发现与传统蛋白质相比，结构变化的顺序是相反的，这使得质子能够以相反的方向运输。该机制不同于任何先前已知的质子传输机制。预计这将增进我们对质子传输原理的理解。
　该研究成果发表在德国科学杂志《'' 于 7 月 8 日星期五发布。

图 1。裂视紫质 4 是一种利用前所未有的机制运输质子的蛋白质。本研究揭示的视网膜发色团的结构显示在中心。

研究背景

　在生物体内，能量转换和质量传输是利用跨膜质子浓度的差异进行的。这种质子浓度的差异是由主动运输质子的蛋白质造成的，这些蛋白质被称为质子泵。在一些微生物中发现了利用光能的质子泵，这些质子泵被称为外向质子泵，可将质子从细胞内部输送到外部。最近，人们发现了一种具有类似三维结构，但以与传统蛋白质相反的方向（即向内）传输质子的蛋白质，受到了人们的关注。然而，反向质子传输的机制尚未阐明。

研究内容

Mizutani教授的研究小组使用时间分辨共振拉曼光谱来观察分裂视紫红质4（一种内向质子泵）中所含视网膜发色团的结构变化。已知传统的质子泵会通过光吸收引起异构化（光异构化）、席夫碱*3的去质子化、再质子化，然后再异构化（图2左）。另一方面，这项研究表明，在裂视紫红质4中，希夫碱去质子化后，会发生再异构化，然后发生再质子化（图2，右）。换句话说，再异构化和再质子化的顺序颠倒了。此外，我们发现这种差异很好地解释了裂视紫红质 4 以与传统质子泵相反的方向传输质子。传统的质子泵利用光异构作用将希夫碱引导至细胞内部，释放质子。然而，由于这些质子必须被运输到细胞外部，因此认为细胞外部带负电的氨基酸残基会吸引质子。失去质子的希夫碱仍面向细胞内部，从细胞内部接收质子，并重新异构化以面向细胞外部（图 3，左）。另一方面，分裂视紫红质4通过异构化转向细胞内部并释放质子，然后质子直接释放到细胞内。之后，它重新异构化并转向细胞外部，接收来自细胞外部的质子（图3，右）。在传统质子泵的席夫碱中，质子释放和释放方向不匹配，而在裂视紫红质4中，质子释放和质子释放方向以及质子接收和质子摄取方向不匹配。我们发现质子是通过一种极其合理的机制传输的。这种机制不同于任何先前已知的质子泵传输机制。

图2传统质子泵和裂视紫红质的机制比较4已知传统质子泵经历光吸收异构化（光异构化）、希夫碱去质子化（浅蓝色部分）、再质子化，然后再异构化（左）。另一方面，这项研究表明，在裂视紫红质4中，席夫碱去质子化后，会发生再异构化，然后发生再质子化（右）。

　

图 3 质子传输方向和希夫碱方向。希夫碱的方向由穿蓝色鞋子的篮球运动员的方向表示，正在传输的质子由球表示。在传统的质子泵（左）中，席夫碱以不同的方向释放和释放质子，而在裂视紫红质4（右）中，其释放和释放质子的方向以及接收和吸收质子的方向是相同的方向。我们发现质子是通过一种极其合理的机制传输的。

本研究结果对社会的影响（本研究结果的意义）

　该研究结果表明，再异构化和再质子化的顺序是决定质子传输方向的因素之一。希望这一发现能够通过阐明和比较其他内向质子泵的机制，为理解质子传输原理和质子泵的分子设计铺平道路。

特别说明

　该研究成果于2022年7月8日星期五发表在德国科学期刊《Angewandte Chemie国际版》（在线）上。

标题：“裂视紫红质 4 的光循环中，顺反异构化先于视网膜发色团的再质子化”
作者姓名：Kouhei Hayashi、Misao Mizuno、Hideki Kandori 和 Yasuhisa Mizutani
DOI：

　这项研究是科学研究、基础研究（B）和学术转化领域研究（B）补助金的一部分，与V体育工程研究生院的 Hideki Kandori 教授合作进行。

术语解释

※1 拉曼光谱
当光照射到物质上时，会观察到具有由于物质的振动能量而偏离光能量的能量的光。这种光称为拉曼散射光，对这种光的分析提供了有关材料结构的丰富信息。这种实验方法称为拉曼光谱。

※2 视网膜发色团
视黄醛（维生素 A 的衍生物）与蛋白质中的赖氨酸残基结合时产生的发色团。

※3希夫碱
有机化合物的部分结构，其中烃基与氮原子键合。含有碳原子和氮原子之间的双键。

[水谷教授的评论]
一开始很难解释实验数据，但一旦我们理解了它，它实际上显示了一个合理的机制。我再一次被蛋白质的巧夺天工所折服。

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