Kandori教授等人的综述文章发表在Chemical Reviews上

Kandori 教授等人的评论文章。发表于《化学评论》

主动运输和光驱动钠泵的巴拿马运河模型

工程研究生院 生命与应用化学系和光生物技术研究中心主任Hideki Kandori教授、Keiichi Inoue副教授和Tsunoda 美国化学会发表Satoshi客座副教授关于光驱动钠泵的综述文章化学评论发表在杂志上。这个杂志被誉为最好的化学评论文章，影响因子也很高。47.928和自然杂志和科学不仅仅是杂志。该期刊仅由受邀作者组成，是许多化学家的梦想，他们想在一生中至少写一次关于它的文章。 Kandori 教授是2014视紫红质综述[1]这篇文章的主题是光驱动钠泵，这是Kandori实验室的招牌。

■ 分子泵的主动运输和巴拿马运河模型

从人类到细菌，细胞内有许多钾离子，细胞外有许多钠离子，这些离子浓度的差异支撑着我们的生命。这种浓度差是由称为分子泵的膜蛋白产生的，它需要外部能量输入来降低系统的熵。离子逆浓度梯度的传输称为“主动传输”，如图底部所示X⁺如图所示的“巴拿马运河模型”最好地解释了离子的向上主动传输。在巴拿马运河中，两个闸门相连，通过能量输入提高水位，以便将船只运送到水位高的地区。如图所示，分子泵的8个结构完全对应了巴拿马运河的8个状态。尽管实际的分子泵更加复杂，但主动运输的机制可以使用巴拿马运河模型清楚地描述。虽然这种思想早已为人所知，但在教科书等中对其进行严格描述的例子并不多，而在本次综述的引言中对其进行了详细解释。

那么主动交通最重要的是什么？

这是一种状态3和4之间的能量输入点处。这是有道理的，因为如果水位上升时里面没有船，所使用的能源就会被浪费。事实上，在迄今为止已知的几乎所有分子泵中，能量输入都是在结合离子时发生的。

■　光驱动钠泵的发现揭示神秘机制及研究进展

质子泵和氯离子泵是光驱动离子泵，它们利用光能主动沿一个方向传输离子40它已被知晓一年多了。在这些泵的情况下，在光吸收的能量输入发生之前，被运输的质子和氯离子被束缚在蛋白质内部，因此从这方面来说，它们可以说是遵循巴拿马运河模型的分子泵。

另一方面，Kandori 集团开发了一种光驱动钠泵，人们认为这种钠泵在自然界中不存在2013发现年份[2]此外，通过与东京大学的联合研究，我们能够确定该蛋白质的三维结构并提出运输模型[3]我们还确定了决定离子选择性的位点，并发现了自然界中不存在的钾泵。[3]和铯泵[4]化学评论这导致该杂志第二次邀请Kandori教授撰稿。

Kandori 教授认为，光驱动钠泵最有趣的特征在于主动运输的独特性质。在他们的第一篇论文中，研究小组使用光谱实验表明钠离子结合在出口表面而不是内部，但即使结合位点被删除，泵仍然保持功能。[2]这一事实表明光驱动钠泵并不遵循巴拿马运河模型。 Kandori 小组随后彻底研究了这种蛋白质的特性，发现光驱动钠泵并不遵循标准的巴拿马运河模型。人们发现，这种分子泵有一种神秘的运输机制，即使在没有船的情况下输入能量，它也能运输一艘船。

在这篇综述论文中，我们提出了一种模型，可以称为改进的巴拿马运河模型，用于不遵循巴拿马运河模型的光驱动钠泵。通过巧妙地将光能储存在蛋白质内部，可以等到钠离子通过扩散进入。为此，巴拿马运河模型所必需的两个闸门必须正确运行，这一点很重要，并且已经表明该蛋白质以这种方式发挥作用（图）。这篇评论标题中的“新概念”指的是一种即使在未结合的情况下也允许离子传输的机制。

光驱动钠泵也是新技术“光遗传学”的一个有前景的工具，人们高度期望该技术能够阐明大脑功能，并且预计从基础研究到应用研究的进一步发展。

*这项研究基于“光与生命”项目研究，需要粗略估计，以形成一个全球中心，日本科学振兴会 (JSPS) 日本科学技术振兴机构科学研究补助金 (日本标准时间)冠在 Research 和 PRESTO Research 的支持下进行。

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神取英树、井上敬一、角田聪
化学。修订版（2018）。
DOI：

<参考文献>

[1] O P Ernst、D T Lodowski、M Elstner、P Hegemann、L S Brown、H Kandori，“微生物和动物视紫红质：结构、功能和分子机制”，Chem。修订版 114, 126-163 (2014)。

[2] K Inoue、H Ono、R Abe-Yoshizumi、S Yoshizawa、H Ito、K Kogure、H Kandori，“海洋细菌中的光驱动钠离子泵”，Nat。交流。 4, 1678 (2013)。

[3] H E 加藤、K Inoue、R Abe-Yoshizumi、Y Kato、H Ono、M Konno、S Hososhima、T Ishizuka、M R Hoque、H Kunitomo、J Ito、S Yoshizawa、K Yamashita、M Takemoto、T Nishizawa、R Taniguchi、 K Kogure、A D Maturana、Y Iino、H Yawo、R Ishitani、H Kandori、O Nureki，“Na 的结构基础⁺光驱动Na的传输机制⁺泵”，Nature 521, 48-53 (2015)。

[4] M Konno、Y Kato、H E Kato、K Inoue、O Nureki、H Kandori，“光驱动钠离子泵的突变体可以运输铯离子”，J Phys。化学。莱特。 7, 51-55 (2016)