人眼如何分清红绿灯？《科学》连发3篇论文揭开秘密|science|科学|红绿灯|细胞|蛋白|视黄醛|论文

人类能够看清颜色的秘密到底是什么？最新一期《科学》杂志用 3 篇论文揭开了背后原理，原来这个秘密就藏在人眼里三种感光蛋白的立体结构里。

在本次三篇论文之中，三种蛋白的结构被同时看清，论文作者们则分别来自三个独立研究团队。三支团队分别来自南昌大学团队与德国柏林夏里特医学院团队、瑞士苏黎世联邦理工学院团队以及日本名古屋工业大学团队。

我们在生物课本上都学过这样一个知识点，人类可以看到红绿蓝三种颜色，凭借的是视网膜上的三种视锥细胞，它们各自拥有一种感光蛋白，依次对长波、中波和短波的光存在敏感度，也就是一种负责红色、一种负责绿色、一种负责蓝色。

人眼之所以能看到不同波长的光，原因在于上述三种感光蛋白使用的是同一个发色团，它是一种叫做 11-顺式视黄醛的小分子，可以转出来不同颜色的光信号。

红绿蓝三种视蛋白的氨基酸序列差别非常小，红和绿之间仅有几个氨基酸不同，但是它们的感光峰值却差了三四十纳米，这恰好覆盖了从红到绿的光谱范围，这也是人眼能分辨出万千种颜色的原因。

此次三篇论文从不同角度回答了一个问题：到底这些微小差异怎么造成了这么大的区别。

其中一篇论文用冷冻电镜解析了绿色和蓝色视蛋白在暗态下的结构；另一篇论文解析了猴子的红色视蛋白和绿色视蛋白，结果发现猴子的色觉和人基本一样；第三篇论文把所有三种人类视蛋白在激活状态下的结构都做了出来，结果发现它们都连着一个 G 蛋白和一个全反式视黄醛。

论文指出，G 蛋白是视觉信号传递的“启动器”，视黄醛是发色团被光激活之后的形态，只有把三种视蛋白在激活状态下的结构放在一起比较，才可以看清它们在信号传导这一步的异同。

当把这些结构放在一起看，论文作者发现红绿感光的差异主要来自一个氨基酸的替换。他们发现在红色视蛋白里，一个位置上恰好放着苏氨酸，并且带着一个羟基，这个羟基能够改变发色团周围的电场，于是光谱就会偏移。

其实这种偏移来自静电效应，改变发色团周围的电荷环境之后就可以调色。研究中，论文作者用量子力学和分子力学的混合模型做了计算，证实静电效应确实起着主导地位。

蓝色视蛋白走的是另一条路线，它的发色团周围拥有一圈丝氨酸，会形成一个极性环境，不仅稳定了发色团，也让光谱发生了蓝移。蓝色视蛋白还拥有一个额外的二硫键，它连接着第二和第七个跨膜螺旋。

这个额外的化学键让它的结构更加结实，也让其和红绿视蛋白区分开来。而且蓝色视蛋白的激活机制也更特殊，它用色氨酸和酪氨酸组成了一个扩展的芳香族网络，借此把发色团的异构化信号传递到整个蛋白。相比之下，红绿视蛋白无需依靠这个通路，它们的信号传导更加依赖经典的 GPCR 微开关。

视蛋白和杆细胞里的视紫红质也有明显的区别。具体来说，视紫红质负责暗视觉，对单光子都很敏感，但是恢复速度比较慢。视蛋白负责明视觉，需要在强光下工作，工作时既需要快速响应、也需要快速恢复。

论文里的结构数据解释了上述区别的来源：那就是视蛋白的发色团结合口袋更加开放，允许视黄醛实现快速进出。而杆细胞里视紫红质的发色团被牢牢锁住，无论是释放还是重新结合都要慢得多。至于视蛋白的不活化状态，由于不如视紫红质稳定，反而让它能更快地切换到激活状态，也能更快地回到基态准备下一次响应。

冷冻电镜的结构揭示了一个之前没被人们注意到的特征，详细来说在视蛋白的膜内侧有一个侧向开口，这个开口在视紫红质里是找不到的，也一直处于关闭状态。论文作者认为这个开口是视黄醛快速进出的通道。而视紫红质没有这种通道，发色团结合和解离都依赖蛋白的构象变化，这就导致速度就慢了。但是，视蛋白有了上述侧向开口，就可以在强光下快速地更新发色团，从而保持持续的感光能力。

那么，这些新发现对普通人有什么用？最大的用处之一就是色觉缺陷的分子基础被看得更清楚了。要知道红绿色盲在人群中占比很高，绝大多数是因为红绿视蛋白的基因重组导致功能异常。现在有了这些论文里的高分辨率结构，就可以在原子尺度上理解哪些突变破坏了功能，哪些仅仅是无关紧要的变异。与此同时，蓝视蛋白突变导致的罕见色盲也有了结构解释。

论文里的结构数据也揭示了三种视蛋白的进化路线：短波敏感视蛋白是其中最为古老的一支，红绿视蛋白则是后来基因重复产生的。短波视蛋白保留了更多的祖先特征，发色团环境更为受限。红绿视蛋白做了更多的功能优化，譬如在发色团结合口袋里出现了一个氯离子结合位点，这个位点可以调节波长敏感性和 G 蛋白信号强度。也就是说大自然用同一种零件，通过微调的方式改出了三种不同功能的版本，实现了令人叹为观止的效率和精度。