Archaeorhodopsin-3

### Archaeorhodopsin-3 详细介绍

#### 基本介绍

Archaeorhodopsin-3（AR3）是一种来源于古菌（Archaea）Halorubrum sodomense的光驱动质子泵。AR3属于视紫红质（rhodopsin）家族，这一类蛋白质在光的激发下会引发一系列生理反应。AR3能够在吸收光子后将质子泵出细胞外，形成跨膜质子梯度（proton gradient），进而用于能量转换。

#### 起源

Archaeorhodopsin-3最初是在以色列的死海中分离出来的。Halorubrum sodomense是一种极端嗜盐（extremely halophilic）的古菌，生活在高盐度的环境中。AR3作为这些微生物适应极端环境的一种机制，通过光能捕获和转换，帮助细胞维持能量平衡。

#### 类型或分类

AR3属于视紫红质家族中的一种光驱动质子泵。根据功能和结构特点，视紫红质家族可以分为几类，包括：

1. **视杆细胞视紫红质（Rhodopsin）**：在人类视觉中起关键作用。

2. **质子泵视紫红质（Proton Pump Rhodopsins）**：如细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin, BR）和Archaeorhodopsin。

3. **氯离子泵（Chloride Pump Rhodopsins）**：如Halorhodopsin (HR)。

4. **光感受器（Sensory Rhodopsins）**：参与微生物趋光性运动的感知。

#### 结构

AR3的结构由七个跨膜α螺旋组成，包围着一个视黄醛（retinal）分子。视黄醛通过一个Schiff碱键与Lys-216残基共价连接。吸收光子后，视黄醛发生顺反异构化（isomerization），从11-顺式（11-cis）转变为全反式（all-trans），引发构象变化，进而驱动质子泵送过程。

#### 分布或定位

AR3主要分布在极端嗜盐古菌的细胞膜中，这些古菌通常生活在高盐环境，如盐湖和盐矿。通过质子泵的作用，这些微生物能够在光照下生成ATP，从而在极端环境中生存。

#### 相关信号通路

AR3通过光驱动质子泵送形成跨膜电化学梯度，该梯度可以驱动ATP合酶（ATP synthase）生成ATP。此外，质子梯度还可以用于多种细胞过程，如物质运输和信号传递。

#### 作用和功能

AR3的主要功能是将光能转化为化学能，通过质子泵送形成电化学梯度，为细胞提供能量。由于其高效的光能转换能力，AR3被广泛应用于光遗传学（optogenetics）研究，用于控制神经元活动和研究神经网络。

#### 机制

AR3吸收光子后，视黄醛发生顺反异构化，导致蛋白质构象变化，使质子从细胞内部泵送到细胞外。质子首先从Schiff碱转移到胞外质子接受体，再通过一系列中间体转移到细胞外。

#### 研究进展

近年来，AR3在光遗传学中的应用迅速发展。研究人员利用AR3的光敏特性开发了控制神经元活动的工具。例如，通过基因工程将AR3引入神经元，可以用光精确控制这些细胞的激活或抑制，研究神经回路的功能。

#### 示例

在一个经典的研究中，研究人员使用AR3成功控制了小鼠大脑中的特定神经元群体，揭示了这些神经元在行为调控中的作用。这一技术也被应用于研究各种神经疾病，如帕金森病和癫痫。

#### 参考文献

1. Spudich, J. L., Yang, C. S., Jung, K. H., & Spudich, E. N. (2000). Retinylidene proteins: structures and functions from archaea to humans. *Annual Review of Cell and Developmental Biology*, 16(1), 365-392.

2. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Li, H., & Spudich, J. L. (2013). Microbial rhodopsins: diversity, mechanisms, and optogenetic applications. *Annual Review of Biochemistry*, 82, 723-752.

3. Kato, H. E., Zhang, F., Yizhar, O., Ramakrishnan, C., Nishizawa, T., Hirata, K., ... & Nureki, O. (2012). Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel. *Nature*, 482(7385), 369-374.