古細菌視紫紅質蛋白的質子泵機理及其與聚合物復合功能材料的研究.pdf

1、本文對古細菌視紫紅質蛋白的質子泵機理及其與聚合物復合功能材料進行了研究。文章的主要創(chuàng)造性工作和成果為： (一)研究了AR4蛋白的光循環(huán)性質和質子泵機理，提出弱偶聯模型解釋AR4的特殊現象。在與BR相比較的基礎上，考察了AR4質子泵功能和光循環(huán)性質的pH依賴性，測定了其幾個關鍵氨基酸在光循環(huán)中各個狀態(tài)的pKa值，發(fā)現在高pH區(qū)域，AR4蛋白光循環(huán)中的質子提取與釋放順序發(fā)生反向，從而與BR蛋白在中性pH環(huán)境中的順序一致。指出AR4光

2、循環(huán)中，Asp85質子化與蛋白質子釋放之間的弱偶聯效應是導致AR4與BR蛋白光循環(huán)中相反的質子提取和釋放順序的原因。同時，還發(fā)現AR4中質子釋放基團并沒有失去功能，而是在催化質子受體Asp85的去質子化、加速AR4光循環(huán)最后過程中質子在質子釋放通道內部的傳遞和AR4初態(tài)的回復上發(fā)揮了重要的作用。與BR相比，AR4是一個堿化了的質子泵。 (二)研究了去垢劑TritonX-100對AR4蛋白質子泵功能的影響，發(fā)現蛋白質的自組裝聚集狀

3、態(tài)對于AR4的質子泵功能有重要影響。發(fā)現TritonX-100可以改變AR4蛋白光循環(huán)中的質子提取與釋放的順序，AR4聚集體與AR4單體具有截然相反的質子提取與釋放順序。并且，用Biobeads去除體系的TrionX-100后，AR4蛋白的這種質子提取與釋放順序還可以得到恢復。表明脂與蛋白的相互作用及蛋白質的聚集狀態(tài)在影響AR4中的Asp85質子化與質子釋放之間的偶聯作用，以及調節(jié)其光循環(huán)中質子泵次序方面起到了重要的作用。 (三

4、)研究了轉基因AR4蛋白與野生AR4及BR蛋白質子泵功能的差異。通過合作研究，將AR4和BR基因在一株本身不合成菌紫質和玉紅素的嗜鹽菌株L33中克隆和表達，本論文發(fā)現：在L33中表達的AR4蛋白(稱為轉基因AR4蛋白)表現出與野生AR4蛋白以及BR蛋白都不相同的光循環(huán)和質子泵性質，其Asp85質子化與質子釋放之間的偶聯作用以及其他很多性質都介于野生AR4和BR之間。轉基因AR4與BR蛋白具有相同的脂環(huán)境，其性質的差異由其不同的氨基酸序列

5、所導致；而轉基因AR4與野生AR4蛋白具有相同的氨基酸序列，其性質的差異歸咎于其所不同的脂環(huán)境(轉基因AR4的紫膜環(huán)境和野生AR4的紫紅膜環(huán)境)。因此，我們提出AR4蛋白中一些特殊的氨基酸殘基和其特殊的脂環(huán)境共同決定了其在光循環(huán)中與BR相反的質子提取與釋放順序。 (四)研究了兩種新型BR蛋白和AR4蛋白突變體，BR-D96V和AR4-D212G的質子泵功能和光循環(huán)性質，同時將野生BR、D96NBR和野生AR4蛋白作為它們性質研究

6、的對照。將酸性氨基酸Asp96(D96)突變成了一個非常疏水的氨基酸Val(V)，并沒有影響到BR蛋白基本的折疊結構，D96VBR同樣具有質子泵功能，并且其光適應向暗適應的轉變行為與野生BR相似。中性pH值條件下，D96V突變的BR蛋白光循環(huán)中M產物的壽命和野生BR相比有了一個數量級以上的延長，與D96NBR的M產物壽命接近。提高體系的pH值可以使D96VBR光循環(huán)中M產物壽命有著更加顯著的延長。結果表明，該位點的基因突變修飾優(yōu)化了BR

7、蛋白作為光信息存儲和處理材料的性能。AR4蛋白的D212G突變則改變了其光循環(huán)中的質子提取與釋放順序，從而使其與BR中的順序一致，表明Asp212(D212)對AR4蛋白質子泵的次序有著至關重要的作用。 (五)初步考察了重組的上述蛋白質與聚合物復合體系以及潛在的光信息材料。通過基因工程改性成功地使AR4蛋白具備了一定的潛在應用價值，并在聚合物和BR蛋白的改性以增強它們之間的相互作用、制備光學尺度均勻的復合材料上作出了探索。與BR

8、相比，AR4中的玉紅素掩蓋了其吸收峰，削弱了其光致色變的反差，從而阻礙了其在光信息存儲方面的可能應用。通過基因工程的方法成功去除了玉紅素，并采用定點突變的方法優(yōu)化其功能，將其包埋于聚合物中制成復合膜，采用簡易的方法實現了其可視化的圖像存儲，使AR4蛋白也同樣可以應用于信息存儲和信息處理領域。在復合材料的制備研究中，使用兩親性的溫度敏感水凝膠材料復合成膜或者凝膠，增強了蛋白與聚合物的相互作用，對制備分子尺度上均勻的BR光學材料進行了嘗試。