M145F/F146M突变对光受体蛋白细菌视紫红质和古紫质4光循环的影响 *

古紫质4(archaerhodopsin 4,aR4)与细菌视紫质(bacteriorhodopsin,bR)同属于盐杆菌科,同源性59%,均为光驱质子泵。其功能是在光照条件下将质子由胞内泵到胞外形成跨膜质子梯度,该梯度差被膜上另外一种蛋白ATP合成酶用于ATP的合成,从而完成光能向生物能的转化。aR4和bR具有相似的光循环过程,但质子传递时序不同,aR4是先从胞内吸收质子再将质子释放到胞外,而bR恰好相反。甲硫氨酸-145是位于bR视黄醛发色团键合区的一个重要残基,对其光循环有着重要的影响,而在aR4中处在相应位置上的苯丙氨酸-146是其视黄醛键合区与bR唯一不相同的残基。因此通过定点突变,采用紫外可见吸收光谱、动力学光谱、质子泵功能检测、低温透射红外光谱等手段对比分析研究M145F和F146M单点突变对bR和aR4光循环造成的影响,有助于深入理解aR4结构与功能的关系。研究结果表明,M145F突变造成了bR光循环L的丢失和质子泵功能的减弱,而F146M突变并未对aR4的光循环造成显著影响,且突变后aR4质子释放时序没有反转,表明该位置上的残基在两个体系中的作用不尽相同。     

D97N突变对光受体蛋白古紫质4质子泵和能量转换效率的影响

古紫质4(archaerhodopsin 4,aR4)是新近发现的古生菌Halobacterium species xz515红膜上唯一的光敏视黄醛蛋白,具有和细菌视紫红质(Bacteriorhodopsin,bR)相似的质子泵功能,但在中性p H条件下,其质子释放和摄取顺序与bR相反。针对质子供体天冬氨酸97(Aspartic acid 97,D97)对aR4光循环;特别是对质子释放摄取顺序和菌株ATP生成率的影响,采用基因定点突变技术,构建了aR4的单突变体D97N,以及相对应的bR单突变体D96N。采用紫外-可见吸收光谱和闪光动力学光谱技术初步研究突变对视黄醛键合区、光反应中间态M态和O态、质子泵功能以及菌株ATP生成率的影响。结果表明,D97N突变对视黄醛紫外-可见光吸收波长没有太大影响,但造成M态衰减时间的显著延长、质子泵功能的消失及菌株ATP的生成率大幅降低。与bR中的D96作用相比,D97对aR4质子功能的影响有所不同,这可能与D97所处的一个更为疏水性的胞外侧环境有关。     

天冬氨酸116在光驱质子泵古紫质-4中的作用研究

古紫质-4(archaerhodopsin-4, aR4)是一种存在于嗜盐菌(Halobacterium sp.)XZ515细胞膜上含有类胡萝卜素发色团的细菌类光敏受体蛋白,与细菌视紫红质(bacteriorhodopsin, bR)具有类似的三聚结构和光驱质子泵功能。已有研究表明,bR蛋白D螺旋上具有保守性的天冬氨酸115(aspartic acid 115, D115)的去质子化会影响其质子泵功能,但其等位残基D116在aR4中的作用尚未见报道,特别是与D螺旋存在相互作用的类胡萝卜素发色团是否会对其功能存在影响更不得而知。本研究通过基因定点突变技术将aR4中的D116突变为极性不同的N116和A116以及bR的等位突变,采用紫外-可见光吸收光谱、闪光光解光谱和酸碱滴定等方法对比研究D115/D116突变对bR和aR4结构及光循环动力学的影响。研究结果表明,D116在aR4中的作用与D115在bR中的作用有所不同,且受类胡萝卜素发色团菌红素的影响。本研究有助于进一步认识含类胡萝卜素发色团的光敏受体蛋白D螺旋和菌红素的作用,同时也为研究其他双发色团微生物视紫红质家族蛋白的结构功能提供依...     

正电性氨基酸残基K129对细菌视紫红质光循环动力学的影响

光驱动质子泵细菌视紫红质(bacteriorhodopsin, bR)是存在于嗜盐杆菌(Halobacterium salinarum)细胞膜上的一种七-跨膜蛋白,其视黄醛发色团与螺旋F上的赖氨酸216(K216)共价结合形成希夫碱。光激发后,视黄醛由全反式构型向13-顺式构型的异构化驱动蛋白进入光循环,在经历了一系列具有特定紫外吸收的光循环中间态后将质子由胞内泵出到胞外,形成质子梯度差驱动ATP酶合成ATP。荷正电的赖氨酸129(K129)是bR胞外界面上唯一的一个赖氨酸残基,它对胞外侧质子传输半通道氢键网络以及整个光循环的调控作用目前仍不甚明了。为弥补这一研究上的空白,本研究通过基因定点突变技术并结合紫外-可见光吸收光谱、动力学闪光光解光谱、酸碱滴定等手段,通过与重组表达的野生型bR的对比,深入探究不同极性的K129E和K129L突变对bR质子释放基团(proton release complex, PRC)的调制作用以及对整个光循环的影响。研究结果表明,K129作为胞外侧的荷正电性氨基酸残基,对于稳定质子释放基团的电荷和质子传输通道氢键网络具有重要的调控作用,直接影响着bR的光循...     

细菌视紫红质的质子传输机理

细菌视紫红质（bR）是嗜盐菌紫膜中的唯一蛋白质成分, 具有质子泵、电荷分离和光致变色功能. bR分子中的发色团视黄醛通过质子化席夫碱以共价键与Lys216相连. bR分子受可见光照射后, 视黄醛发生从全-反到13-顺式构型的异构化, 导致席夫碱的去质子化,继之以可极化基团位置的改变. 力场的变化引起包括蛋白质三级结构在内的诸多变化, 这些变化促进并保证了质子从细胞质侧向细胞外侧的定向传输.     

蜂毒对菌紫质(bR)光循环中间体M_(412)和质子泵的影响

蜂毒对菌紫质(bR)光循环中间体M_(412)及质子泵的动力学过程有较大影响.表现在M_(412)慢衰减组分(M_(412~S))和质子的半衰期增大及产出量的减小,说明蜂毒分子的介入抑制了M_(412)的生成和衰减过程,同时也阻碍了紫膜的质子泵功能.但似乎对M_(412)快衰减组分影响不大.以上结果支持了M_(412~S)与质子泵功能有关的说法.实验结果同时反映出蜂毒除与膜脂分子存在强烈作用外还与bR本身直接作用.因此,蜂毒是一种研究膜脂蛋白相互作用及膜蛋白功能的较好材料.     

酰化菌紫质的动力学光谱及光电特性研究

用人工双分子膜(BLM)技术及动力学光谱研究了赖氨酸残基在紫膜的结构和功能中所起的作用.酰化基团与菌紫质(bR)分子中的赖氨酸残基的ε氨基作用,使光照后bR的跨膜质子迁移信号及膜的充放电速度变慢,光循环中间产物M412的产量下降,半衰期延长.但UV/Vis吸收光谱表明酰化并未破坏bR中视黄醛的构象环境.在高pH或高盐浓度下,酰化的影响降低.这些结果表明:赖氨酸残基并不是泵出质子的提供者,没有直接参与质子的跨膜输运,而是通过表面电位来影响bR的质子泵功能.     

两种化学修饰菌紫质的光化循环和光电位

本文分别用两种氮氧自由基对菌紫质(bR)中的两种氨基酸残基——赖氨酸和丝氨酸进行了修饰,并对修饰后的bR光循环中间产物M_(412)动力学过程、质子泵效率及光电响应信号进行了测量。通过与正常紫膜进行比较,可以看出:赖氨酸被修饰后,M_(412)快、慢组分的衰减及质子的吸收过程均减慢,M_(412)和质子的产额、跨膜光电位信号均有不同程度的提高;丝氨酸被修饰后,M_(412)和质子的动力学过程的变化与赖氨酸基本相同,但M_(412)和质子的产额及跨膜光电位提高很大,且光电位出现缓慢反向现象。结果表明赖氨酸不大可能直接参与质子的传递过程,其对紫膜质子泵的影响主要是通过其所带电荷对表面电位的贡献;而丝氨酸却似乎对bR的功能影响很大并对维持质子通道构象环境的稳定起着很大作用。     

W86F/W86A突变对细菌视紫红质光循环影响的差异性分析

细菌视紫红质(bacteriorhodopsin,bR)是一种光驱受体蛋白,每个活性单元由3个单体组成,每个单体由一分子视蛋白和一分子的视黄醛发色团共价结合而成,其功能为从胞内向胞外定向传输质子,利用形成的质子浓度梯度将光能转化为化学能.光照后视黄醛发色团构型发生all-trans向13-cis转变,蛋白的构象也随之发生了一系列具有稳定中间态的变化并驱动质子的定向传递.为探讨bR视黄醛键合区保守性氨基酸色氨酸86 (Tryptop-han86,w86)对其光循环中间态和质子泵功能的影响,本研究采用定点突变技术将W86突变为侧链大小不同的F86和A86,通过原位紫外-可见光吸收光谱、闪光光解光谱、pH滴定、固体核磁共振等技术手段,探究W86F和W86A突变对bR光循环及质子泵功能影响差异性的分子机制.结果 表明,W86F和W86A突变均造成了bR暗适应状态下视黄醛顺反异构平衡向顺式构型占优的方向移动,且W86F突变可造成反式构型的完全消失.此外,无论是W86F还是W86A突变都造成了蛋白光循环中间态的减弱且衰减延长,以及质子泵功能减弱,但影响机制各有所不同,这可能与这两个突变对视黄醛多烯链上电子云的分布以及周围残基造成的扰动程度不同有关.     

Y186F突变对光受体蛋白古紫质-4质子传输和能量转换的影响

光驱动质子泵是一类以视黄醛为主要发色团的七-跨膜光敏受体蛋白,其功能是利用质子由胞内输送到胞外所形成的氢离子浓度梯度,通过ATP的合成将光能转化为化学能。本研究以细菌古紫质-4(archaerhodopsin-4,a R4)为研究对象,旨在探究位于视黄醛结合口袋的芳香性残基酪氨酸186(Y186)对其质子泵功能以及能量转换效率的影响。利用重叠延伸PCR技术构建Y186F~L33-a R4突变体,并通过紫外-可见光吸收光谱、动力学瞬态吸收光谱以及ATP生成率测定等手段,对RC~L33-a R4(recombinant a R4)和Y186F~L33-a R4突变体进行对比研究。研究表明,相较于RC~L33-a R4,Y186F~L33-a R4突变体的紫外-可见光谱最大吸收峰发生了4 nm的蓝移,M中间态寿命延长了约5倍,O中间态寿命则延长了约2倍,同时突变之后造成了质子泵功能的明显减弱。此外,相较于重组RC~L33-a R4菌株,Y186F~L33-a R4突变体菌株的ATP生成率约降低了36.5%。因此可以判定,位于视黄醛结合口袋的Y186是一个对质子传输和能量转换起重要作用的芳香性残基     

细菌视紫红质中质子泵出的分子机理

细菌视紫红质(Bacteriorhodopsin,或bR)是盐生嗜盐菌(Halobacterium salinarium)等细菌的跨膜蛋白质,其色基视黄醛的光致异构化作用触发细菌视紫红质的一系列结构变化,把质子从细胞质泵到细胞外空间。对细菌视紫红质中质子泵出分子机理进行了描述。     

菌紫质的结构和功能研究进展

紫膜中具有质子泵功能的菌紫质(bR)是整合膜蛋白,它是7个α螺旋跨膜蛋白家族的基本原型.目前,具有光驱动质子泵的bR是最典型的高效离子转运蛋白之一.它很可能成为其载体转运机制在分子甚至原子水平上被阐明的第一个膜蛋白.概述了近年来对菌紫质结构,光循环和质子泵机理研究的进展.     

菌紫质质子泵机理的研究进展

菌紫质(bR）是嗜盐菌紫膜中的唯一蛋白,具有光驱动的质子泵功能,迄今为止对于光循环和质子泵的具体分子机理仍未弄清楚,作者概述了近几年来关于bP质子泵机理的研究进展,介绍了两个较新的模型。     

“正常”膜蛋白取向的细菌视紫红质脂质体制备及其瞬态光学响应

细菌视紫红质 (bR)是嗜盐菌质膜上的一种跨膜蛋白质 ,有其独特的光驱质子泵功能 ,可以被定向组装到磷脂脂质体膜上 ,并且表现出和细胞膜上相反的取向。通过细菌培养和细胞膜分离 ,获得了含bR蛋白质的紫膜悬浮体系 ,在pH =2 .5时将bR悬浮液和两亲性的DPPC磷脂混合、通过自组装的方式形成了含bR膜蛋白的磷脂脂质体 ,并通过瞬态光学响应测量考察了bR的取向和质子泵生物活性。结果表明 ,bR膜蛋白可以被整合到DPPC的脂质体膜上 ;蛋白质的质子泵运行规律的测量进一步验证了在酸性条件下所制备的脂质体上bR保持了不寻常的择优取向 ,与细胞膜上的“正常”取向一致 ,而与绝大多数文献报道的中性条件下制备的脂质体质子泵取向相反。     

细菌视紫红质的光电响应特性和机制

在ITO导电玻璃上制备定向细菌视紫红质 (BR)电泳沉积膜或LB膜组成光电池系统 ,在短脉冲激光照射下 ,测定其脉冲响应光电压 ;在间断光照射下 ,测定其对光强变化产生的微分响应信号。对脉冲光电响应和微分响应的机理及其关系进行理论分析和解释 ,认为脉冲响应是BR分子内部生色团快速光极化引起的电荷分离和希夫碱及其周围氨基酸去质子化和再质子化过程引起的质子定向运输产生的位移电流 ,是一个快反应过程 ,是微分响应的早期反应和基础。微分响应则是由于菌紫质的光驱动质子泵产生的连续质子流在光开和光关瞬间引起光电池系统充放电以及测量电路的耦合特性引起的 ,是一个慢变化过程     

美丽镰刀菌培养液对东北红豆杉悬浮细胞防御反应及紫杉醇合成的影响

美丽镰刀(Fusarium mairei)是一分离自南方红豆杉(Taxus chinensis var.mairei)的产紫杉醇内生真菌,用B5培养基培养6 d,去菌尘幺后制得美丽镰刀菌培养液,并从中提取其胞外多糖.研究了4%(V/V)美丽镰刀菌培养液及4%(W/V)胞外多糖两种处理,对东北红豆杉(T.cuspidata)悬浮细胞防御反应及紫杉醇合成的影响.结果表明:两种处理均能诱导东北红豆杉细胞的防御反应.但美丽镰刀菌培养液的影响明显大于胞外多特(P<0.05).另外,两种处理均可促进东北红豆杉细胞紫杉醇的合成与释放.美丽镰刀菌培养液处理得到的紫杉醇与其释放率分别是对照的2.5倍8.8倍,而胞外多糖处理得到的紫杉醇与其释放率则分别是对照的1.5倍与3倍.     

光电响应对紫膜外表面[k~ ]依赖性与质子泵效率相关

本文研究发现,不锈钢／电沉积紫膜薄膜／含水胶（电介质）／铜型菌紫质光电池的光电响应对紫膜外表面的钾离子浓度的依赖性与质子泵效率的这种依赖性成相关性。这种相关性说明：１．膜中菌紫质的光电响应主要来自质子泵运而非钾离子直接的贡献;２．存在一合适的离子浓度使菌紫质的光电响应有极大值;３．作用在外表面的离子主要影响质子释放结构域     

光电响应对紫膜外表面[k~+]依赖性与质子泵效率相关

本文研究发现,不锈钢／电沉积紫膜薄膜／含水胶（电介质）／铜型菌紫质光电池的光电响应对紫膜外表面的钾离子浓度的依赖性与质子泵效率的这种依赖性成相关性。这种相关性说明：１．膜中菌紫质的光电响应主要来自质子泵运而非钾离子直接的贡献;２．存在一合适的离子浓度使菌紫质的光电响应有极大值;３．作用在外表面的离子主要影响质子释放结构域     

嗜盐菌紫膜的质子泵功能

嗜盐菌生活在NaCl含量接近饱和的自然环境中。在缺氧和充分光照条件下,它的细胞膜能长出紫色的膜斑,称为紫膜,镶嵌在整个细胞膜上。在合适条件下,紫膜面积可占整个细胞膜表面的一半。紫膜上仅含有一种蛋白,叫细菌视紫质(bR,bacteriorhodopsin)。bR上的色素团——视黄醛(与哺乳动物视色素相同的一种色素团)通过质子化的席夫碱基与蛋白中赖氨酸的ε-氨基相连。bR分子在膜上排列极其     

酶切菌紫质(bR)C端对紫膜光循环和质子泵效率的影响

本文研究紫膜悬浮液经低剂量木瓜蛋酶处理去掉菌紫质(Bacteriorhodopsin简写bR)分子C-末端后。其光循环产物和质子泵效率的变化。实验发现经酶切后,M_(412)产物中慢衰减组份M_(412)降低了20％,O_(640)降低了50％,而质子泵效率降低了70％。双光脉冲实验表明酶解作用并不影响光循环周期。这些事实说明了去C-端所引起的质子泵效率降低,不是通过光循环的途径而产生的。介质中离子强度对正常紫膜和酶解紫膜的质子泵效率有明显不同的影响 说明了C端在不同盐浓度中的构象对质子泵行为有很重要的作用。