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.     

N-溴代琥珀酰亚胺修饰菌紫质中色氨酸的光谱学研究

采用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱方法研究了菌紫质（Bacteriorhodopsin,bR）中的8个色氨酸（Tryptophan,Trp）残基在被N-溴代琥珀酰亚胺（N-bromosuccinimide,NBS）修饰过程中的残基数目及对应的光谱变化。研究结果显示：随着NBS／bR摩尔比例增加逐渐被修饰的Trp残基有4个左右,如果NBS过量,则Trp残基的修饰个数最终可迭6～7个;伴随化学修饰出现Trp残基特征荧光峰值下降及峰位蓝移。研究结果揭示了bR中Trp残基可能的三种结构分布,对于进一步弄清bR中Trp-视黄醛（Retinal）偶联能量传递、单独Trp残基的荧光寿命和Tm残基在膜蛋白结构和功能中的作用具有积极而重要的意义。     

温度对菌紫质结构转变的影响

测量了不同温度下菌紫质的紫外—可见及红外吸收光谱,比较天然与变性菌紫质的吸附等温线。证明菌紫质在80℃前的可逆结构转变表现为结晶晶格协同效应降低,部分芳香族氨基酸显露,蛋白质构象的微小变化使视黄醛微环境改变。100℃引起的结构改变为不可逆,此时菌紫质三、四级结构解体,分子链展开并重聚,二级结构也发生变化,出现β结构,同时还保留部出α-螺旋,视黄醛全部游离。并就菌紫质的高热稳定性能做了讨论。     

冷冻干燥对紫膜菌紫质圆二色性的影响

无论是先冷冻后干燥,还是先干燥后冷冻,或只冷冻处理,或只干燥处理的干湿紫膜样品,也无论是在处理后将其悬浮在水中,或在十六烷中,或在大豆磷脂正己烷液中,紫膜中的菌紫质分子均丧失了天然紫膜水悬浮液中的圆二色谱的双相性。然而,对于先冷冻后干燥,只干燥处理的紫膜水悬浮液,这种双相性可以缓慢地恢复。该现象提示,冷冻和/或干燥处理对紫膜菌紫质的圆二色性的影响,可能主要通过影响脂区间接实现的;用环三体激子理论难以圆满解释该现象。     

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。     

山莨菪碱对紫膜中菌紫质结构的影响及其与膜脂的关系

本文用吸收光谱和可见圆二色谱研究了不同浓度的山莨菪碱对紫膜中菌紫质结构的影响,并设计了用不同浓度的去垢剂Triton X-100作为脂环境的扰动剂,研究山莨菪碱对菌紫质的影响与膜脂关系的实验.结果表明山莨菪碱不仅影响菌紫质分子本身的构象变化而且扰动了菌紫质分子之间的激子偶联作用.通过吸收差光谱技术表明山莨菪碱对菌紫质结构的影响与膜脂密切相关并指出紫膜中菌紫质的三体结构对膜功能的贡献是不容忽视的.     

三种因素对紫膜（PM）薄膜中菌紫质（BR）光反应类型的影响

由中性和碱性ｐＨ成膜液形成的ＰＭ薄膜在不同ＲＨ时ＣＤ语及其不同波长预光照产生的ＤＣＤ谱的研究发现,不同波长预光照产生的ＤＣＤ谱,按照在７００－４６０ｎｍ间的特征可分为全正型、长正短负型和短正长负型三大类。无论成膜液的ｐＨ是中性还是碱性,也不管ＰＭ薄膜的ＲＨ如何,≤４２８ｎｍ的近紫外光照都产生全正型ＤＣＤ谱,而≥６０ｎｍ的光照都产生短正长负型ＤＣＤ谱,但是５０６ｎｍ－５９０ｎｍ间的光照产生的ＤＣＤ谱却不仅与成膜液的ｐＨ有关,而且也与ＰＭ薄膜的ＲＨ有关,成膜液ｐＨ为１０．０的ＰＭ薄膜在ＲＨ７５％时未见有长正短负型ＤＣＤ谱。在近紫外的Ｍ峰区第一、三类ＤＣＤ谱无正峰,而在第二类中为正峰。这些特征都是ＰＭ薄膜中不同结构状态的ＢＲ分子配分浓度分布变化的反映。结果认为,成膜液的ｐＨ、膜所处的ＲＨ和预光照的波长均对ＢＲ的光循环反应有调控作用。这些信息可用于ＢＲ的调控研究,对ＢＲ分子器件的研制开发有重要的参考价值。     

竹红菌乙素对菌紫质荧光的影响

用荧光光谱方法研究了竹红菌乙素与菌紫质的相互作用。通过竹红菌乙素对菌紫质吸收光谱,对菌紫质荧光猝死的浓度和温度的依赖性以及竹红菌乙素对明暗适应菌紫质的荧光猝灭等研究表明,竹红菌乙素是一种新型的荧光猝灭剂,它对菌紫质的荧光猝灭属于动态猝死过程。竹红菌乙素对明暗适应菌紫质荧光猝灭的差别,说明这种猝灭剂可用于生物膜体系的蛋白质构象变化的研究。     

紫膜上菌紫质(BR)分子间光协同作用研究

菌紫质（ＢＲ）光循环中Ｍ４１２产物受作用光强调制的现象完全可以用紫膜上ＢＲ三聚体内的光协同效应来解释。这种协同效应不仅与紫膜上ＢＲ呈三聚体的聚集状态有关,也与ＢＲ分子在紫膜上的晶型有序排列有关。紫膜在碱性介质中,加温至５０－６０℃时,三聚体仍然存在,但晶格结构已有破坏,此时也不存在协同效应。     

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。     

表面活性剂TritonX－100对菌紫质蛋白紫外荧光性质的影响

用荧光光谱方法研究了ＴｒｉｔｏｎＸ－１００（以下缩写为ＴＸ－１００）对菌紫质蛋白（Ｂａｃｔｅｒｉｏｒｈｏｄｏｐｓｉｎ,ＢＲ）及视黄醛生色团漂白后的紫膜（Ｂａｔｅｒｉｏｐｓｉｎ,ＢＯ）紫外荧光性质的影响．结果表明：表面活性剂ＴＸ－１００使ＢＲ中色氨酸在３２６ｎｍ处的荧光发射强度增加。随着ＴＸ－１００对ＢＲ的增溶,改变了生色团的构象环境,破坏了ＢＲ中色氨酸与生色团之间的能量转移。增溶后的ＢＲ中,Ｔｒｐ趋向于更疏水性的环境。     

生物素结合对紫膜结构和功能的影响

为了提高细菌视紫红质（ＢＲ）的可组装怀,使之使用于生物传感器等生物器件,利用生物素对紫膜进行修饰,使之可以被亲和素识别,从而可以定向的固定于固体支撑物表面。实验结果表明：生物素可以修饰紫膜表面的赖氨酸,修饰的程序依修饰的时间不同而有所不同,但即使被修饰２４小时的紫膜,其表面的赖氨酸仍然没有被完全修饰。同时,生物素的修饰不会影响紫膜的结构和功能,但是不同的结合位点对Ｍ４１２的衰减会产生不同的影响。这     

血卟啉衍生物（HPD）对紫膜菌紫质（bR）的光敏化作用

研究了血卟啉衍生物（ＨＰＤ）对嗜盐菌紫膜上蛋白质菌紫质（ｂＲ）的光敏化作用,结果表明,ＨＰＤ与紫膜结合并不影响ｂＲ的光学性质及活性;但经光照射、ＨＰＤ光敏反应后,ｂＲ丧失光循环活性。进一步的探测显示ｂＲ中的视黄醛色素团及色氨酸均在光敏反应中受损,反映了除视黄醛色素团有可能直接受损外,深埋于折叠蛋白内部的部分色氨酸残基。亦可能在ＨＰＤ光敏化过程中被损伤。实验证明,单线态氧（＾１Ｏ２）的作用是ＨＰＤ光     

水在菌紫质光循环和质子泵中的作用

用圆二色仪和闪光动力学先谱仪分别测量了空气干燥紫膜薄层的圆二色谱及紫膜LB膜的M_(412)的衰减过程.在于燥紫膜的圆二色谱上出现412nm的正峰,它是光循环中间体M_(412)的特征峰.在无水介质中,紫膜LB膜中的BR仍能进行先化学循环而检测到中间体M_(412),但M_(412)的衰减速度减慢,产生M_(412)的堆积,质子化过程受阻.在有水的介质中,只要有足够的H~+存在,紫膜LB膜中的BR的中间体M_(412)的衰减速度明显加快.说明水介质的H~+是完成正常光化学循和质子化过程必不可少的.     

菌紫质分子的重组对结构及运动的影响

本实验用闪光诱导的瞬间二向色性方法分别测量了用全反视黄醛重组以及用四溴荧光素标记的菌紫质分子在脂质囊泡膜中的旋转扩散运动以及吸收过程随时间的变化(寿命).用全反视黄醛重组后不影响菌紫质分子在膜中的旋转扩散运动,它们与蜂毒的相互作用也无明显差别.用四溴荧光素标记的菌紫质分子的寿命很短,不可能用于测量菌紫质分子在膜中的旋转运动.     

Triton X－100对紫膜蛋白的效应

本文采用同步辐射小角Ｘ射线散射方法研究了用非离子表面活性剂ＴｒｉｔｏｎＸ—１００处理后的嗜盐菌紫膜及其视紫红质蛋白结构的变化。实验结果表明,用不同浓度的ＴｒｉｔｏｎＸ—１００处理紫膜碎片时,紫膜及其蛋白所处的状态有着很大变化。     

脂质泡中的菌紫质旋转运动的介质依赖性

用闪光诱导瞬间二向色性方法测量了蔗糖和甘油对菌紫质（ＢＲ）分子在脂质泡中的旋转扩散运动的影响。结果表明脂质囊泡本身在悬浮液中的运动并不会影响ＢＲ分子在膜中的旋转运动的测量。蔗糖和甘油对ＢＲ旋转运动的影响在相变温度以上和相变温度以下是不同的,相变温度以下的主要作用是相分离,使运动减慢,相变温度以上的作用可能是脂的分散,使运动加快。     

温度对脂质囊泡中单体菌紫质分子结构和光电响应的影响

本实验用人工双分子平板膜系统(BLM)测量了紫膜碎片和在DMPC脂质襄泡膜中的单体菌紫质分子的光电响应以及与温度的关系(处理温度17℃至31℃).温度对紫膜碎片的光电响应影响不大,但对单体菌紫质分子的光电响应有明显影响.用园二色(CD)方法相应地观察了温度对紫膜碎片和单体菌紫质分子在可见波长范围内的CD谱的影响 同样观察到温度对单体菌紫质分子的CD谱有明显影响.两者的影响很可能与脂质襄泡中DMPC的相变温度有关.     

THE EFFECT OF CALCIUM WITHDRAWAL ON THE STRUCTURE AND FUNCTION OF THE TOAD BLADDER

Previous reports have indicated that calcium is necessary to support active sodium transport by the toad bladder, and may be required as well in the action of vasopressin on both toad bladder and frog skin. The structure and function of the toad bladder has been studied in the absence of calcium, and a reinterpretation of the previous findings now appears possible. When calcium is withdrawn from the bathing medium, epithelial cells detach from one another and eventually from their supporting tissue. The short-circuit current (the conventional means of determining active sodium transport) falls to zero, and vasopressin fails to exert its usual effect on short-circuit current and water permeability. However, employing an indirect method for the estimation of sodium transport (oxygen consumption), it is possible to show that vasopressin exerts its usual effect on Q_oo2 when sodium is present in the bathing medium. Hence, it appears that the epithelial cells maintain active sodium transport when calcium is rigorously excluded from the bathing medium, and continue to respond to vasopressin. The failure of conventional techniques to show this can be attributed to the structural alterations in the epithelial layer in the absence of calcium. These findings may provide a model for the physiologic action of calcium in epithelia such as the renal tubule.