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1、細菌視紫紅質多重突變體結構變化及其中間態(tài)的壽命Vo1.282007年12月高等學校化學CHEMICA1JOURNALOFCHINESEUNIVERSITIESNo.122321～2326細菌視紫紅質多重突變體結構變化及其中間態(tài)的壽命金衛(wèi)華,曹軍衛(wèi),王友亮,熊貴光,姚保利,雷銘(1.武漢大學生命科學學院,2.物理科學與技術學院,武漢430072;3.中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態(tài)光學技術國家重點實驗室,西安710086)摘要采用基因定點突變的方法,構建了細菌視紫紅質(Bacteriorhodopsin,BR)的3種突變體蛋白,即單突變體BR.Q,三突變
2、體BR..和四突變體BR.,s/Q.測定了突變體和野生型BR在水溶液和聚乙烯醇(PVA)膜中的紫外一可見吸收光譜和拉曼光譜,采用顯微視頻錄像技術記錄了PVA膜中野生型和3個突變體樣品的M態(tài)壽命.與野生型BR相比較,在水溶液中,單突變體的可見吸收光譜的最大吸收峰發(fā)生了輕微紅移,三突變體和四突變體的最大吸收峰則分別發(fā)生了11.0和12.0nm的明顯藍移.在PVA膜中,3個突變體BR的可見吸收光譜的最大吸收峰均發(fā)生藍移,四突變體BR的最大吸收峰為557nm,藍移達15.0nm.四突變體BR在水溶液中的共振拉曼光譜不僅表現有與M態(tài)特征相關的1567和1573cm譜
3、帶,還有L態(tài)特征帶1334cm.'及N態(tài)特征帶1200,1328,1530和1549cm～.在PVA膜中的樣品與在水溶液中的比較,四突變體共振拉曼光譜的1334和1549cm帶肖失,同時1187cm帶的強度下降.顯微視頻錄像技術記錄的PVA膜中樣品的M態(tài)壽命表明,野生型BR的M態(tài)壽命最短,單突變體的M態(tài)壽命小于1.0S,三突變體的壽命為3.0S,四突變體的壽命為2.0S.關鍵詞細菌視紫紅質;突變體;共振拉曼光譜;聚乙烯醇中圖分類號062;Q632文獻標識碼A文章編號0251—0790(2007)12—2321-06細菌視紫紅質(bacteriorhodop
4、sin,BR)是鹽沼鹽桿菌(Halobactriumsalinarium)產生的一種細胞膜蛋白,由248個氨基酸殘基和一個生色團視黃醛分子組成,其肽鏈組成7個跨膜的螺旋(A,B,C,D,E,F和G)和分布于質膜兩側的環(huán)狀結構,視黃醛分子通過Schiff堿基與BR蛋白的第216位Lys的s氨基共價結合.BR吸收光能后,將質子泵出細胞外,形成膜內外的質子梯度,從而把光能轉化為化學能.同時,BR在經過一系列中間態(tài)K.一L.一M.一N.一O斛.后,重新回到基態(tài)BR,.,發(fā)色團則經歷了從全反式一13.順式一全反式的構型變化¨.此外,也可以從O斛.態(tài)進入分支光循環(huán),經
5、過P..一Q態(tài)返回到基態(tài)BR57n.近年來,BR的分支光循環(huán)過程受到了廣泛的關注.在室溫下無藍光的環(huán)境中,Q態(tài)非常穩(wěn)定,存儲在Q態(tài)的資料可保存數年J,所以,利用BR的分支光循環(huán)于立體信息存儲中,具有無可比擬的優(yōu)勢.但是,將BR的分支光循環(huán)特性應用于3D信息的存儲中,還存在一些問題,如希望O態(tài)有短的形成時間和長的衰退時間;在O—P態(tài)轉變過程中具有較高的量子效率,高的P—Q態(tài)轉化效率及長的Q態(tài)壽命等.因此需要從分子水平上對BR的結構進行改造,如基因的定點突變等,以期改進其功能.在BR的質子通道內分布著多個重要的氨基酸殘基,其中E194在D螺旋上,因為將它突變?yōu)?/p>
6、非羧基性氨基酸殘基后,減慢了質子的釋放,所以認為它是一個非常重要的質子釋放基團.有研究表明,質子從D85傳遞給E194,是發(fā)生在光循環(huán)中間體O斛.態(tài)向基態(tài)BR轉變的過程中,而E194列D85的pK.值有很大影響;相比之下,和E194處于同一位置的E204(同為質子釋放基團)對D85的作用卻很弱,所以E194對BR的分支光循環(huán)中質子的傳遞和中間態(tài)壽命是極其重要的.此外,還有研究證明收稿日期:2007-01—26.基金項目:國家自然科學基金(批準號:60677038)資助.聯(lián)系人簡介:曹軍衛(wèi),女,副教授,主要從事極端環(huán)境微生物的基礎和應用研究2322高等學校化
7、學Vol_28BR單突變體E194Q比野生型BR(WT—BR)具有更高的O態(tài)壽命和量子效率.Wise等采用半隨機誘變的方法得到BR三突變體I119T/T121S/A126T,其Q值比其它突變體最高的Q值還高50%.由于分支光循環(huán)中間態(tài)壽命極短,難以測量;而M態(tài)壽命較長,并且M態(tài)可以直接回到基態(tài),也可以經N和O態(tài)后進入分支光循環(huán),所以M態(tài)特征的改變必然會影響分支光循環(huán)各中間態(tài)的壽命.因此M態(tài)的壽命可以作為分支光循環(huán)的一個參考指標.基于以上考慮,為了得到性能更適合于作為3D存儲器材料的BR蛋白,本研究通過基因的定點突變,構建了BR的3個突變體:單突變體(BRⅢ
8、.),三突變體(BRⅢm)和四突變體(BR…Ⅲ.),測定并分析比較
