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1、细菌视紫红质多重突变体结构变化及其中间态的寿命Vo1.282007年12月高等学校化学CHEMICA1JOURNALOFCHINESEUNIVERSITIESNo.122321～2326细菌视紫红质多重突变体结构变化及其中间态的寿命金卫华,曹军卫,王友亮,熊贵光,姚保利,雷铭(1.武汉大学生命科学学院,2.物理科学与技术学院,武汉430072;3.中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学技术国家重点实验室,西安710086)摘要采用基因定点突变的方法,构建了细菌视紫红质(Bacteriorhodopsin,BR)的3种突变体蛋白,即单突变体BR.Q,三突变
2、体BR..和四突变体BR.,s/Q.测定了突变体和野生型BR在水溶液和聚乙烯醇(PVA)膜中的紫外一可见吸收光谱和拉曼光谱,采用显微视频录像技术记录了PVA膜中野生型和3个突变体样品的M态寿命.与野生型BR相比较,在水溶液中,单突变体的可见吸收光谱的最大吸收峰发生了轻微红移,三突变体和四突变体的最大吸收峰则分别发生了11.0和12.0nm的明显蓝移.在PVA膜中,3个突变体BR的可见吸收光谱的最大吸收峰均发生蓝移,四突变体BR的最大吸收峰为557nm,蓝移达15.0nm.四突变体BR在水溶液中的共振拉曼光谱不仅表现有与M态特征相关的1567和1573cm谱
3、带,还有L态特征带1334cm.'及N态特征带1200,1328,1530和1549cm～.在PVA膜中的样品与在水溶液中的比较,四突变体共振拉曼光谱的1334和1549cm带肖失,同时1187cm带的强度下降.显微视频录像技术记录的PVA膜中样品的M态寿命表明,野生型BR的M态寿命最短,单突变体的M态寿命小于1.0S,三突变体的寿命为3.0S,四突变体的寿命为2.0S.关键词细菌视紫红质;突变体;共振拉曼光谱;聚乙烯醇中图分类号062;Q632文献标识码A文章编号0251—0790(2007)12—2321-06细菌视紫红质(bacteriorhodop
4、sin,BR)是盐沼盐杆菌(Halobactriumsalinarium)产生的一种细胞膜蛋白,由248个氨基酸残基和一个生色团视黄醛分子组成,其肽链组成7个跨膜的螺旋(A,B,C,D,E,F和G)和分布于质膜两侧的环状结构,视黄醛分子通过Schiff碱基与BR蛋白的第216位Lys的s氨基共价结合.BR吸收光能后,将质子泵出细胞外,形成膜内外的质子梯度,从而把光能转化为化学能.同时,BR在经过一系列中间态K.一L.一M.一N.一O斛.后,重新回到基态BR,.,发色团则经历了从全反式一13.顺式一全反式的构型变化¨.此外,也可以从O斛.态进入分支光循环,经
5、过P..一Q态返回到基态BR57n.近年来,BR的分支光循环过程受到了广泛的关注.在室温下无蓝光的环境中,Q态非常稳定,存储在Q态的资料可保存数年J,所以,利用BR的分支光循环于立体信息存储中,具有无可比拟的优势.但是,将BR的分支光循环特性应用于3D信息的存储中,还存在一些问题,如希望O态有短的形成时间和长的衰退时间;在O—P态转变过程中具有较高的量子效率,高的P—Q态转化效率及长的Q态寿命等.因此需要从分子水平上对BR的结构进行改造,如基因的定点突变等,以期改进其功能.在BR的质子通道内分布着多个重要的氨基酸残基,其中E194在D螺旋上,因为将它突变为
6、非羧基性氨基酸残基后,减慢了质子的释放,所以认为它是一个非常重要的质子释放基团.有研究表明,质子从D85传递给E194,是发生在光循环中间体O斛.态向基态BR转变的过程中,而E194列D85的pK.值有很大影响;相比之下,和E194处于同一位置的E204(同为质子释放基团)对D85的作用却很弱,所以E194对BR的分支光循环中质子的传递和中间态寿命是极其重要的.此外,还有研究证明收稿日期:2007-01—26.基金项目:国家自然科学基金(批准号:60677038)资助.联系人简介:曹军卫,女,副教授,主要从事极端环境微生物的基础和应用研究2322高等学校化
7、学Vol_28BR单突变体E194Q比野生型BR(WT—BR)具有更高的O态寿命和量子效率.Wise等采用半随机诱变的方法得到BR三突变体I119T/T121S/A126T,其Q值比其它突变体最高的Q值还高50%.由于分支光循环中间态寿命极短,难以测量;而M态寿命较长,并且M态可以直接回到基态,也可以经N和O态后进入分支光循环,所以M态特征的改变必然会影响分支光循环各中间态的寿命.因此M态的寿命可以作为分支光循环的一个参考指标.基于以上考虑,为了得到性能更适合于作为3D存储器材料的BR蛋白,本研究通过基因的定点突变,构建了BR的3个突变体:单突变体(BRⅢ
8、.),三突变体(BRⅢm)和四突变体(BR…Ⅲ.),测定并分析比较
