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据。

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(Tryptophan 86,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。

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的光循环动力学和质子泵功能。