类胡萝卜素发色团对光驱质子泵aR4关键残基F146功能的影响

古紫质-4(archaerhodopsin-4,aR4)是一种类似于细菌视紫红质(bacterirhodopsin,bR)的光驱质子泵蛋白,同样具有三聚结构。其差异性在于,每个单体除了由一分子视蛋白和一分子视黄醛发色团共价结合而成外,单体间还镶嵌有一个类胡萝卜素发色团菌红素(bacterioruberin),同时二者具有不同的质子传输时序。苯丙氨酸-146(phenylalanine-146,F146)和甲硫氨酸-145(methionine-145,M145)是aR4和bR视黄醛键合区处在相同位置且唯一不同的关键残基。已有研究结果表明,bR的M145F突变可影响其暗适应态下视黄醛的顺反异构平衡,而且对其光循环有着重要的影响。然而,F146在aR4中的作用尚不清楚,特别是菌红素对质子泵视黄醛键合区关键残基的作用是否存在调控尚未见报道。为此,本研究采用定点突变技术、原位紫外-可见光吸收光谱、闪光动力学光谱、酸碱滴定和固体核磁共振等技术手段,对比分析F146M和M145F单点突变对aR4和bR视黄醛键合区和光循环影响的共性和差异性。研究结果表明,F146和M145在aR4和bR中均起到维持视黄醛顺反异构平衡的作用,突变可造成键合区装配紧密程度和胞外侧氢键网络的改变,从而参与调控质子释放至胞外的过程。此外,本研究发现菌红素不仅具有稳定aR4三聚结构的作用,更重要的是对键合区关键残基F146存在调控作用,菌红素的缺失可造成F146作用的弱化。