细菌视紫红质研究的新进展

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1、细菌视紫红质研究的新进展生袖袖理第十七卷第三期 ACTABIOPHYSlCASlNICA 二oo一年九月 Vo1.17’No.3Sept.2001 细菌视紫红质研究的新进展 陈德亮,胡坤生 (中国科学院生物物理研究所.北京1043101) 摘垂:细菌视紫红质(bR)自六十年代束发现采,一直是膜蛋白领域研究的热.董之一.bR不 位在基础理论研究方向有着深远的意jL,而且也有着广泛的应用前景.对bR的姑构,质子泵功能, 折叠机制等研究前语进行概迷 美蕾词:钿茵视紫红质(bR);结构;质子泵;水舟干:折

2、叠 中期分类号:Q632文献标识码:A文章编号:1000—6737(2001)03—0441—08 细菌视紫红质(bR)是自然界一种较小的膜蛋白,由248个氨基酸组成.分子量约为 26kD,第216位的赣氨酸通过希夫碱基和生色团视黄醛分子相连,并以7个a螺旋的基本二 级结构跨膜定位于嗜盐菌的质膜上l.天然状态下,每3个bR单体组成三聚体,构成六角形 二维晶格的膜片层一紫膜(PM).bR的功能是吸收光能,将质子由细胞膜内泵到细胞膜外, 产生电化学势能,从而提供生命活动所需的能量. 自从bR被发现以来

3、,已有5000多篇的相关文章在国际知名刊物上发表.(Nature)和 (Science)几乎每年都有不少bR的研究综述和突破性进展的论文发表.BR之所以吸引了世 界上如此多的科学家的关注,是因为:bR是一个简单的膜蛋白,可以为研究细胞膜受体蛋白 (G蛋白偶联的7个a螺旋跨膜受体蛋白家族)提供模型.也有助于阐明药物与人体细胞靶受 体以及信号传导途径中的受体与信号的相互作用机制0;同时bR又是细胞膜上离子通道的 原型蛋白,其跨膜转运质子的机制可以为其它的离子通道蛋白的结构功能的研究起到指导性 作用…;

4、最后.bR的光电响应和光致变色特性使其在太阳能电池,人工视网膜,光信息存储,神 经网络,生物芯片等应用领域有着广阔的前景0.随着生物化学,生物物理以及结构生物学 等学科的前沿技术的应用,目前bR已成为研究得最热和最透彻的膜蛋白之一.本文仅简单介 绍在该领域近几年来的主要研究进展和展望. 1细菌视紫红质的结构研究进展 bR由248个氨基酸组成,其基本结构是垂直于细胞膜表面的A,B,C,D,E,F,G的7个a 螺旋,C端在细胞膜内侧,N端在细胞膜外侧’.x射线衍射晶体学和电子晶体学一直是研究 bR结构

5、的主要技术,bR结构的解析为bR各分支领域研究提供了动力并莫定了基础. 1975年.Hende~on实验室应用电子显微镜,图象重构和x射线分析技术,首次解析得到 牧稿日期{2(101—02—19 基盒项目}中科皖”九五重大项目和国亲自彝!;科学基金重点项目赍助 作者筒介:陈德尧,在读研究生,电话:64888579.E—mail:huks1401@sun5.[bp.ac.cn 示了bR的表面结构 信息”.在3A地分辨率下,连接7个a螺旋的区域呈现明显的反平行B折叠,B转角和伸出膜 外的a螺旋的长链部

6、分,同时得到了质子通道内部以及bR表面的电荷数量和分布的情况,如 图1所示.同年,EvaPebay—Peyroula及其合作者利用X射线晶体衍射技术,得到了更高 分辨率(2.5A)的结构信息[13I,并首次给出了在质子通道内部的水分子的位置. d Fig.1Chargedistributioninbacte0rhod0psinachargedistributionoD thecytoplasmicsideofthemembranebchargedistributionontheex tracell

7、ularsideofthemembrane.csolidsurfaceviewofthecytoplasmic sideofbR.dsolidsurfaceviewoftheextracellularsideofbR[I 1998年,Luecke和Lanyi解析得到2.3A的晶体结构”“,并结合水分子,质子通道中的氨 基酸倒链集团以及生色团视黄醛提出了全新的质子传递模型. 1999年,Luecke小组进一步通过基因突变(D96N)得到M态的bR中间体,在2A分辨率 下观察到,在光异构化过程中,水分

8、子和残基倒链所组成的三维氢键网络的重新排列和视黄醛 希夫碱基附近的侧链的取代”.而1.553,的晶体结构很快又被该实验d,ftt~析I,他们发现 在216位赖氨酸附近,跨膜螺旋G的中部有一突起结构;在视黄醛希夫碱和质子受体天冬 氨酸85于膜表面之间,存在着由7个水分子和蛋白残基所组成的广泛的三维氢键网络.他们 第3期细菌视紫红质研究的新进展443 总结了前人的结构模型,认为水分子和bR的结构功 能有着广泛的联系. 2细菌视紫红质的质子泵功能及及其 与水分子,氢键网络的联系 细菌视