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视黄醛膜蛋白的质子泵功能及其光响应器件材料的研究

吴佳  
【摘要】: 细菌视紫红质(BR)和古紫质4(AR4)是科学家们在盐湖中生长的嗜盐菌细胞膜上发现的奇特蛋白质。这类分子结构中带有视黄醛色素团的蛋白质具有光化学循环和跨膜质子定向传递功能的独特性质引起了许多科学工作者的兴趣,并基于其特性提出了“蛋白质计算机”的设想。在过去的三十多年里,对于这个蛋白质的研究和探索从来没有间断过,使其成为被研究最多的蛋白质之一。 对于视黄醛膜蛋白的研究可分为两个主要方向:一个是结构和机理的基础研究,一个是其独特的功能的应用开发研究。视黄醛膜蛋白分子是世界上最小的能量转换器,其经过千百万年进化而成的精密结构与其独特功能之间的关联机理吸引着很多研究者投入其中。而这类蛋白质独到的优于现有无机有机光致折变和光致变色材料的功能,相比于大部分活性蛋白质高度稳定的结构使其在光电和光色方面具有应用潜力。 本人博士课题的研究对象就是具有的细菌视紫红质(BR)和古紫质4(AR4)及其相关突变体,主要研究了这些视黄醛膜蛋白的质子泵动力学和热力学问题以及BR和AR4在脂质体上自组装的取向行为。初步探讨了应用于图像探测和光信息接受等领域的模型器件的材料制备技术。本课题涉及到了高分子材料科学、生命科学以及信息科学等不同领域,各种知识学科的交叉为研究方向带来了全新的视角和方法,也带来了新的技术难题。 本论文的主要创造性工作为: 1.建立了利用瞬态光照产生的光电信号的pH敏感性探测视黄醛蛋白质的质子释放基团(PRC)在受激状态下的pK_a的光电法测量手段。通过质子泵与光循环关联的简化模型,首次推导了用以描述视黄醛蛋白质(包括BR,AR4和突变体D96N)在光照激发后质子释放和提取导致的质子流的动力学方程。建立了一个全新的光电法来检测视黄醛蛋白质光照激发后质子泵功能导致的质子浓度变化,并用此方法结合上述动力学方程得到了研究质子泵机理重要的参数。通过这些参数在不同pH条件下的变化情况,得以准确的测定视黄醛蛋白质质子释放基团(PRC)在激发状态下的pK_a。与传统的染料法相比,光电法最大的优势在于可以检测复杂条件下特别是可以在缓冲体系中测到信号,用此方法发现了一些缓冲分子以及冠醚的存在会降低视黄醛蛋白质激发状态PRC的pK_a。描述质子泵质子流的理论公式的推导以及高效检测质子流信号的光电法的建立组成了一个完整的研究视黄醛蛋白质质子泵机理的平台和工具,不论是对已有蛋白质的功能进一步深入研究还是对突变体蛋白质未知功能的检测对比都是重要和有效的手段,是质子泵机理研究的有力工具。 2.发展了基于视黄醛蛋白质的光电器件和光色器件的新的材料制备方法。(1)首次制备了各个像素分离的视黄醛蛋白质的光电响应微阵列。通过结合基因工程定点突变、光刻技术、电沉积技术和化学偶联技术制备了一种新型的具有光信息接受功能的微米级蛋白质功能芯片,且具有高稳定性、单点单控的特点,可以应用于图像探测和光信息接受等领域,为视黄醛蛋白质在光电应用领域的进一步发展提供了硬件上的解决方案。(2)提出了新型的可用于光色信息存储的视黄醛蛋白质膜材的制备方法以及材料的进一步封装方法,改进了材料的光学性能和稳定性,也为材料的器件标准化提出了可行的方案。 3.探讨了作为一种膜蛋白的视黄醛蛋白质的自组装行为。将蛋白质定向自组装与磷脂脂质体中,发现AR4自组装进脂质体的行为与BR具有相同的特点;并初步考察了PEG化对蛋白质性质和自组装取向的影响。


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