視黃醛膜蛋白的質(zhì)子泵功能及其光響應器件材料的研究.pdf

1、細菌視紫紅質(zhì)(BR)和古紫質(zhì)4(AR4)是科學家們在鹽湖中生長的嗜鹽菌細胞膜上發(fā)現(xiàn)的奇特蛋白質(zhì)。這類分子結構中帶有視黃醛色素團的蛋白質(zhì)具有光化學循環(huán)和跨膜質(zhì)子定向傳遞功能的獨特性質(zhì)引起了許多科學工作者的興趣,并基于其特性提出了“蛋白質(zhì)計算機”的設想。在過去的三十多年里,對于這個蛋白質(zhì)的研究和探索從來沒有間斷過,使其成為被研究最多的蛋白質(zhì)之一。
　　 對于視黃醛膜蛋白的研究可分為兩個主要方向:一個是結構和機理的基礎研究,一個是其獨

2、特的功能的應用開發(fā)研究。視黃醛膜蛋白分子是世界上最小的能量轉換器,其經(jīng)過千百萬年進化而成的精密結構與其獨特功能之間的關聯(lián)機理吸引著很多研究者投入其中。而這類蛋白質(zhì)獨到的優(yōu)于現(xiàn)有無機有機光致折變和光致變色材料的功能,相比于大部分活性蛋白質(zhì)高度穩(wěn)定的結構使其在光電和光色方面具有應用潛力。
　　 本人博士課題的研究對象就是具有的細菌視紫紅質(zhì)(BR)和古紫質(zhì)4(AR4)及其相關突變體,主要研究了這些視黃醛膜蛋白的質(zhì)子泵動力學和熱力學問題

3、以及BR和AR4在脂質(zhì)體上自組裝的取向行為。初步探討了應用于圖像探測和光信息接受等領域的模型器件的材料制備技術。本課題涉及到了高分子材料科學、生命科學以及信息科學等不同領域,各種知識學科的交叉為研究方向帶來了全新的視角和方法,也帶來了新的技術難題。
　　 本論文的主要創(chuàng)造性工作為:
　　 1.建立了利用瞬態(tài)光照產(chǎn)生的光電信號的pn敏感性探測視黃醛蛋白質(zhì)的質(zhì)子釋放基團(PRC)在受激狀態(tài)下的pKa的光電法測量手段。通過質(zhì)子

4、泵與光循環(huán)關聯(lián)的簡化模型,首次推導了用以描述視黃醛蛋白質(zhì)(包括BR,AR4和突變體D96N)在光照激發(fā)后質(zhì)子釋放和提取導致的質(zhì)子流的動力學方程。建立了一個全新的光電法來檢測視黃醛蛋白質(zhì)光照激發(fā)后質(zhì)子泵功能導致的質(zhì)子濃度變化,并用此方法結合上述動力學方程得到了研究質(zhì)子泵機理重要的參數(shù)。通過這些參數(shù)在不同pH條件下的變化情況,得以準確的測定視黃醛蛋白質(zhì)質(zhì)子釋放基團(PRC)在激發(fā)狀態(tài)下的pKa。與傳統(tǒng)的染料法相比,光電法最大的優(yōu)勢在于可以檢

5、測復雜條件下特別是可以在緩沖體系中測到信號,用此方法發(fā)現(xiàn)了一些緩沖分子以及冠醚的存在會降低視黃醛蛋白質(zhì)激發(fā)狀態(tài)PRC的pKa。描述質(zhì)子泵質(zhì)子流的理論公式的推導以及高效檢測質(zhì)子流信號的光電法的建立組成了一個完整的研究視黃醛蛋白質(zhì)質(zhì)子泵機理的平臺和工具,不論是對已有蛋白質(zhì)的功能進一步深入研究還是對突變體蛋白質(zhì)未知功能的檢測對比都是重要和有效的手段,是質(zhì)子泵機理研究的有力工具。
　　 2.發(fā)展了基于視黃醛蛋白質(zhì)的光電器件和光色器件的新

6、的材料制備方法。(1)首次制備了各個像素分離的視黃醛蛋白質(zhì)的光電響應微陣列。通過結合基因工程定點突變、光刻技術、電沉積技術和化學偶聯(lián)技術制備了一種新型的具有光信息接受功能的微米級蛋白質(zhì)功能芯片,且具有高穩(wěn)定性、單點單控的特點,可以應用于圖像探測和光信息接受等領域,為視黃醛蛋白質(zhì)在光電應用領域的進一步發(fā)展提供了硬件上的解決方案。(2)提出了新型的可用于光色信息存儲的視黃醛蛋白質(zhì)膜材的制備方法以及材料的進一步封裝方法,改進了材料的光學性能和