亮氨酸94在光驱质子泵古紫质-4中的功能

刘冬雪, 赵 欣

(华东师范大学物理与电子科学学院上海市磁共振重点实验室, 上海 200241)

微生物视紫红质是一类由一分子视蛋白(opsin)和一分子配体视黄醛(retinal, Ret)共同组成的7次跨膜α-螺旋光敏受体蛋白,分布广泛,功能多样[1-3]。其中,古紫质-4(archearhodopsin-4,aR4)是存在于嗜盐菌HalobacteriumspeciesXZ515中的光敏受体蛋白,与模式蛋白细菌视紫红质(bacteriorhodopsin, bR)类似,均是光驱质子泵,并呈三聚结构[4-7]。bR中配体视黄醛与视蛋白螺旋G上的K216共价结合形成希夫碱(schiff base, SB),在暗适应态时以all-trans和13-cis两种构型混合存在,光适应态时基本转化为all-trans。bR受光激发后视黄醛由all-trans异构为13-cis,之后经历一系列光中间态(I-J-K-L-M-N-O)并将一个质子从胞内传递到胞外侧[8-11]。aR4和bR之间主要有两个差异,一是aR4除含有视黄醛外含有第二发色团菌红素(bacterioruberin),菌红素镶嵌在每两个单体形成的缝隙内,通过疏水作用力与视蛋白相结合,维持蛋白的三聚结构和功能[12-14];二是中性条件下质子传输时序相反,aR4是先从胞内侧吸收质子,再向胞外侧释放质子,而bR是先释放再吸收[5,15-16]。

视紫红质蛋白中发色团视黄醛的吸收特性会受到其与视蛋白的相互作用影响,关键残基的突变会导致吸收特征发生改变[17-20]。在bR中亮氨酸93 (Leu93, L93)位于螺旋C的胞质侧,是视黄醛键合区的关键残基之一[21]。L93与视黄醛的C13甲基距离约0.36 nm,研究表明L93通过空间位阻效应调控视黄醛构型,将L93突变为A后视黄醛最大吸收波长蓝移至540 nm左右,暗适应态下13-cis与all-trans视黄醛比例由1∶1变为1∶4[22-23]。L93与视黄醛间的相互作用还会造成光循环中间态动力学的改变。L93突变为A后……