光合膜蛋白电学性质的静电力显微镜研究

【摘要】：嗜盐杆菌紫膜是一种具有质子泵功能的光合膜蛋白,在成分上由细菌视紫红质蛋白三聚体和磷脂分子组成,在自然环境下组成六角点阵结构的二维晶体膜[1]。细菌视紫红质蛋白能吸收光子能量,吸收的光能将促使蛋白质结构构象的变化,同时将质子从紫膜的细胞质面(CP)泵向细胞外面(EC),以供三磷酸腺苷(ATP)酶的合成[2][3]。嗜盐杆菌紫膜因其规整的晶体结构和稳定的质子泵功能成为研究膜蛋白结构和功能机理的经典模型。目前国内外研究嗜盐杆菌紫膜结构和功能的手段有冷冻透射电镜(CryoTEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线晶体衍射(XRD)等手段,但在纳米尺度上研究紫膜蛋白的电学性质仍存在实验困难。AFM具有高空间分辨本领,而静电力显微镜(EFM)可以在纳米尺度进行结构和电学性质的同步研究,所以本文采用AFM和EFM同时进行了紫膜蛋白的结构和电学性质研究,高分辨液相AFM结果显示紫膜在CP面和EC面的结构上具有非对称性,CP面呈圆环状单体组成的六角点阵结构,EC面呈点状单体组成的六角点阵结构;EFM相位图结果表明CP面表面电势大于EC面(约10mV)而显示较大的正电性,同时我们用锁相放大器跟踪导电针尖的振荡频率的二倍频所对应的介电性质,结果显示紫膜蛋白两面介电性质上具有对称性。由于CP面天冬氨酸的负电荷被附近残基侧链上更多的正电荷包围[4],实验结果所显示的CP面较大的正电性可能加速质子在CP面水平方向的流动,并在垂直方向有助于质子被泵向EC面。本工作建立了系统研究生物膜结构和功能的方法,并为研究和解释生物膜发生在纳米尺度的生物电效应提供了帮助。