視黃醛膜蛋白的質(zhì)子泵功能及其光響應(yīng)器件材料的研究.pdf

1、細(xì)菌視紫紅質(zhì)(BR)和古紫質(zhì)4(AR4)是科學(xué)家們在鹽湖中生長的嗜鹽菌細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)的奇特蛋白質(zhì)。這類分子結(jié)構(gòu)中帶有視黃醛色素團(tuán)的蛋白質(zhì)具有光化學(xué)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(xué)工作者的興趣,并基于其特性提出了“蛋白質(zhì)計算機(jī)”的設(shè)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(jié)構(gòu)和機(jī)理的基礎(chǔ)研究,一個是其獨

2、特的功能的應(yīng)用開發(fā)研究。視黃醛膜蛋白分子是世界上最小的能量轉(zhuǎn)換器,其經(jīng)過千百萬年進(jìn)化而成的精密結(jié)構(gòu)與其獨特功能之間的關(guān)聯(lián)機(jī)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(jī)有機(jī)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(jié)構(gòu)使其在光電和光色方面具有應(yīng)用潛力。
　　 本人博士課題的研究對象就是具有的細(xì)菌視紫紅質(zhì)(BR)和古紫質(zhì)4(AR4)及其相關(guān)突變體,主要研究了這些視黃醛膜蛋白的質(zhì)子泵動力學(xué)和熱力學(xué)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(yīng)用于圖像探測和光信息接受等領(lǐng)域的模型器件的材料制備技術(shù)。本課題涉及到了高分子材料科學(xué)、生命科學(xué)以及信息科學(xué)等不同領(lǐng)域,各種知識學(xué)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(shù)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(tuán)(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(guān)聯(lián)的簡化模型,首次推導(dǎo)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(dǎo)致的質(zhì)子流的動力學(xué)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(dǎo)致的質(zhì)子濃度變化,并用此方法結(jié)合上述動力學(xué)方程得到了研究質(zhì)子泵機(jī)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(zhǔn)確的測定視黃醛蛋白質(zhì)質(zhì)子釋放基團(tuán)(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(fù)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(dǎo)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(jī)理的平臺和工具,不論是對已有蛋白質(zhì)的功能進(jìn)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(jī)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(yīng)微陣列。通過結(jié)合基因工程定點突變、光刻技術(shù)、電沉積技術(shù)和化學(xué)偶聯(lián)技術(shù)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(yīng)用于圖像探測和光信息接受等領(lǐng)域,為視黃醛蛋白質(zhì)在光電應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)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(jìn)一步封裝方法,改進(jìn)了材料的光學(xué)性能和