嗜盐性细菌紫膜的作用原理和应用前景

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嗜盐性细菌紫膜的作用原理和应用前景
一,紫膜的定义及工作原理
紫膜purple membrane 为盐生盐杆菌(Halobacterium halobium)和红皮盐杆菌(H.cutirubrum)等嗜盐性细菌在厌氧条件下和明亮处生长时于细胞膜上形成的斑状紫色膜。

紫膜在嗜盐菌原生质膜上以碎片形式存在,直径大约为0.5微米,厚度5纳米(相当于10的负9次方米),它与原生质膜上其余部分红膜共面。

碎片中的唯一蛋白质细菌视紫红质以三体形式二维六角形晶格排列在天然紫膜中,蛋白占紫膜干重的75%,其余25%为类脂。

在厌氧光照条件下培养嗜盐菌时,产生一种菌视紫素嵌入细胞质膜中,成为紫膜,使菌体呈现红紫色。

紫膜的膜片约占全膜的50%,由25%的脂类和75%的蛋白质组成。

这种蛋白质与动物视觉器官的感光细胞中的视紫红质(rhodopsin)相似,也含有视紫素,被称为菌视紫素。

嗜盐菌的菌视紫素可强烈吸收570nm处的绿色光谱区。

菌视紫素的视觉色基(发色团)通常以一种全-反式(all trans)结构存在于膜内侧,它可被激发并随着光吸收暂时转换成顺式(cis form)状态。

这种转型作用的结果使H+质子转移到膜的外面,随着菌视紫素分子的松弛和黑暗时吸收细胞质中的质子,顺式状态又转换成更为稳定的全-反式异构体。

再次的光吸收又被激发,转移H+。

如此循环,形成质膜上的H+质子梯度差,产生电化势。

菌体利用这种电化势在ATP酶的催化下,进行ATP的合成,为菌体贮备生命活动所需要的能量。

这种由菌视紫素参与的光介导ATP的合成,显然与光合细菌叶绿素的能量产生有本质的区别。

盐杆菌的这种光介导的H+质子泵还具有通过Na+/K+反向转运(antiport)向细胞外排出Na+的功能,并且驱动为保持细胞渗透压平衡所需要的K+和各种营养物的吸收。

对于氨基酸的吸收也被证明是间接地通过光来驱动,一种氨基酸Na+泵运输系统被用于运载氨基酸的吸收。

二,功能特性
1.光化学循环
所谓光循环就是光驱动的一系列中间产物的产生,最终又回到初始状态的原始细菌视紫红质。

2.质子泵功能
光照射嗜盐菌时有三种作用:即A TP增加、基质酸化(基质酸化表示质子从细胞内泵到了细胞外)和呼吸被抑制。

如果用p H电极测量紫膜悬浮液时,很容易观测到光驱动的质子释放,即光驱动质子泵功能。

3.光电响应
照紫膜时,伴随质子泵功能的同时,电信号也可以产生。

这一现象产生的原因归纳为质子流本身为带正电的电荷移动。

所以当细菌视紫红质引入到人工膜上并施以稳定的连续光照射时,将产生跨膜质子流。

由于双层膜有较好绝缘性,质子梯度不会很快通过浓度扩散而消失,于是在膜两侧产生了电势,即光电压;同时在电流计上可以测量到光电流信号。

这种稳态的或慢的光电响应信号来源于质子流。

三,应用前景
1)在光致变色性能方面有望用于:光学信息处理和光储存;生物芯片和生物计算机;全息照相和存储;边缘增强器;光模式识别;三维光记忆;傅立叶变换和处理;神经网络;光相关转换和相关器;光逻辑门和二进制光记忆;光寻址直接显示器。

2)在瞬态光电响应方面有望用于:光开关和光电探测器;太阳能电池;超快光二极管;仿视觉功能人工视网膜、人工感受野;图像传感器、运动探测和像边检测。

3)在非线性光学方面有望用于:光过滤包括新事物滤波、振幅滤波、光学图像单调滤
波;相位共扼;光压器件;二次谐波发生器;空间光调制器;光晶体管和离子敏感的场效应晶体管。

4)在纳米生物器件可能的应用前景方面:最为突出的是细菌视紫红质的光致变色性能、瞬态光电响应性能和非线性光学性能。

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