（光学专业论文）菌视紫质蛋白br的光电荷转移和光学特性研究.pdfVIP

y3 6 1 2 5 8 复旦盘堂熊堂僮途塞塑l 论文题目：菌视紫质蛋白( b r ) 的光电荷转移和光学特性研究 塑堡系堂堂专业 ：- 一o o o 届石开究生 黄玉垡指导老师奎童丝熬握 摘要 细菌视紫红质( b r ) 因其具有很好的光化稳定性、从皮秒到毫秒的光能转 换速度、以及高的空间分辨率，可望将来在光子学的高技术领域罩具有许多潜 在的应用价值，因而多年来成为国内外研究的热点。但是到目前为止，对于b r 的光循环和光泵质子机理还有很多争论，尤其还没有一个完整的物理模型能对 它产生的各种现象进行解释。( 而理解和掌握它的内在机理，是开发利用它来做 新型光学分子器件的关键一本文的工作是围绕细菌视紫红质的光泵质子和光循 环过程的物理机制展开的。主要包括三方面的内容： 第一采用三种不同的实验方法初步探测了b r 的光学特性。通过测量b r 的静态吸收谱，观察到b r 两个相对稳定的吸收态。用z 扫描等方法研究表明b r 对6 3 2 8 m n 连续光具有光学负透镜效应和饱和吸收效应，且其光学非线性系数 较大寸 第二理论和实验研究了细菌视紫红质的光吸收动力学过程。理论上：建立 t 了b r 光循环过程涉及能级数量最多的一个较完整的物理模型：建立了相应的 粒子数速率方程和吸收方程；第一次从理论上模拟了b r 光循环实验各类曲线， 这些曲线反映了b r 吸收与波长( 能量) 的关系，得到了各中间产物的各个物 理特性。实验上：采用自行设计的“连续泵浦探测光+ 脉冲泵浦光”的实验装 置，测量了在短脉冲光( 5 3 2 n m ，i o n s ) 泵浦作用下，b r 对不同波长( 4 1 2 n m 、 5 7 0 n t o 、6 3 2 8 n m ) 和光强的连续光的瞬态光吸收特性，得到了随6 3 2 8 n m 光强 变化而发生复杂变化的瞬态吸收曲线。 、| 第三实验和理论研究了细菌视紫红质的光电荷转移特性。f 实验上：系统测 - i - 复口人学研究生院学位论文摘要专j = | j 纸 复里盍堂螋主堂僮监塞 擅器 量了h r 在不同波长、脉宽和光强的脉冲光作用下的不同光电压信号；并用多 种不同的回路阻抗测到了多个不同的光电压信号。理论上：建立了较为完整的 b r 光泵质子中光电荷转移的物理模型：通过解析方法和数值模拟方法对实验结 果的模拟，得到了b r 内光电荷转移过程中的各个物理参数，较好地揭示了b r 内光生电荷转移的规律一 关键词：细菌视紫红质。光学非线性，瞬态光吸收，光电压。光电荷转移 分类号：q 5 眯及纠、夕q 6 寥乙 _ i i 一 复旦大学研究生院学位论文摘要专用纸 论文题目：t h ep h o t o c h a r g e t r a n s f e ra n d o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c si n b a c t e r i o r h o d o p s i n p r o t e i n - - o o o 届石开究生黄垂垡指导老师奎宜丝熬援 a b s t r a c t b a c t e r i o r h o d o p s i n ( b r ) h a s b e e na t t r a c t i n g g r e a t a t t e n t i o nd u et ot h en i c e p h o t o c h e m i c a ls t a b i l i t y , u l t r a - f a s tr e s p o n s es p e e df r o mp i c o s e c o n d t om i l l i s e c o n da n d h i g hs p a t i a lr e s o l u t i o n ，w h i c hc a nb ep o t e n t i a l l yu s e da sp h o t o n i cd e v i c e s s of a r , h o w e v e r , t h em e c h a n i s mo ft h ep h o t o c y c l ea n dl i g h t d r i v e np r o t o np u m pi nb r a r e s t i l lu n c e r t a i n m o r e o v e r ，t h e r ei sn oac o m p l e t em o d e lf o rd e s c r i b i n gt h ep h o t o c y c l e a n dc h a r g et r a n s f e ri nb r u n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s mi st h ek e yf o rd e v e l o p i n g b r so p t i cc h a r a c t e r i s t i c sa san o v e lp h o t o n i ed e v i c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w es t u d i e d t h em e c h a n i s mo f t h e p h o t o c y c l ea n dl i g h t - i n d u c e dp r o t o np u m p i nb a c t e r i o r h o d o p s i n ， i n c l u d i n g t h r e ep a r t sa sf o l l o w s f i r s t ，t h eo p t i cc h a r a c t e r i s t i c sw a si n i t i a l l ys t u d i e d t h r o u g hm e a s u r i n gt h e o p t i c a la b s o r p t i o ns p e c t r u mo fb a c t e r i o r h o d o p s i nb e f o r ea n da f t e ri l l u m i n a t e d ，t h e s h i f to f t h e a b s o r p t i o nl e a k w a so b s e r v e d ，w h i c hr e l a t e st ot w oc o r r e s p o n d i n g l ys t e a d y s t a t e si nb r b y m e a s u r i n g t h eo p t i c a ln o n l i n e a r i t yo f b a c t e r i o r h o d o p s i nw i t l lz - s c a n e t c m e t h o d s ，i tw a sf o u n dt h a tb a c t e r i o r h o d o p s i ns h o w sn e g a t i v el e n sa n ds a t u r a b l e a b s o r p t i o ne f f i c i e n c ya t6 3 2 8 n ml i g h t ，w i t hl a r g e ro p t i c a ln o n l i n e a r c o e f f i c i e n t s e c o n d ，t h ek i n e t i co p t i c a la b s o r p t i o nc h a n g e so fb rh a v eb e e nt h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d i nt h e o r y , w eh a v es u p p o s e da p h y s i c a lm o d e li n c l u d i n g t h em o s te n e r g yl e v e l ss of a rf o rd e s c r i p t i o no fb r sp h o t o e y e l e ，a n d g i v e nt h e c o r r e s p o n d i n g r a t ee q u a t i o n sa n d a b s o r p t i o ne q u a t i o n sf o rb r f o r t h ef i r s tt i m e ，b y i i i - 复旦大学研究生院学位论文摘要专用纸 复星盍堂越堂僮j 金塞撼墓 t h e o r e t i c a l l ys i m u l a t i n gv a r i o u s k i n d so fa b s o r p t i o nc u r v c st h a tr e f l e c tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nb r sa b s o r p t i o na n dw a v e l e n g t h ( e n e r g y ) ，w eh a v eo b t a i n e dt h ep h r s i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yi n t e r m e d i a t e i ne x p e r i m e n t 、i t l lt h eh o m e m a d e “c w p u m p p r o b el i g h t + p u l s ep u m pl i g h t ”e x p e r i m e n t a ls e t u p ，w em e a s u r e dt h et r a n s i e n t a b s o r p t i o nc h a n g e sa td i f f e r e n tw a v e l e n g t h ( 4 1 2 n m ，5 7 0 n m ，6 3 2 8 n m ) a n di n t e n s i t y o fc w l i g h tw h e n i tw a s p u m p e db ys h o r t5 3 2 n mp u l s el a s e r ( 1 0 n s ) e s p e e i a l l y ，w e g o t t h et r a n s i e n t a b s o r p t i o nc h a n g e s c u r v e sw h i c hc h a n g e c o m p l e x l y w i t l lt h e i n t e n s i t yo f 6 3 2 8 n mc w p u m p - p r o b el i g h t t h i r d ，t h ep h o t o c h a r g e st r a n s f e r i n b a c t e r i o r h o d o p s i n w a s t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y s t u d i e d i n e x p e r i m e n t ，w es y s t e m a t i c a l l y m e a s u r e dt h e p h o t o v o l t a g ep r o d u c e db yb r w h e ni tw a se x c i t e db yd i f f e r e n tw a v e l e n g t h ，p u l s e w i d t ha n d i n t e n s i t y o fl i g h t m o r e o v e r , w em e a s u r e dq u i t e af e wd i f f e r e n t p h o t o v o l t a g es i g n a l sw i t l ld i f f e r e n tc i r c u i tr e s i s t a n c e i nt h e o r y , w e h a v es u p p o s e da m o r ep e r f e c t p h y s i c a l m o d e lf o r c h a r g e t r a n s f e ri nb r b ya n a l y t i c a l l y a n d n u m e r o u s l ys i m u l a t i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w eg o tt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r st h a t t h ep h o t o c h a r g e sg ot h r o u g hs o m ei n t e r m e d i a t e s ，w h i c hr e v e a l st h er u l eo f c h a r g e t r a i l s f e ri nb r k e yw o r d sb a c t e r i o r h o d o p s i n ，o p t i c a ln o n l i n e a r i t y , t r a n s i e mo p t i c a la b s o r p t i o n ， p h o t o v o l t a g e ，p h o t o c h a r g e p a c s ：q 5 1 0 2 复旦大学研究生院学位论文摘要专用纸 绪言 随着现代信息技术的突飞猛进，越来越需要响应速度快，存储容量大的器 件。在这方面，电子器件已越来越显示出其固有的局限性，可以说电子信息技 术已走到了自身的顶峰。而光电子和全光予器件却在这方面独占鳌头，因而成 为当今信息研究领域的热点。而研制和开发具有优良的光学性能和响应速度快 的新型光功能材料和器件是决定信息研究领域发展的关键。 在光学性能好和响应速度快的新型光学功能材料和器件的研究领域里，为 实现实用化的需要，目前被广泛研究的主要有三大类。一类是以l i n b o ，和k t p 为代表的具有良好透明性和硬度的无机晶体：第二类是i v 族半导体：第三类 是有机物材料。其中第一类材料已被成功地应用在频率上转换和光学参量振荡 器中，但其非线性系数较后两种材料小及与集成光学所用到的基底( 硅或半导 体材料) 不兼容，这使得它在光子学器件方面的进一步发展大大受到限制。第 二类材料，外延生长量子阱结构材料已经并且将来仍将是非线性光学材料里的 一类极具有挑战性的材料。有机材料因其具有大的非线性系数、低的介电常数、 廉价、易制备等优点而成为近年来研究热点。 光功能生物分子材料因其具有极快的响应速度、体积小等优点越来越成为 新型光功能分子材料的另一研究热点。而细菌视紫红质( b r ) 是生物界中少数几 种对光敏感的生物分子之一。它是一种位于嗜盐菌细胞膜上的光敏蛋白质分子， 因最初发现它的光电特性与光漂白过程类似于人眼视紫红质而得其名。与其他 生物类分子相比，它的结构简单，生物功能健全，对外界环境有很强的适应性， 因此成为以往的功能材料性质研究以及器件开发利用的热点。 在光的刺激下，b r 内部化学结构会迅速发生一系列变化，因而具有有机材 料、无机材料和半导体材料所无法具有的独特的光学性质，如从皮秒到毫秒的 响应速度，高的空间分辨率刚，使得它在光子学的高技术领域里具有许多潜在 的应用价值。 第l 页 复旦盔堂攫堂僮迨塞一j l 置一 b r 膜在光子学应用方面具有如下优点：可使用的光谱范围宽( 4 0 0 7 0 0 ) ： 2 ) 由于高的化学产额，因而有高的光敏度；3 ) 热和化学稳定性好；( 4 ) 记录 和擦除的循环使用次数高于1 0 6 ；( 5 ) 容易与高分子材料或明胶相混合而形成 光学质量优良的薄膜；( 6 ) 它的性质可以很容易用物理和化学方法来改变，以 适应不同应用的要求：( 7 ) 材料来源不受限制。 由于b r 薄膜便于制备并具有优良的光学非线性和许多有利于应用的优点， 已被用于光学信息处理、光电转换、光开关、光学图像识别、以及分子电子学 器件| 2 - ”j 。在用于制备光子学及分子电子学器件的诸多生物光学材料中，b r 被 公认为是最有发展前途的。美国、俄罗斯、德国、日本以及以色列等国家都在 大力开展b r 膜的研究工作。其中实验室的空间光调制器已经出台，日本富士 公司已推出3 2 3 2b r 膜生物芯片1 。 但是由于b r 光循环过程所涉及到的物理、化学变化极其复杂，尽管人们 已对其作了大量的研究，至今对于它的光循环过程和光泵质子机理还不太清楚。 而理解和掌握其物理、化学变化的机理是开发利用它来做新型光学分子器件的 关键。因而目前国际上除了对b r 光学性质和光学非线性以及b r 膜的应用进行 了广泛的研究外，更多的研究仍侧重于b r 分子结构与功能的关系i ”- 2 0 、以及b r 光泵质子的作用机理和光循环过程中物理能态的分布 5 , 2 1 , 2 2 t 。 本文的工作则是通过理论和实验研究b r 经光作用后所产生的光吸收特性和 光电信号，建立了一个到目前为止较完整的b r 光循环过程物理能态分布模型 和光泵质子过程中光电荷转移物理模型，得到了各产物的物理特性参数，较好 揭示了b r 光电荷转移规律。本论文的内容安排如下： 在第一章里，首先对细菌视紫红质的结构和特性作了综述， 在第二章里，初步探测了b r 的光学特性，了解到b r 具有两个相对稳定的 态( b r 和m 态) ，对6 3 2 8 r i m 光具有负透镜效应和饱和吸收特性，且具有较大 的光学非线性系数，为更深入的研究打基础。 在第三章里，理论和实验详细研究b r 的瞬态光吸收特性和与其相应的光循 环过程。根据细菌视紫红质光循环过程建立了b r 光循环过程能态分布的物 理模型及其相应的粒子数速率方程和吸收方程，它是目前为止涉及能级数最多 第2 页 复旦太堂睦堂焦监塞 一一直 的、一个较完整的物理模型。利用自行设计的“连续泵浦- 探测光+ 脉冲泵浦光” 装置实验测量了细菌视紫红质的瞬态光吸收受作用光的波长和光强的影响，并 第一次从理论上模拟了各种实验吸收曲线，得到了各产物相应的物理参数。 在第四章里，理论和实验系统研究了b r 光泵质子过程中光电荷转移特性。 首先，从理论上建立了一个光泵质子过程中电荷转移过程的物理模型。然后实 验研究了b r 在不同激发波长、光强及脉宽的短脉冲激光作用下产生的不同的 光电信号，在其他实验条件不变的情况下，用多种不同回路阻抗测量到了多种 不同的光电压信号。综合考虑激发波长、脉宽、光强以及回路阻抗等因素，模 拟得到了b r 光电荷转移过程中的各个物理参数，较好探明了b r 光电荷转移的 内在规律。 在第五章里，对全文的工作进行了总结。 参考文献t 1 r o b e r tr b i r g e n a t u r eo f t h ep r i m a r yp h o t o c h e m i c a le v e n t si nr h o d o p s i na n d b a c t e r i o r h o d o p s i n b i o c h e m b i o 1 l a y s a e t a 1 9 9 0 1 0 1 6 ：2 9 3 - 3 2 7 f 2 1r n l o m a , n h a m p p ，c b r a n c h l e ，a n dd o e s t e r h e l t ，“b a c t e d o r h o d o p s i nf i l m s a ss p m m i a ll i g h tm o d u l a t o r sf o rn o n l i n e a r - o p t i c a lf i l t e r i n g ，”o p t l e t t 1 9 9 1 ，1 6 ： 6 5 1 6 5 3 f 3 】w e r n e r , o ，b f i s c h e r ，a l e w i s ，a n dn e b e n z a h l ，s a t u r a b l ea b s o r p t i o nw a v e m i x i n g ，a n dp h a s ec o n j u g a t i o nw i t hb a c t e r i o r h o d o p s i n o p t l e t t 1 9 9 0 1 5 ：1 1 1 7 1 1 1 9 4 】r t h o m aa n dn h a m p p ，r e a l t i m eh o l o g r a p h i cc o r r e l a t i o no ft w ov i d e os i g n a l s b yu s i n gb a c t e r i o h o d o p s i nf i l m s o p t l e t t 1 9 9 2 1 7 ：1 1 5 8 1 1 6 0 5 】5s o n g ，q w a n dc h u n g p i n gz h a n g ，“o p t i c a ll i m i t i n gb yc h e m i c a l l ye r d a a n c e d b a c t e r i o r h o d o p s i nf i l m s ”o p t l e a 19 9 3 18 ：7 7 5 7 7 7 6 】c h u n p i nz h a n g ，q w a n gs o n g ，c h i n - y uk ue t a 1 d e t e r m i n a t i o no ft h e r e f r a c t i v ei n d e xo f a b a c t e r i o r h o d o s p i nf i l m o p t l e t t 1 9 9 4 1 9 ：1 4 0 9 1 4 1 1 【7 】h a m p p ，n ，a p o p p ，c b r a e u c h l e ，a n dd o e s t e r h e l t d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo f b rf i l m sf o r h o l o g r a p h yc o n t a i n i n gb a c t e r i o r h o d o p s i nw i d t y p e b ra n di t s v a r i a n tb r d 8 a n d b r 6 n j p h y s c h e m 1 9 9 2 ，9 5 ：4 6 7 9 - 4 6 8 5 8 j o h nd d o w n i e ，d o g a na u c i n ，d a n i e lt s m i t h e ya n dm a r s h a l lc r e w ， l o n gh o l o g r a p h i cl i f e t i m e si nb a e t e r i o r h o d o p s i nf i l m s o p t l e t t 1 9 9 8 2 3 ：7 3 0 7 3 2 【9 】o w e m e r , r d a i s y ，b f i s c h e r ，f o r w a r dp h a s ec o n j u g a t i o nb yt h r e e w a v e m i x i n gw i t hb a c t e r i o r h o d o s p i n o l o t c o m m u n 1 9 9 2 9 2 ：1 0 8 1 1 0 ( 1 0 c a p l a n ，s r ，g f i s c h e r ，p h o t o v o l t a v i cb e h a v i o ro f b a c t e r i o r h o d o p s i n - l o a d e d c a t i o n e x c h a n g em e m b r a n e s ，j m e m b r s c i 1 9 8 3 。1 6 ：3 9 1 4 0 5 第3 页 复旦太堂艘堂焦j 金塞 缝言 1 1 】m s a n i o ，u s e t t l e ，k a n d e r l e ，a n dn h a m p p ，o p t i c a l l y a d d r e s s e dd i r e c t - v i e wd i s p l a yb a s e do nb a c t e r i o r h o d o p s i n ，o p t l e t t 1 9 9 9 ，2 4 ：3 7 9 3 4 1 1 2 1w e r n e r , 0 ，b f i s c h e r , a n da l e w i s ，s t r o n gs e l f - d e f o c u s i n ge f f e c ta n d f o u r w a v em i x i n gi nb a c t e r i o r h o d o p s i nf i l m s o p t l e t t 1 9 9 2 ，1 7 ：2 4 1 - 2 4 3 1 3 h a r o n i a n d a n d a l e w i s ，e l e m e n t so f a u n i q u e b a c t e r i o r h o d o p s i n n e u r a l n e t w o r ka r c h i t e c t u r e a p p i o p t 1 9 9 1 3 0 ：5 9 7 - 6 0 8 1 4 1d z e i s e la n dn h a m p p ，s p e c t r a lr e l a t i o n s h i po f l i g h t i n d u c e dr e f r a c t i v ei n d e x a n da b s o r p t i o nc h a n g e si nb a c t e r i o r h o d o p s i nf i l m sc o n t a i n i n gw i l d t y p eb r w t a n dt h ev a r i a n tb r n j p h y s c h e m ，1 9 9 2 ，9 6 ：7 7 8 8 7 7 9 2 f15 1v 缸6g ，l s b r o w n ，r n e e d l e m a n ，a n dj k l a n y i ，b i n d i n g o fc a l c i u mi o n s t ob a c t e r i o r h o d o p s i n b i o p h y s j 1 9 9 9 7 6 ：3 2 1 9 3 2 2 6 1 6 1b a l a s h o v , s e ，e s i m a s h e v a , r g o v i n d j e e ，a n dt g e b r e y ，t i t r a t i o no f a s p a r t a t e 8 5i nb a c t e r i o r h o d o p s i n ：w h a t i ts a y sa b o u t c h r o m o p h o r e i s o m e r i z a - t i o na n dp r o t o nr e l e a s e b i o p h y s j 1 9 9 6 7 0 ：4 7 3 4 81 1 7 1e s q u e r r a ，r m ，d c h e ，d b s h a p i r o ，j wl e w i s ，r a b o g o m o l n i ，j f u k u s h i m a ，a n dd s k l i g e r ，c h r o m o p j o r e r e o r i e n t a t i o ni nt h ee a r l yp h o t o l y s i s i n t e r m e d i a t e so f b a c t e r i o r h o d o s p i n b i o p h y s j 1 9 9 6 7 0 ：9 6 2 - 9 7 0 18 1s a s s ，h jr g e s s e n i c h ，m h j k o c h ，d 0 e s t e r h e l t ，n a d e n c h e r , g b i l l d t ， a n dg r a p p ，e v i d e n c ef o rc h a r g e - c o m t r o l l e dc o m f o i t s a t i o n a lc h a n g e si nt h e p h o t o c y c l eo f b a c t e r i o r h o d o p s i n b i o p h y s j 1 9 9 8 7 5 ：3 9 9 4 0 5 1 9 1m i s r a sc o n m b u f i o no f p r o t o nr e l e a s e t ot h eb 2p h o t o c u r r e n to f b a c t e r i o r - h o d o p s i n b i o p h y s j 1 9 9 8 7 5 ：3 8 2 3 8 8 f 2 0 1h e n d r i c k s o nfm ，f b u r k a r d ，a n f r m 0 l a e s e r , s t r u c t u r a lc h a r a t e r i z a t i o no f t h el - t o mt r a n s i t i o no f t h e b a c t e r i o r h o d o s p i np h o t o c y c l e b i o p h y s j 1 9 9 8 7 5 ：1 4 4 6 1 4 5 4 2 l 】l iy u - d o n g ，s u nq i a n ，z h a n gc h u n - p i n g ，l ur u i ，f ug u a n g - h u a ，z h a n g g u a n g y i n m o d u l a t e dt r a s m i s s i o np r o p e r t yo f b a c t e r i o r h o d o p s i nf i l ma n di t s a p p l i c a t i o no nt h r e s h o l d i n go p e r a t i o n c h i n p h y s l e t t 1 9 9 8 1 5 ：7 9 9 ：7 8 1 7 8 3 f 2 2 1j o h nf n a g l e ，p r o c e d u r ef o rt e s t i n gk i n e t i cm o d e lo f t h ep h o t o c y c l eo f b a c t e r i o r h o d o p s i n b i o d h y s j 1 9 8 2 ，3 8 ：1 6 1 - 1 7 4 第4 页 第一章细菌视紫红质介绍 生物界有几类光敏系统，大家熟知的有脊椎动物的视觉视紫红质，动物凭借 它来认识这个色彩斑斓的世界；还有植物的光合反应中心，是植物维持生命的给 养线。 另有一类是嗜盐菌紫膜上包含的一种蛋白质，它非常类似于视紫红质，因而 称为细菌视紫红质( b a c t e r i o r h o d o p s i n ) ，简称b r 。细菌视紫红质可利用光能转移 质子跨膜运转，产生电化梯度，细胞就利用此梯度贮存的能量合成a t p ，并执 行其它功能。紫膜一方面由于它含有的感光色素与视紫质相同，而与视觉过程有 许多相似之处，另一方面，由于它吸收光能后可合成a t p ，所以它的功能又与 光合作用相似。所以嗜盐菌紫膜一经发现后，就吸引了全世界科学家们的兴趣， 在短短三十年时间里已经完成了大量的工作，目前许多实验仍在深入研究它的功 能，主要是质子泵的机制。下面对它的性质作一简单的介绍。 第一节嘈盐蕾及：紫膜蛋白的结构 嗜盐菌是一种非常嗜盐的细菌，需要很高的盐浓度和镁盐才能维持其生长和 结构。它在盐场和盐湖中可天然地生长，并能在结晶的盐上生存。嗜盐菌有好几 种，也有许多变种，通常见到的是h a l o b a c t e r i u m h a l o b i u m ，h s a l i n a r i u m 以及h t c u t i r u b r u m 几种，它们都依赖氨基酸为其主要碳源，生长较慢但非常嗜熟，在 3 9 。c 繁殖一代的时间为7 8 小时。 嗜盐菌细胞为棒状，直径1 a m ，长4 - 1 0 n n 。许多嗜盐菌的品系都具有鞭毛 并能运动，但在培养基条件不适合，特别是在m 矿+ 浓度低时，常会出现形状上 的许多变异，有圆形与卵形等。经常用于研究的是h h a l o b i u mr l ( 或h h a l o b i u m r l m l ) 变种，它是从h h a l o b i u m n r c3 4 0 2 0 衍生的，这种变形不形成液泡，因而 可以促进紫膜的分离。 嗜盐菌细胞质膜上含有很强的色素，通常可以看到的是红色的。质膜上除含 第5 页 、 复旦太堂丝堂焦论塞 簋= 重匆蘑翘鐾红厦佥纽 有红膜外，还有一些紫色的斑块掺杂其中，就是紫膜( 见图i - 1 ) 。紫膜及其碎片 是圆形或椭圆形的，这种膜的分子结构特点是组织性很坚硬。嗜盐菌如果处于盐 浓度较低的环境下，细胞及细胞的组分就会解聚。这种解聚作用可被用来分离细 胞质膜上的紫膜。主要是因为紫膜对水有抗性，当细胞膜其它部分被胀碎时，紫 膜斑块仍保留原有的尺寸，因此很容易提取出来。分离出来的紫膜碎片约含2 5 的脂质和7 5 的蛋白质。 胞壁l 微米 图1 - 1 嗜盐菌及其紫膜 紫膜碎片的两边带有净负电荷，这些电荷是由残留在b r 表面的氨基酸，多 肽键的c 端( 在膜内) 和n 端( 在膜8 1 - ) ，和固有的酸类脂引起的【2 】。在大于 p h 5 的环境里c p ( 细胞膜内) 端所带的负电荷大于e c ( 细胞膜外) 端【3 】在小于 p h 5 的环境里则相反【4 】。紫膜所带电荷的非对称性使得它呈现永久的从c p ( 或 e c ) 端指向e c ( 或c p ) 端的电偶极矩1 4 ，5 】，这便是它具有优良的光学非线性和 独特的光泵质子特性的根源。 细菌视紫红质( b r ) 是紫膜内唯一的一种光能转换蛋白质6 ，7 1 ，b r 分子由2 4 8 个氨基酸组成，分子量为2 6 0 0 0 。光谱和低分辨率衍射研究表明b r 横跨膜7 次 8 - 1 5 , 对应b r 分子内的7 个c 【螺旋( a 、b 、c 、d 、e 、f 、g ) 的多肽棒( 见图1 3 ) 。 多肽键跨过膜，其n 端在膜外，c 端在膜内【l6 1 。b 、d 、f 和g 螺旋柱组成一个 质子通道，并被生色团视黄醛分成指向细胞质内( c p ) 和细胞膜外( e c ) 的两 个半通道，其中b r 上的视黄醛是通过质子化希夫碱基与g 上的第2 1 6 位赖氨酸 上的氨基结合的 z 4 1 ( 见图1 2 ) 。 通常b r 分子成三聚体结构7 】，即三个b r 分子在一起呈束状，并形成六角 第6 页 c y t o p l a s m i cs i d e 薛 图1 2含有b r 三聚体单元的紫膜六角形晶体的结构，b r 单体的二级构造显 示了7 个跨膜的c l 螺旋，其中黑箭头指示了视黄醛光致异构化后质子可能的传 输通道，两根虚线将b r 结构化为三个功能区，上面：接受质子区，中间：质 子交换区，下面：质子释放区 第7 页 复星盘堂监土堂焦诠塞 簋二童细菌狃筮红厦企缉 形的二维晶格( 见图1 2 ) 。蛋白质分子牢固地固定在膜上，即b r 在膜上是不 能流动的。三聚体中每两个蛋白质分子间的中心距离是1 5 i l m 。具有三聚体结构 的分子通常具有协同效应【1 7 2 0 1 ，即在足够强的光作用下，被激发的分子会带动它 周围的两个或多个分子跃迁到激发态上。 第二节b r 的光循环和质子泵机理 b r 有两种相当稳定的状态，暗适应状态和光适应状态。暗适应状态的视黄 醛是1 3 顺型的，其吸收峰为5 6 0 n m ；光适应状态的视黄醛为全反型的，吸收峰 为5 7 0 n m 。b r 受光照后，即从暗适应状态转为光适应状态，吸收峰也从5 6 0 r i m 转为5 7 0 n m ；在黑暗中，又会恢复到暗适应状态，吸收峰也移回到5 6 0 n m 。 光适应状态的b r 经光激发后会经历一个光循环过程。这一光循环过程非常 复杂，人们对它作了大量 的研究，并且提出了好几 种光循环的模型。早在 19 7 5 年，l o z i e r 2 1 】等人提 出了一个不分支的按顺序 进行的光循环模型；后来 有人观察到了m 态的双相 上升和衰减现象【2 2 1 ，为了 解释这复杂动态过程， 有人认为b r 的光循环是 由多个不同的光循环组合 起来的 2 3 , 2 4 1 ；除此之外， 也有人认为在b r 光循环 过程中存在两个不同的m 态1 2 5 , 2 6 1 ，称为m l 和m 2 。 图1 - 3 光适应状态的b r 的光循环 第8 页 复垦盘堂监堂僮监塞 筮= 童细菌扭苤红厦兰t 绝 尽管人们对b r 的光循环做了大量研究，但时至今日，对b r 光循环的机理的解 释还有很多分歧，尚未统一。 0 8 兮 圆o 6 8 量0 4 o 乏o 2 4 0 05 0 06 0 07 0 0 w a v e l e n 【g t h ( r i m ) 图i - 4b r 各产物的吸收谱 不过，目前人们普遍认为光适应状态的b r 受光激发后发生光致异构化并从 基态b r 跃迁到激发态j ，然后通过热弛豫历经k 、l 、m 、n 、0 等态重又回复 到它的初始态b ，7 1 ，见图1 3 。其中k 态是最初光产物，贮存约1 6 k c a l m 0 1 1 2 7 , 2 8 的能量，包含希夫碱基生色团从全反到1 3 顺的光致异构化过程1 2 9 3 0 1 。在整个光 循环过程中，各中间态除了向下一中间产物转化外，还有一定的几率直接转化为 基态b r 。由于各中间态的寿命与它所处的环境条件有关，处于不同温度、湿度 和酸碱度的环境下，各中间态的寿命也将会不一样，因而各文献报道的各中间态 的寿命也不尽相同。图1 3 中标出的是相对较具代表性的数据。在热弛豫过程中， 随着各中间态的形成，其吸收光谱会发生相应的变化，吸收峰也随之漂移，如图 1 4 。比如，k 态形成后，吸收光谱发生了明显的红移，吸收峰由b r 态的5 7 0 r i m 移到了6 2 0 h m ，尤其是m 态，它的吸收峰蓝移到了4 1 2 r i m ，相对于b r 光循环 第9 页 复里太堂监堂僮途塞 簋二重绥暂担鳖红厦金绥 中其它的中间态，m 产物是吸收光谱发生蓝移最大的产物，这主要与它在b r 光 致质子泵过程中特殊的性质有关，这将在后面详细介绍。 另外，研究发现b r 在一定的条件下，还会出现分支光循环，此时。产物不 直接转变为b r 态，而是转化为另一产物p 1 1 9 , 3 i 】，接着又转化为产物q 【3 2 3 3 1 ，最 后才回到b r 态。在一定条件下，q 产物的寿命相当长，可稳定达几年之久。不 过这一分支光循环，产生效率很低，研究不多，所以我们主要探讨图1 3 所示的 光循环。 在一定的条件下，伴随光循环过程中某些产物的形成，会有相应的蛋白质电 响应信号。对于b r 的光电响应，人们做了广泛的研究，并给出了多种不同的模 型，如：弹弓模型。“、质子的离解和缔合模型“等。现在普遍认为受光照后，b r 蛋白质首先发生构象变化，形成一定的电化梯度。在l m 过程中，希夫碱基上 的质子脱离希夫碱基被泵出，并由细胞质内的质子受体d 8 5 接收1 “，然后再从 d 8 5 传输到细胞膜外。在m _ n 过程中，希夫碱基又从细胞质内的质子给体d 9 6 上获得一个质子。“，再度被质子化，并为回复到初始状态再次接收光的激发做 好准备。在光循环过程中，m 态是唯一的一个含有去质子化希夫碱