Bacteriorhodopsin中運送氫離子的路徑

Bacteriorhodopsin是Halobacterium salinarium 在低氧或暫時缺氧的環境下合成的一種深紫色的 色素，會使細菌表面產生許多深紫色斑塊。它會吸收光子，進行光合成反應以製造能量，用來代替平時呼吸作用扮演的角色。 此色素為一個小型完整鑲嵌在細胞膜上的蛋 白質，主要由七個螺旋和兩個B褶板結構組成，作為光子驅動的氫離子唧筒(proton-pump)，藉由將氫離子送出細胞膜外(左圖下方為細胞外側部分)， 產生一個酸鹼梯度來推動ATP的合成。

 
以前的研究指出，這些螺旋結構中沒有足夠水溶性質的通道可讓離子通過， 那麼氫離子又是怎麼通過的呢?經過一連串的實驗証實，氫離子是藉由一些胺基酸的旁支 (side-chain) 傳遞，途中有幾個水分子幫忙穩定，最後送出細胞膜外。 左圖的結構可清楚的讓我們看見氫離子的傳送路徑。

 
該蛋白質的發色基為retinal(醛基型式的維它命A1)，其碳醯基和bateriorhodopsin中Lys216的一級胺基 形成Schiff-base。當retinal受光線刺激後，在 第13和14個碳中間的雙鍵會由反式(trans)轉變成順式(cis)， 且Schiff-base上會放出一個氫離子。

 
此蛋白質的active-site由Schiff-base、Asp85及兩個水分子組成。 由Schiff-base丟出的氫原子首先被Asp85接收。 在未受光線刺激的蛋白質中，Asp85和鄰近的兩個水分子(W401 和W402及Thr89會形成氫鍵， 使得Asp85的pKa值降低，以穩定尚未接受氫離子的Asp及Schiff-base間的關係。 一旦受到光線刺激，使得附近的結構狀態改變，造成Asp85的pKa值升高， Schiff-base釋放出來的氫離子就馬上被Asp85接收了。

 
Arg82、Glu204和Glu194組成了一條釋放氫離子的路徑。 這三個胺基酸形成一個大空間(約80平方埃)，靠近細胞外側，它可能內含3到4個水分子來穩定氫離子。 在此結構中己解出一水分子W403。最後氫離子經由Glu194釋放出來。

 
接下來，Schiff-base會從Asp96接收一個氫離子，並且由順式再變回反式。 以進行另一光反應循環。由此結構可見，retinal的9甲基和13甲基分別與Trp182及Leu93最接近， 推測這兩個胺基酸在光反應的後面階段，輔助retinal由13-cis轉變成all-trans。 Asp96和Schiff-base間也形成了一個小的疏水性空間，它可容納1或2個無秩序的 水分子，來幫助氫離子的傳遞。


PDB ID：1BRX

 
Primary Citation：

Luecke, H., Richter,H. T., Lanyi, J. K.:
Proton Transfer Pathways in Bacteriorhodopsin at 2.3 Angstrom Resolution.
Science 280 pp. 1934 (1998) [Medline]