細菌視紫質受脈衝光源誘發之光電流動力學與環境pH值相依性

郭家綾

指導教授 ： 朱立岡

國立清華大學/理學院/化學系/碩士(2014年)

摘要

細菌視紫質是嗜鹽古生菌Halobacterium salinarum細胞膜上唯一的膜蛋白質，其受光激發後進行光迴圈反應，產生細胞膜內外質子濃度梯度差，具有質子幫浦功能，此化學能用以合成生物能量三磷酸腺苷。先前已有不少科學家針對質子幫浦行為所造成的光致電流訊號進行研究與分析，然而其分析方法包含複雜假設，至今尚未推論出一個能夠普及應用與分析的模型。本篇論文中將利用瞬態可見光吸收光譜技術以及自組裝電化學裝置觀察在pH值4–9範圍內，水溶液中細菌視紫質的光迴圈中間態M態之動力學以及質子幫浦行為，並且利用簡單的動力學模型描述觀察到之光電訊號。
實驗首先利用羥胺降解視黃醛而降低光電流訊號並且比較細菌視紫質之光致電流作用光譜與其可見光區495 – 645 nm範圍之吸收光譜，兩者結果皆說明光致電流來源為視黃醛的光反應行為。此外，當細菌視紫質溶液中加入質子載體羰基氰化物間氯苯腙( CCCP )，光致電流振幅明顯消逝，進一步證實吾人所測得的光致電流訊號離子載體為氫離子。而典型之質子幫浦行為可以分解成以下三個基本步驟：1、氫離子首先由反應中心視黃醛轉移至紫膜表面上；2、位於紫膜表面上的氫離子釋放至水相中，水相與表面上氫離子濃度達平衡；3、最後，氫離子消失在水相中，由胞內側回到紫膜表面上。透過上述的質子幫浦反應步驟，吾人利用連續反應動力學模型來適解實驗在pH值5.8 – 9.5範圍內得到之光致電流，其與實驗結果相當一致，而質子幫浦的動力學行為則受到紫膜表面與環境水相之間介面性質以及水相中氫離子與氫氧根離子之流動性所影響。另外，在酸性環境中，吾人觀察到光致電流極性翻轉，且在pH 5.8時，M態訊號衰減速率快速下降，此二者現象皆與質子釋放團pKa值吻合。
吾人對細菌視紫質質子幫浦之定量分析顯示此光致電流實驗系統以及上述之動力學模型適用於類視紫質之離子幫浦研究，與以往結果差異之處為此反應動力學分析無須複雜的理論假設或樣品製備，這也是吾人系統最大的優勢。

關鍵字

細菌視紫質 ； 質子幫浦 ； 電化學電池 ； 連續反應動力學 ； 作用光譜

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無資料

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Bacteriorhodopsin ； Proton pump ； Electrochemical cell ； Consecutive mechanism ； Proton pump

參考文獻

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