Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Хромофорный центр и реакция фотоизомеризации в бактериородопсине

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Терпугов, Евгений Львович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАШЫ.

§ I. Бактериородопсин - светозависимый протонный насос.

1.1. Halobacterium Halobium.б

1.2. Фотофизиология Halobacterium Halobium

1.3. Реконструкция протонного насоса и фотофосфо-рялирование в модельных системах

§ 2. Структурные основы функционирования бактериородопсина

2.1. Структура пурпурных мембран.

2.2. Аминокислотная последовательность

§ 3. Фотохимические свойства бактериородопсина

3.1. Изомеры ретиналя и реакция фотоизомеризации в бактериородопсине.

3.2. Фотохимический цикл бактериородопсина

§ 4. Структура хромофорного центра бактериородопсина

4.1. Спектры поглощения и модели хромофорного центра ретиналь содержащих белков.

4.2. Модификации хромофорного центра бактериородопсина - как метод его изучения.

§ 5. Применение методов пикосекуццной спектроскопии и резонансного комбинационного рассеяния для исследования ретинальсодержащих белков

5.1. Пикосекундная спектроскопия и модели первичных процессов

5.2. Резонансное комбинационное рассеяние

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

§ I. Приготовление образцов

1.1. Вьщеление пурпурных мембран

1.2. Приготовление суспензий и пленок пурпурных мембран.

§ 2. Приборы и техника эксперимента

2.1. Пикосекуццная спектроскопия

2.2. Фотостационарная низкотемпературная спектроскопия

2.3. Резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

§ I. Исследование первичной реакции в бактериородопсине.

§ 2. Влияние дегидратации на бактериородопсин

2.1. Влияние дегидратации на спектры поглощения в видимой и ИК областях спектра

2.2. Фотоактивность при комнатной температуре

2.3. Фотоактивность при низких температурах

§ 3. Влияние дегидратации на хромофорный центр бактериородопсина (по данным резонансного комбинационного рассеяния света)

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Хромофорный центр и реакция фотоизомеризации в бактериородопсине"

Актуальность проблемы

Бактериородопсин (БР) является одним из наиболее изученных мембранных белков. Особый интерес к БР объясняется следующими основными причинами: I) БР - единственный белковый компонент определенных участков клеточной мембраны (так называемых пурпурных мембран) галофильных микроорганизмов Halobacte-rium Haiobium и представляет собой протонную транслоказу, которая использует в качестве источника энергии свет; 2) по своей структуре БР сходен с родопсином позвоночных, что дает возможность для их сравнительного изучения.

За поглощение света ответственен хромофорный центр БР. Изменения в структуре хромофорного центра после поглощения света сопровождаются определенной последовательностью спектральных превращений. БР и родопсин обладают сходными фотохимическими свойствами, однако исходно существует различие в изомерной форме остатков ретиналей, которые являются хромофорами этих белков. Известно, что пурпурные мембраны, адаптированные к темноте, содержат смесь 13-цис БР и полностью - транс БР, а спектральные изменения, сопровождающие первичную реакцию для этих молекул, близки. В связи с этим возникает вопрос о реакции фотоизомеризации как первичной, запускающей все последующие химические реакции в родопсине и БР. В настоящее время не выяснено, какова роль существования цис и транс форм БР и зависимого от света изменения соотношения этих форм. Не достаточно хорошо изучено, как сказывается на спектральных характеристиках БР изменение изомерного состояния остатка ретиналя и его взаимодействие с функциональными группами белка.

Данная работа посвящена изучению методами оптической спектроскопии роли изомерного состояния остатка ретиналя и ближайшего к нему белкового окружения в фотохимических процессах в БР. В связи с этим были поставлены следующие основные задачи:

1. Исследовать первичную реакцию в БР.

2. Изучить действие дегидратации, приводящей к ингибиро-ванию реакции 13-цис —► полностью транс фотоизомеризации, на фотохимический цикл БР.

3. Исследовать изменения в структуре хромофорного центра БР, вызванные дегидратацией пурпурных мембран.

В данной работе проведено исследование фотообратимости первичной реакции в БР. На основании полученных данных предложена энергетическая схема первичных процессов в БР, которая отличается от схем, приводимых ранее. Проведено детальное изучение действия дегидратации на хромофорный центр БР. В ходе работы были разработаны и успешно применены такие методы исследования, как получение спектров резонансного комбинационного рассеяния света от твердых фотоактивных образцов, фиксация определенного количества влаги на образце при низкой температуре.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Терпугов, Евгений Львович

ВЫВОДЫ

1. С помощью пикосекундной спектроскопии при низкой температуре показано, что прямая и обратная фотореакция в БР идут по различным путям.

2. На основании полученных данных предложена новая схема энергетических уровней для первичных процессов в БР.

3. При исследовании влияния дегидратации на фотохимические свойства БР показано, что дегидратация приводит к появлению новой фотоактивной формы БР - br5o6 . Фотохимический цикл БР в сухих пленках не включает интермедиата L550 , а время жизни M^jg существенным образом увеличивается.

4. Методами ИК-спектроскопии и резонансного комбинационного рассеяния показано, что дегидратация не приводит к изменению конформации полипептидной цепи, а происходят лишь локальные изменения белкового окружения вблизи протонированной альдиминной группы 13-цис БР. Гипсохромный сдвиг спектра поглощения 13-цис БР до 506 нм обусловлен, в основном, уменьшением расстояния между протонированным альдимином и анионом, а депротонизации и изомеризации шиффова основания при этом не происходит.

5. Подтверждено высказанное ранее предположение Овчинникова и др. о том, что гипсохромному сдвигу спектра при подщелачивании подвержены молекулы полностью-транс БР. Различный характер действия дегидратации и высокой щелочности среды•объясняется различием в микроокружении 13-цис и пол-ностью-транс остатков ретиналя.

6. В сухих пленках пурпурных мембран устанавливается равновесие мелщу молекулами БР, содержащими 13-цис и полно-стью-транс ретиналями. Установление равновесия не зависит от того, адаптирован образец к свету или к темноте, и объясняется тем, что молекулы с полностью-транс формой ретиналя, полученные в результате световой адаптации, не эквивалентны по свойствам молекулам с полностью-транс формой ретиналя, . в исходно присутствующими! темновом препарате.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Терпугов, Евгений Львович, Пущино

1. Балашов С.П., Литвин Ф.Ф. Фотохимические превращения бактериородопсина. - Биофизика, 1981, т. 26, с. 557-570.

2. Берлинер М.А. Измерение влажности. Изд. Энергия, Москва, 1973, 398 с.

3. Бравдмюлер И., Мозер Г. Введение в спектроскопию комбинационного рассеяния света. Изд. Мир, Москва, 1964, 628 с.

4. Крюков П.Г., Лазарев Ю.А., Летохов B.C., Матвеец Ю.А., Терпугов Е.Л., Чекулаева Л.Н., Шарков А. В. Пикосекущный флешфотолиз бактериородопсина из Halobacterium halobium при комнатной и низкой температурах. Биофизика, 1978, т. 123, с. I7I-I73.

5. Крюков П.Г., Лазарев Ю.А., Матвеец Ю.А., Терпугов Е.Л., Шарков А.В. Пикосекундная спектроскопия бактериородопсина при комнатной и низкой температурах. Известия АН СССР, сер. физическая, 1979, т. 43, с. I498-I50I.

6. Лазарев Ю.А., Шныров В.Л. Исследование тепловой денатурации бактериородопсина из Halobacterium halobium . -Биорган. химия, 1979, т. 5, с. I05-II2.

7. Литвин Ф.Ф., Балашов С.П., Синещеков В.А. Исследование первичных фотохимических превращений бактериородопсина в пурпурных мембранах и клетках Halobacterium halobium методом низкотемпературной спектроскопии. Биоорган, химия, 1975, т. I, с. 1767-1777.

8. Маррел Д., Кеттл С., Тедцер Д. Теория валентности. Изд. Мир, Москва, 1968, 520 с.

9. Овчинников Ю.А., Шкроб A.M., Родионов А.В. Спектральный переход бактериородопсина, как иццикатор его состояния в пурпурных мембранах. Биоорган, химия, 1980, т. 6, с. I483-X504.

10. Родионов А.В., Шкроб A.M. Гидролиз альдимина ретиналя в бактериородопсине иццуцированный ионами серебра. Биоорган. химия, 1979, т. 5, с. 376-394.

11. Сушинский М.М. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов. Изд. Наука, Москва, 1969, 576 с.

12. Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений. Изд. Наука, Ленинград, 1967, 616 с.

13. Терпугов Е.Л., Чекулаева Л.Н., Лазарев Ю.А. Исследование влияния дегидратации на бактериородопсин методом резонансной спектроскопии комбинационного рассеяния света. -Молекулярная биология, 1982, т. 16, с. 813-820.

14. Фок М.В. Разделение сложных спектров на индивидуальные полосы при помощи обобщенного метода Аленцева. Труды ФИАН СССР, 1972, т. 59, с. 3-24.

15. Христофоров В.Л., Звонкова Е.Н., Евстигнеева Р.П. К вопросу о природе связи хромофора с белком в родопсине. Исследование спектральных свойств Н-All -транс-ретинилиденбу-таламина. Доклады АН СССР, 1971, т. 200, с. 1227-1228.

16. Христофоров В.Л., Слепнева Л.М. Природа связи хромофора с белком в родопсине. I. Сольватохромия альдиминов ретиналя и его аналогов. Препринт, Черноголовка, 1979, 14 с.

17. Чекулаева Л.Н. Особенности развития культуры Halobacteriumhalobium . Микробиология, 1977, т. 46, с. 288-294.

18. Чернавская Н.М., Чернавский Д.С. Физические аспекты в функционировании бактериородопсина. Препринт № 61, ФИАН СССР, Москва, 1978, 22 с.

19. Эллиот А. Инфракрасные спектры и структура полимеров. -Изд. Мир, Москва, 1972, 159 с.

20. Марков А.В. Установка для спектрально-кинетических измерений с временным разрешением 6 псек. Препринт, ИСАН, № 15,

21. Троицк, Московской обл., 1981, 25 с.

22. Шкроб A.M., Родионов А.В., Овчинников Ю.А. Обратимый фото-индуцированный гидролиз альдимина ретиналя в солюбилизиро-ванном бактериородопсине. Биоорган, химия, 1978, т. 4, с. 354-359.

23. Alfano R.R., Shapiro S.L. Optical photon lifetime measured directly with picosecond pulses. Phys. lett. , v» 8, p. 631-658.

24. Applebury M.L., Peters K.S. , Rentzepis P.M. Primary intermediates in the photochemical cycle of bacteriorhodopsin. -Biophys. J., 1978, v. 23, p. 375-382.

25. Bagley K., Dollinger G., Eisenstein L., Singh A.K., Zima-nyi Ь. Fourier transform Infrared difference Spectroscopy of bacteriorhodopsin and its phrotoproducts. Proc. Hat. Acad. Sci. USA, 1982, v. 79, p. 4972-4976.

26. Balogh-Nair V. , Carriker D., Honig B., Kamat V., Motto M.G. Uakanishi K., Sen M. , Tanis M.A. , Tsu3 imoto K. The opsin shift in bacteriorhodopsin: Studies with artifical bacte-riorhodopsins. Photochem. Photobiology, 1981, v. 33,p. 483-488.

27. Bernstein H.I. Resonance Raman spectroscopy. Advances in Raman spectroscopy, London, p. 310-360, 1973*

28. Blatz P., Mohler J., Havangul H. Anion-induced wavelength regulation of absorption maxima of hiff bases of retinal. -Biochem., 1972, v. 9, p. 858-864*

29. Blaurock A.E., Stoeckenius W. Structure of purple membrane. Uature Kew Biology, 1971, v. 233, p. 152-155*

30. Blaurock A.E., Wober W. Structure of the wall of Halobac-terium halobium gas vesicles. J. Mol. Biology, 1976,v. 106 (3), p. 871-888.

31. Bownds D. Site of attachment of retinal in rhodopsin.

32. Nature, 1967, v. 216, p. 1178-1181.

33. Braiman M. Resonance Raman evidence for all trans-13 cis isomerization in the proton pumping cycle of bacteriorhodopsin. - Biochem., 1980, v. 19, p. 5421-5428.

34. Busch G.E. , Applebury M.L, Rentzepis P.M. Primary photochemical event in vision: Proton translocation. Proc. Hat. Acad. Sci. USA, 1972, v. 74, p. 3119-3123.

35. Callender R., Honig B. Resonance Raman studies of visual pigments. Annu. Rev. Biophys. Bioeng., 1977, v. 6, p. 33-55.34* Carey R.R. Resonance Raman spectroscopy in biochemistry and biology. Quarterly veviws of biophysics, 1978, v. 3, p. 309-370.

36. Drachev L.A., Frolov Т.Н., Kaulen A.D., Liberman E.A., Ostroumov S.A., Plakunova V.A., Semenov A.Yu., Skulachev Y.P. Reconstitution of biological molecular generators of electric current. J. Biol. Chem., 1976, v. 251, p. 70597065.

37. Drachev L.A., Kaulen A.D., Skulachev V.P. Time resolution of the intermediate steps in the bacteriorhodopsin-linked electrogenesis. FEBS lett., 1978, v. 87, p. 161-167.

38. Gill D., Heyde M.E., Rimai L. Raman spectrum of the 11-cis isomer of retinoldenyde. J. Am. Chem. Society, 1971, v. 93, p« 6688-6289.

39. Gillbro T., Kriebel A.H., Wild U.P. On the origin of the red emission of light adapted purple membrane of Halobac-terium halobium. FEBS lett., 1977, v. 78, p. 57-60.

40. Henderson R. The structure of the purple membrane from Halobacterium halobium: Analysis of the X-ray diffraction pattern. J. Mol. Biol., 1975, v. 93, p. 123-138.

41. Henderson R., Unwin P.1T.T. Three-dimensional model of purple membrane obtained by electron microscopy. Nature, 1975, v. 275, p. 28-32.

42. Herz J.M., Packer L. Structural involvement of carboxyi residues in the photocycle of bacteriorhodopsin. PEBS lett., 1981, v. 131, p. 158-164.

43. Heyde M.E., Gill D., Kilponen R.G., Rimai L. Raman spectra of shiff bases of retinal (Model of visual photoreceptors). J. Am. Chem. Soc., 1971, v. 93, p. 6776-6787.

44. Hsieh C»L», Nagumoto M., Nicol M., El-Sayed M.A. Picosecond and nanosecond resonance Raman studies of bacteriorhodopsin» Do configurational changes of retinal occur in picosecond? J» Phys» Chem», 1981, v. 85, p. 2714-2717»

45. Hsieh C»L., El-Sayed M.A., Nicol M., Nadimo M., Lee J.H. Time resolved resonance raman spectroscopy of the bacteriorhodopsin photocycle on the picosecond and nanosecond time scales» - Photochem» Photobiology, 1983, v» 38, p» 83-94»

46. Proc. Hat. Acad. Sci. USA, 1981, v. 78, p. 4068-4072.

47. Kaufmann K.J., Sundstrom U., Yaraane Т., Rentzepiz P.M. Kinetics of the 580 nm ultrafast bacteriorhodopsin transient. Biophus. J., 1978, v. 22, p. 121-124.

48. Kayushin L.P., Skulachev V.P. Bacteriorhodopsin as an electrogenic proton pump: reconstitution of bacteriorhodopsin proteoliposomes generating pH. FEBS lett., 1974, v. 39, p. 39-42.

49. Kesztheyi L., Ormos P. Electric signals associated with the photocycle of bacteriorhodopsin. FEBS lett., 1980, v. 109, p. 189-193.

50. Khorana H.G., Gerber G.E., Herlihy W.C., Gray C.P., Ande-regg R.J., Hihel K., Bilmann K. Amino acid sequence of bacteriorhodopsin. Proc. Hat. Acad. Sci. USA, 1979,v. 76, p. 5046-5050.

51. Korenstein R., Hess B. Hydration effect on cis-trans isome-risation of bacteriorhodopsin. PEBS lett., 1977, v. 82, p. 7-11.

52. Kryukov P.G., Lazarev Yu.A., Terpugov E.L., Matveetz Yu.A., Chekulaeva L.H., Sharkov A.B. Picosecond spectroscopy of deuterated bacteriorhodopsin on the primary event. Stu-dia biophysica, 1981, v. 83, p. 101-108.

53. Lemke H., Oesterhelt D. The role of tyrosine residues in the function of bacteriorhodopsin. Specific nitration of tyrosine 26. Eur. J. Biochem., 1981, v. 115, p. 955-604.

54. Lewis A., Spoonhower J., Bogomolni R.A., Lozer R.H., Stoe-ckenius W. Tunable lazer resonance Raman spectroscopy of bacteriorhodopsin. Proc. Hat.,Acad. Sci. USA, 1974, v. 76, p. 4462-4466.

55. Lozier R.H., Bogomolni R.A., Stoeckenius W. A lightdriven proton pump in Halobacterium halobium. Biophys. J., 1975, v. 15, p. 955-962.

56. Mitchell P. Chemiosmotic coupling in energy transduction. A logical development of biochemical knowledge. J. Bio-energetics, 1972, v. 3, p. 5-24.

57. Miyazava T. Polyamino acids, polypeptides and proteins -ed. Stahman, University Wisconsin press, Madison, 1962, v. 19 p. 201.

58. Marton R.A., Pitt G.A.J. Studies on rhodopsin. 9 pH and the hydrolyses of indicator yellow. Biochem J., 1955, v. 59, p. 128-134.

59. Oesterhelt D., Stoeckenius W. Rhodopsin-like protein from the purple membrane of Halobact erium halobium. Uature Hew Biology, 1971, v. 233, p. 149-152.

60. Oesterhelt D., Hess B. Reversible photolysis of the purple complex in the purple membrane of Halobact erium halobium. Eur. J. Biochem., 1973, v. 37, p. 316-326.

61. Oesterhelt D., Meentzen M., Schumann L. Reversible dissociation of the purple complex in bacteriorhodopsin and identification of 13-cis and all-trans as its chromopho-res. Eur. J. Biochem., 1973, v. 40, p. 453-463.

62. Oesterhelt D., Stoeckenius W. Functions of a new photoreceptor membrane. Proc. Hat. Acad. Sci. USA, 1973, v. 70, p. 2853-3857.

63. Oseroff A., Callender R. Resonance Raman spectroscopy of rhodopsin in retinal disk membranes. Biochem., 1974, v. 13, p. 4243-4248.

64. Ovchinnikov Yu.A., Abdulaev N.G., Feigina M.Yu., Kiselev A.V., Lobanov N.A. Recent findings in the structure-functional characteristics of bacteriorhodopsin. FEBS lett., 1977, v. 84, p. 1-4.

65. Ovchinnicov Yu.A., Abdulaev N.G., Feigina M.Yu., Kiselev A.V., Lobanov IT.A. The structural basis of the functioning of bacteriorhodopsin: an over view. FEBS lett., 1975,v. 100, p. 219-224.

66. Pande J., Callender R.H., Ebrey T.G. Resonance Raman study of the primary photochemistry of bacteriorhodopsin. -Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1981, v. 78, p. 7379-7382.

67. Petters J., Petters R., Stoeckenius W. A photosensitive product of sodium borohydride reduction of bacteriorhodopsin. FEBS lett., 1976, v. 61, p. 128-134.

68. Petters K., Applebury M.J., Rentzepis P.M. Primary photochemical event in vision: proton translocation. Proc. Hat. Acad. Sci. USA, 1977, v. 74, p. 3119-3123.

69. Pettie M.J., Yudd A.P., Nakanishi K., Henselman R., Stoeckenius W. Identification of retinal isomers isolated from bacteriorhodopsin. Biochem., 1977, v. 16, p. 19551959.

70. Schreckenbach 0). , Walekhoff B. , Oesterhelt D. Specificity of the retinal binding site of bacteriorhodopsin chemical and stereochemical requiremens for binding of retinal. -Biochem., 1978, v. 17, p. 5353-5359.

71. Sharkov A.V., Matveetz Yu.A., Chekalin S.V., Konyashenko A.V., Brekhov O.M., Rootskov B.Yu. Fluorescence of bacteriorhodopsin under subpicosecond light excitation. Pho-tochem. Photobiology, 1983, v. 38, p. 109-111.

72. Siebert P., Mantele W. Investigation of the primary photochemistry of bacteriorhodopsin by low-temperature. Eur. J. Biochem., 1983, v. 130, p. 565-573.

73. Sperling W., Carl P., Raffertych N., Dencher H.A. Photochemistry and dark equilibrium of retinal isomers and bacteriorhodopsin isomers. Biophys. Struct. Mech., 1977, v. 3, p. 79-94.

74. Stockburger M., Kluamann V/., Gatteiman H. , Massing G. , Peters R. Photochemical cycle of bacteriorhodopsin studies by resonance Raman spectroscopy. Biochem., 1979, v. 22, p. 4886-4900.

75. Stoeckenius W., Kunav W.H. Further characterization of particular fraction from lysed cell envelopes of Halobacterium halobium and isolation of gas vacuole membranes. -J. Cell Biol., 1968, v. 38, p. 337-357.

76. Stoeckenius W., Lozier R.H. bight energy conversion in Halobacterium halobium. J. Supramol. Struc., 1974, v. 2, p. 769-774.

77. Stoeckenius W,, Lozier R.H., Bogomolni R.A. Bacteriorhodopsin and purple membrane of halobacteria. Biochem. Bio-phys. Acta, 1979, v. 505, p. 215-278.

78. Sumper M., Herrmann G. Biogenesis of purple membrane: regulation of bacterio-opsin synthesis. FEBS lett., 1976,v. 71, p. 333-337.

79. Tokunaga P., Govindjee R., Ebrey T.G., Crouch R.K. Synthetic pigment analogs of the purple membrane protein. -Biophys. J., 1977, v. 19, p. 191-198.

80. Thomson A.J. Proteins which bind poliens and react with protons. Nature, 1975, v. 254, p. 178-179.

81. Unwin Р.Ж.Т., Henderson R. Molecular structure determination by electron microscopy of instained crystalline specimens. J. Mol. Biol., 1975, v. 94, p. 425-440.

82. Wald G., Brown P.K., Hubbard R., Oroshnik W. Hundered cis isomers of vitamin A and retinene: the structure of the neo-b isomer. Proc. Hat. Acad. Sci. USA, 1955, v. 41, p. 438-442.

83. Wald G. Molecular basis of visual excitation. Science, 1968, v. 162, p. 230-239.

84. Yoshizawa Т., Wald G. Pre-lumirhodopsin and the bleaching of visual pigments. Hature, 1963, v. 197, p. 1279-1283.