Wirkungsspektrum für Neuorientierungen in Bakteriorhodopsin der Purpurmembran in Suspension

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7916 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In der vorliegenden Studie hat die Abhängigkeit der dielektrischen Reaktionen der Purpurmembran (PM) von der Wellenlänge des Lichts im Bereich von 380–750 nm bedeutsame Veränderungen hinsichtlich der Rotation von PM in Suspension und der Rotation des Bakteriorhodopsin (bR)-Trimers innerhalb von PM gezeigt , sowie. Das Wirkungsspektrum des PM Random Walk untermauert die Existenz zweier bR-Zustände. Einer davon (blauer Randzustand) liegt am blauen Rand und der andere (roter Randzustand) am roten Rand der sichtbaren Absorption von bR. Die Ergebnisse könnten sich auf die Korrelation dieser Banden mit einigen bR-Photozyklus-Zwischenprodukten oder bR-Photoprodukten auswirken. Die Ergebnisse deuten auf die Protein-Chromophor-Wechselwirkungen hin, die letztendlich den Protein-Lipid-Wechselwirkungen zugrunde liegen. Die Unterbrechung des Protein-Lipid-Kontakts während der Beleuchtung mit Licht der Wellenlängenbereiche (410–470 nm) und (610–720 nm) hat zur Entstehung einer deutlichen dielektrischen Dispersion bei 0,06–0,08 MHz geführt, die mit der Größe von bR vergleichbar ist Trimer oder Monomer. Die Arbeit berichtet über die chromatische Anpassung von bR im Hinblick auf die dielektrischen Spektralparameter von PM. Ziel war es, eine scheinbar gefundene Korrelation zwischen der Lichtwellenlänge und den Relaxationen des bR-Trimers in PM zu untersuchen. Änderungen in der Rotationsdiffusion des bR-Trimers bei Beleuchtung mit blauem und rotem Licht können die dreidimensionale Datenspeicherung basierend auf bR beeinflussen, was möglicherweise einen Einfluss auf bR in der Bioelektronik hat.

Das photochrome Bakteriorhodopsin (bR)1 ist das einzige Protein, das in der Purpurmembran (PM) des Archaeons Halobacterium salinarum (Hs) vorkommt. bR gehört zur Familie der Retinalproteine, die die gleiche Topologie wie G-Protein aufweisen, d. h. aus 7 α-Helices bestehen, weshalb bR potenzielles Interesse im Bereich der Signaltransduktion hat2. Darüber hinaus wurde bR aufgrund seiner photochromen, photoelektrischen und einzigartigen Stabilitätseigenschaften im Bereich der Bioelektronik attraktiv3. Die vorliegende Studie hat gezeigt, dass bR abhängig von der Wellenlänge des Beleuchtungslichts zwei Zustände hat. Die Ergebnisse legen nahe, dass Lipide eine wesentliche Rolle bei der Entstehung dieser beiden Zustände spielen. Lipide spielen eine entscheidende Rolle für die Funktionalität von bR. PM-Lipide4,5 bilden zusammen mit bR-Trimeren eine hexagonale Struktur. Es ist bemerkenswert, dass Lipide im Allgemeinen durch Polymorphismus gekennzeichnet sind. Veränderungen im Random Walk von PM hängen mit Veränderungen in der Geometrie von PM zusammen. Solche äußeren Veränderungen können auf gleichzeitige Veränderungen in der inneren Anordnung des PM zurückzuführen sein. Studien zur globalen Struktur von PM-Fragmenten können jedoch frühere ungelöste Verhaltensweisen klären, anstatt nur die lokale Feinstruktur zu untersuchen. Als nicht-optische Technik ermöglicht die dielektrische Spektroskopie6 in ihren zeitunabhängigen Messungen die Überwachung von Neuorientierungen in PM und die Erstellung eines Aktionsspektrums chromatischer PM-Reaktionen.

Das photochrome bR fungiert als Protonenpumpe. Das Pumpen von Protonen erfolgt durch einen photochemischen Zyklus7,8, der innerhalb von bR initiiert wird und einfach aus fünf Zwischenprodukten besteht, die wie folgt dargestellt werden: (wobei sich der Index auf die Wellenlänge bei maximaler Absorption bezieht) BR568 → K610 → L550 → M412 → N550 → O640 → bR568. Der vektorielle Transport des Protons konnte als elektrisches Signal nachgewiesen werden9,10. Das Aktionsspektrum aufgrund des elektrischen Signals in bR wurde untersucht11 und zeigte eine Bande, die der Absorptionsbande von bR folgte. Es wurde festgestellt, dass das Wirkungsspektrum in der vorliegenden Studie die Existenz von zwei stationären Zuständen von bR untermauert. Einer von ihnen liegt am blauen Rand (man nennt ihn „blauer Rand“-Zustand) und der andere am roten Rand (man nennt ihn „roter Rand“-Zustand) der sichtbaren Absorption von bR. Daher war es in der vorliegenden Arbeit von Interesse, über die Wellenlängenabhängigkeit der dielektrischen Reaktionen der PM-Suspension im stationären Zustand über die zeitliche Auflösung des bR-Photozyklus des Protonenpumpens hinaus zu berichten.

Der bR von PM von Halobacterium salinarum wurde von Sigma Co. erhalten. Eine PM-Stammlösung (von 5 µM) wird basierend auf einem molaren Extinktionskoeffizienten12 (bei 568 nm) von 63.000 cm−1 M−1 angepasst. Die Messung von PM wird in destilliertem Wasser bei Umgebungstemperatur und neutralem pH-Wert durchgeführt. Zur Anpassung an die Dunkelheit wird der PM-Suspensionsbestand in Gruppen aufgeteilt, die im Dunkeln bei Umgebungsbedingungen inkubiert werden. Für dunkeladaptierte Proben sollte die PM-Suspension ausreichend im Dunkeln (vorzugsweise drei Wochen) aufbewahrt werden. Es ist jedoch wichtig, vor der Messung die eigene Dunkelinkubation der betreffenden Probe zu bestimmen.

Die bR-Probe wird über eine Testvorrichtung (Hioki 9261) mit einem LCR-Analysator (Hioki 3532) verbunden, der über eine RS-232C-Kreuzkabelschnittstelle mit einem Personalcomputer verbunden ist. Die vom Hioki 3532 bereitgestellte Pegeleinstellung kann Leerlaufspannung (V), Konstantspannung (CV) oder Konstantstrom (CC) sein. Der Konstantspannungsmodus (CV) wurde sowohl für den lichtadaptierten als auch den dunkeladaptierten Zustand der violetten Membransuspension ausgewählt. Die eingestellte Spannung war bei 1 V sowohl für hell- als auch dunkeladaptierte Proben gleich.

Die dielektrischen Daten werden im Frequenzbereich von 42 Hz bis 5 MHz erfasst. Die Messung erfolgt durch gleichzeitige Erfassung von Parallelkapazität (C) und Widerstand (R) der Probenlösung. Für die dielektrischen Messungen wird eine Zelle aus Glas verwendet, deren Elektroden aus platiniertem Platin bestehen. Der Wert der Zellkonstante (K) konnte unter Verwendung einer Methanollösung auf 0,0265 m−1 bestimmt werden, die während der Kurvenanpassung für die gemessenen Daten von C und R konstant gehalten wird. Der Aufbau der Messelektrode wird entsprechend angepasst um die Impedanz der Elektrodenpolarisation zu minimieren6,13,14. Die Restimpedanz der Elektrodenpolarisation wird in den durchgeführten Iterationen berücksichtigt, um die experimentellen Daten anzupassen.

Ein selbstgebauter Aufbau, der einen Gittermonochromator zusammen mit seinem vom herkömmlichen sichtbaren Spektrophotometer abmontierten Lichtsystem nutzt, wird verwendet, um die PM-Suspension während der chromatischen Inkubation für einen Zeitraum von 5 Minuten vollständig zu beleuchten. Die Beleuchtung erfolgte mit einer Spektrophotometer-Wolframlampe, unmittelbar gefolgt von der Aufnahme von C und R. Auch während dieser Aufnahme wird die Beleuchtung mit der gleichen Wellenlänge fortgesetzt. Die gleichen Schritte werden bei jeder interessierenden Wellenlänge im Bereich von 380–750 nm durchgeführt, vorausgesetzt, dass die an die Dunkelheit angepasste Probe in der dunklen Hülle des Probenhalters aufbewahrt wird und selbst vor schwachem Tageslicht geschützt ist. Die Empfindlichkeit gegenüber optischen Störungen könnte einen dazu anregen, bei der Messung in dunkeladaptierten Zuständen bewusster zu sein.

In diesem Bericht wurden dielektrische Messungen für bR in seiner natürlichen Membran (PM), dh nicht rekonstituiert in der Membran, vorgestellt. Der dielektrische Ansatz wurde verwendet, um die Rotation von bR in PM, Retinal in bR und PM in Suspension zu untersuchen. Es ist bekannt, dass PM in der Ebene der Membran ein zweidimensionales hexagonales Kristallgitter bildet. Das Gitter besteht aus bR, das in Trimeren geclustert ist. Das bR-Monomer hat die Form eines Meniskus (dh drei Menisken bilden einen Kreis pro Trimer). bR bildet zusammen mit Lipidmolekülen das Gitter. Pro bR-Monomer wurden zehn Lipidmoleküle gefunden15. Lipide füllen die Räume zwischen bR-Monomeren und zwischen bR-Trimeren. Bekanntlich absorbiert bR in seinem lichtadaptierten Zustand (B-Zustand) Licht maximal bei 568 nm und kehrt spontan im Dunkeln durch thermische Isomerisierung in seinen dunkeladaptierten Zustand (D-Zustand) zurück, wo es Licht maximal absorbiert bei 558 nm. Das Licht in beiden Zuständen (B und D) wird bei seiner Absorption durch bR in molekulare Veränderungen umgewandelt. Diese Veränderungen werden im gesamten PM als Folge der Lichtenergieabsorption wahrgenommen. Mit anderen Worten: Die molekularen Veränderungen könnten sich als Veränderungen in der dielektrischen Funktion von PM manifestieren. Die Determinanten der Wellenlänge bei maximaler Absorption von bR unterscheiden sich in ihrer Stärke und liegen Veränderungen in der dielektrischen Funktion von bR zugrunde. Dementsprechend ist es vernünftig anzunehmen, dass die lichtinduzierte dielektrische Reaktion in bR von der Wellenlänge des Beleuchtungslichts abhängt. Die dielektrische Reaktion von bR im Inneren von PM in Suspension ist in Abb. 1 dargestellt. Wie aus Abb. 1 ersichtlich ist, gibt es drei mit 1, 2 und 3 bezeichnete Dispersionen, die die dielektrische Funktion von PM im Frequenzbereich (42) beschreiben Hz–5 MHz). Dispersion 1 (bei etwa 1–20 Hz) wird der Rotation der PM-Fragmente in Suspension zugeordnet. Abhängig von den Umständen, die den PM-Zustand bestimmen, kann es sich bei PM um gekräuselte oder flache Flecken16 handeln. Dispersion 2 (bei etwa 0,06–0,08 MHz) wird der Rotation der bR-Trimere oder bR-Monomere innerhalb von PM zugeordnet. Die Proteinmobilität innerhalb der Membran sollte eine biologische Bedeutung haben, die mit den physiologischen Funktionen von bR in vivo übereinstimmt. Was die dritte Streuung betrifft, die bei etwa 2–20 MHz liegt, wird sie der Streuung einer Gruppe innerhalb von PM oder dem Chromophor (Retinal) innerhalb von bR zugeschrieben. Solche Zuordnungen in Abb. 1 zeigen die erste und zweite Streuung im Normalfall; nämlich. Debye weist eine normale Absorptionsdispersion auf, während die dritte eine anomale Dispersion aufweist; nämlich. Resonanzabsorptionsgehäuse. Allerdings können Moleküle als elastische Systeme elektrischer Ladungen betrachtet werden. Sie können als harmonische Oszillatoren betrachtet werden. Wenn die Erregerfrequenz mit der Eigenfrequenz des Oszillators übereinstimmt, tritt die Resonanz auf. Die charakteristische Kurve, die die Beziehung zwischen dem Realteil der dielektrischen Permittivität und der Kreisfrequenz (ω) bei der Resonanz beschreibt, wird in Untersuchungen des Dielektrikums als anomale Dispersion definiert (wie aus Dispersion 3 in Abb. 1 ersichtlich).

Die Zuordnung der dielektrischen Dispersionen zeigt die Anpassungslinie durch die experimentellen Datenpunkte. Dispersion 1: die Rotation der Purpurmembran in Suspension, Dispersion 2: die Rotation des bR-Trimers oder Monomers innerhalb der Purpurmembran und Dispersion 3: die Ausrichtung von Retinal oder einer anderen Einheit innerhalb von Bakteriorhodopsin.

Die dielektrischen Reaktionen von bR-haltigem PM im Frequenzbereich von 42 Hz bis 5 MHz in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Beleuchtungslichts im Bereich von 380 bis 750 nm wurden gemessen und einige davon sind in Abb. 2 dargestellt. Eine Beobachtung In der vorliegenden Studie ist zu beachten, dass bei der Beleuchtung des D-Zustands mit Licht im Bereich von (460–470 nm) oder Licht im Bereich von (630–720 nm) eine deutliche dielektrische Dispersion (Dispersion 2) entsteht 0,06–0,08 MHz. Diese deutliche Streuung wurde auch bei Beleuchtung mit anderen Wellenlängen gefunden, jedoch mit sehr geringen Spannungsfestigkeiten (z. B. bei 490 nm), wie in Abb. 2 zu sehen ist. Die gemessenen Datenpunkte von R und C werden entsprechend an eins oder zwei angepasst normale Dispersionen (mit Cole-Modell17) plus ein zusätzlicher Term für die anomale Resonanzdispersion. Die Kurvenanpassung von R und C wurde gleichzeitig durchgeführt. Wie in Abb. 1 dargestellt, verlaufen angepasste Linien durch die gemessenen Datenpunkte sowohl des Realteils der dielektrischen Permittivität als auch des Verlustfaktors (oder Verlustfaktors, tan δ). Hierbei ist zu beachten, dass die Anpassungslinie bei der letzten Streuung über die gemessenen Datenpunkte hinaus verlängert wird. Aus dem Kurvenanpassungsprozess ließen sich viele dielektrische Parameter ermitteln, die zu den drei Dispersionen gehören. Zur Darstellung des Wirkungsspektrums wurde lediglich die Resonanzfrequenz der Dispersionen gewählt.

Dielektrische Spektren gemessen bei blauer und roter Lichtbeleuchtung. Die Abbildung zeigt die relative Permittivität und den Verlustfaktor (tan δ) einer Purpurmembran, die Bakteriorhodopsin enthält.

Bekanntlich bestimmt die charakteristische Frequenz einer Orientierungsdispersion den Rotationsdiffusionskoeffizienten des gedrehten Objekts. Es konnte ein geschätzter Wert für den PM-Rotationsdiffusionskoeffizienten (Dr) ermittelt werden. Wenn man berücksichtigt, dass der Dichroismus (oder die Doppelbrechung) mit einer Relaxationszeit abnimmt, die einem Drittel der dielektrischen Dispersion (τ) entspricht, kann der Rotationsdiffusionskoeffizient als Dr = 1/(2τ) geschrieben werden. Daher könnte man aus der Resonanzfrequenz der Dispersion 1 den Wert des Rotationsdiffusionskoeffizienten für PM in Suspension abschätzen, wie in Abb. 3 dargestellt. Die Daten in Abb. 3 passen gut in die Gaußsche Verteilung mit zwei Bändern ( blaue und rote Streifen); Die Daten der der Kurve überlagerten Spitzen wurden vom Anpassungsverfahren ausgeschlossen. Gemäß der Gaußschen Anpassung liegen die blauen und roten Kantenbänder bei 410 nm bzw. 620 nm. Für Dispersion 2 konnte der Rotationsdiffusionskoeffizient des bR-Trimers in PM bestimmt werden. Diese Rotation des Trimers liegt höchstwahrscheinlich im Normalbereich von PM18. Für die rekonstituierte apobraune Membran von Halobacterium halobium19 wurde bereits ein Rotationsdiffusionskoeffizient von bR um die Normale zur Membran von 0,23 × 104 s−1 bei 22 °C bestimmt, während er 0,23 × 104 s−1 und 1,1 × 105 s betrug −1 für Protein:Lipid-Verhältnis von 1,69 bzw. 0,25 bei 25 °C für bR, rekonstituiert in Lipidvesikeln mit unterschiedlichem Protein:Lipid-Verhältnis20. In anderen Arbeiten21 wurde festgestellt, dass die Werte des Rotationsdiffusionskoeffizienten von im Lipidsystem rekonstituiertem bR im Bereich von 5–10 × 104 s−1 liegen. Diese Werte des Rotationsdiffusionskoeffizienten stehen im Vergleich zu einem in der vorliegenden Studie ermittelten Durchschnittswert von 60 × 104 s−1. Es ist zu beachten, dass der aktuelle Wert für die bR-Rotation in nativen Lipiden von PM gilt; nicht in rekonstituierten Membranen. Offensichtlich ist das vorliegende Ergebnis um eine Größenordnung größer. Der Rotationsdiffusionskoeffizient hängt vom Quadrat der Molekülgröße in der Membranebene ab. Darüber hinaus könnte die Viskosität von Lipiden in PM für die vorliegenden Ergebnisse verantwortlich sein. Die Membranviskosität hängt stark von der Proteinkonzentration ab. Die Aggregatzustände von bR im rekonstituierten Membransystem und im PM sind sehr unterschiedlich. Das Fehlen von Retinal bei der Rekonstitution der apobraunen Membran könnte ebenfalls für das vorliegende Ergebnis verantwortlich sein.

Aktionsspektrum aufgrund des Rotationsdiffusionskoeffizienten (Dr) in s−1 der violetten Membran in Suspension. Die dicke durchgezogene Linie, die durch die Datenpunkte verläuft, ist auf die Gaußsche Anpassung zurückzuführen, während die dünne gestrichelte Linie nur dazu dient, das Auge auf Spitzen zu lenken, die der Kurve überlagert sind und von der Kurvenanpassung ausgeschlossen wurden. Gemäß der Gaußschen Anpassung liegen die blauen und roten Kantenbänder bei 410 nm bzw. 620 nm.

Die Wellenlängenabhängigkeit der Resonanzkreisfrequenz (ωo) gehört zur dielektrischen Dispersion 3, die einer Gruppe oder Netzhaut innerhalb von bR zugeordnet ist, wie in Abb. 4 dargestellt. In ähnlicher Weise wurden die Daten in Abb. 4 in eine Gaußsche Verteilung eingepasst in Abb. 3. Gemäß der hier vorliegenden Gaußschen Anpassung liegen die blauen und roten Kantenbänder bei 450 nm bzw. 630 nm. Dementsprechend könnte der Position der blauen und roten Kantenbänder ein Durchschnittswert von 430 nm bzw. 625 nm zugeordnet werden. Es sollte betont werden, dass die Ausrichtung der Netzhaut nicht durch dielektrische Spektroskopie bestimmt werden kann. Abbildung 4 vermittelt zumindest qualitativ einen indirekten Eindruck von Veränderungen in der Netzhautausrichtung. Es ist vernünftig, dass entweder Konformationsänderungen in bR oder Rotationen von bR mit größerer Wahrscheinlichkeit mit der Neuausrichtung der Netzhaut einhergehen. Zu beachten ist, dass die Reorientierung von Retinal beispielsweise durch die Tryptophanreste eingeschränkt ist. Man sollte bedenken, dass das Vorhandensein sperriger Tryptophanreste möglicherweise zu einer dichten Packung der Aminosäureseitenketten sowohl um die Polyenkette als auch um den Retinalring führt. Es wurde jedoch festgestellt, dass es zu einer Aufwärtsbewegung der Netzhaut kommt, die sich in einer Zunahme des Winkels des Netzhautübergangsmoments um 2,2° zusammen mit der Bewegung der Helix (G) manifestiert, die durch Röntgenbeugung von PM22 beobachtet wurde. Diese Bewegungen wurden als Kompensation der Proteineinheit angesehen, die als Folge des Photoisomerisierungsprozesses der Netzhaut bei der Absorption von Lichtphotonen von wesentlicher Bedeutung ist.

Wirkungsspektrum aufgrund der Dispersion von Netzhaut- oder anderen Entitäten in Bakteriorhodopsin. Dies wird durch die charakteristische Kreisfrequenz der Dispersion in s−1 dargestellt. Die dicke durchgezogene Linie ist auf die Gaußsche Anpassung zurückzuführen, während die dünne gestrichelte Linie als Orientierungshilfe für die kleinen, auf der Kurve überlagerten Spitzen dient, die ebenfalls vom Kurvenanpassungsverfahren ausgeschlossen wurden. Gemäß der hier vorliegenden Gaußschen Anpassung liegen die blauen und roten Kantenbänder bei 450 nm bzw. 630 nm.

Das Wirkungsspektrum (wie in Abb. 3 und in Abb. 4 dargestellt) folgt nicht dem Absorptionsspektrum von bR. Sie spiegeln jedoch ein änderungsähnliches Differenzspektrum zwischen zwei spezifischen bR-Zuständen wider. Im Gegensatz dazu wurde in einer Studie, die sich mit der Messung des elektrischen Reaktionssignals von Proteinen befasste, festgestellt, dass das Aktionsspektrum des elektrischen Signals von bR in PM im Allgemeinen seinem Absorptionsspektrum folgt11. Das elektrische Reaktionssignal des Proteins spiegelt jedoch die funktionelle Protonenpumpaktivität von lichtadaptiertem bR wider, während das vorliegende Experiment für Messungen im stationären Zustand von bR vorgesehen ist. Das dargestellte Wirkungsspektrum (wie in Abb. 3 und 4) zeigt stattdessen zwei kontinuierliche Banden, eine am blauen Rand (ca. 430 nm) und die andere am roten Rand (ca. 625 nm) der sichtbaren Absorptionsbande von bR Die Spitze liegt im gelblich-grünen Bereich (ca. 570 nm), wie nur aus Abb. 3 ersichtlich ist. Abb. 3 zeigt ein Aktionsspektrum, das auf die Rotation von PM in Suspension zurückzuführen ist, während Abb. 4 ein Aktionsspektrum zeigt, das die Streuung von Retinal in bR (oder einer anderen Gruppe in PM) widerspiegeln könnte. Anscheinend weisen diese Aktionsspektren einen gewissen Zusammenhang mit den Konformationsänderungen auf, die während der bR-Photoreaktion im monochromatischen lichtadaptierten oder dunkeladaptierten Zustand auftraten.

Die Netzhaut als zentrale Einheit ist ein wichtiger Bestandteil der Lichtempfindlichkeit von bR. Es ist innerhalb von bR über eine protonierte Schiff-Base mit Lys216 verbunden. Der Proteinanteil (sowohl um die Netzhaut als auch um sein aktives Zentrum herum) ist für die Wellenlänge bei maximaler Absorption verantwortlich. Diese Wechselwirkung zwischen Protein und Chromophor liegt dem Wesen des Lipid-Protein-Kontakts zugrunde (dh liegt dem Wesen der Existenz des bR-Kristallgitters in PM zugrunde). Es wurde gezeigt, dass das bR-Kristallgitter für die In-vivo-Physiologie von bR23 wichtig ist. Die Existenz zweier bR-Zustände (blauer und roter Randzustand) könnte mit dem bR-Gitter zusammenhängen. Der Zusammenhang zwischen dem Aggregatzustand von bR und seiner Aktivität dürfte von Interesse sein, insbesondere im Hinblick auf das Kristallgitter. Der Aggregatzustand von bR hängt von den Lipiden in PM ab. Das Auflösen des Lipid-Protein-Kontakts führt höchstwahrscheinlich zur Rotation von bR-Trimeren in PM (oder von bR-Monomeren in den Trimeren). Die Neuorientierungen in PM wurden in der vorliegenden dielektrischen Studie für den stationären Zustand von bR über die feinen Details seines Photozyklus hinaus untersucht. Die Neuorientierung der Trimeren wurde im Frequenzbereich von (0,06–0,08 MHz) beobachtet. Ein solcher Frequenzbereich ist vergleichbar mit der Größe des Trimers oder Monomers. Es ist bemerkenswert, dass Neuorientierungen in PM bereits untersucht wurden, allerdings während des Photozyklus von bR, unter Verwendung linearer Dichroismus-Spektroskopie24,25,26 und auch im Hinblick auf das trimere bR-Gitter diskutiert.

Eine Beobachtung in der vorliegenden Studie ist, dass sich die Rotationen von PM bei blauen und roten Wellenlängen des Beleuchtungslichts ändern. Dies impliziert einen indirekten Zusammenhang der Lipid-Protein-Wechselwirkungen mit den Determinanten der Wellenlänge der Lichtabsorption. Dieser indirekten Verbindung liegt die Proteinzusammensetzung selbst zugrunde, die in der Netzhauttasche und um das aktive Zentrum des Chromophors herum vorkommt. Das heißt, die Determinante der Wellenlänge der Absorption, Isomerisierung und Bindungsrotation von Retinal kann aus der Zusammensetzung des Proteins abgeleitet werden. Die Lipide stehen in Kontakt mit Proteinen; Lipide fungieren als Klebstoff, der die Monomere untereinander und auch die Trimeren untereinander verbindet und so ein zweidimensionales hexagonales Gitter bildet. Dementsprechend würde Lipid basierend auf seiner ursprünglichen Konfiguration als indirekte Determinante der Isomerisierung von Retinal angesehen werden; nämlich. all-trans, 13 cis oder jede andere Konformation. Das ist einerseits so. Andererseits verfügt die Netzhaut über Spezifikationen, die ihre Tasche in der Proteinmatrix gut unterbringen. Wie aus der Literatur bekannt ist, katalysiert das bR-Protein die Isomerisierung von Retinal und könnte daher stereospezifisch sein. Man geht davon aus, dass Lipide als entscheidende Determinante der bR-Struktur auch an dieser proteinkatalysierten Stereospezifität beteiligt sind. Wenn man Protein als „operierende“ Einheit und Retinal als „zentrale“ Einheit betrachtet, würde man konzeptionell eine „vermittelnde“ Einheit einführen, um diese beiden Einheiten zu verbinden. Diese „vermittelnde“ Einheit würde ausschließlich aufgrund ihres paradoxen Verhaltens dem Lipid zugeordnet werden, d. h. während Lipid selbst eine Bedeutung für die Existenz von bR-Trimeren im Gitter darstellt; Es ist auch für die Zerlegung des bR-Gitters verantwortlich. Da das bR-Monomer Protonen pumpt27,28, soll das Lipid spezifische vermittelnde Wirkungen im bR-Gitter haben, um solch hochorganisierte PM in einen thermodynamisch günstigen Zustand zu versetzen. Anscheinend stellen PM-Lipide eine nicht-lokale Verbindung mit der Netzhaut her, oder genauer gesagt mit der Tasche der Netzhaut, dh ihrer „Hülle“ innerhalb der Proteinmatrix, wobei die Konfiguration der Tasche je nach Konfiguration der Netzhaut unterschiedlich sein kann. Es wurde beobachtet, dass die Entfernung des Chromophors die Lipid-Protein-Wechselwirkungen in Lipid-Vesikel-Studien verändert29 und zu Veränderungen im Kristallgitter führt30,31. Sogar die Beleuchtung mit kontinuierlichem Licht verursachte eine Photobleichung32 von bR (dh eine Entfernung von Netzhaut, wenn keine Hydrolysereagenzien verwendet wurden). Diese beiden Beobachtungen werfen Licht auf die nichtlokale Verbindung zwischen Netzhaut und Lipiden. Diese Ansichten bevorzugen das Lipid-vermittelnde Konzept, beispielsweise beim Umschalten zwischen zwei bR-Zuständen, z. B. zusammengesetzten/demontierten Zuständen des bR-Gitters. Dementsprechend scheint eine Korrelation zwischen der Zerlegung des bR-Kristallgitters und den beiden kontinuierlichen Bändern bei rotem und blauem Licht zu bestehen. Dies kann im Folgenden rationalisiert werden. Es wurde kein Lösungsvermittler verwendet, aber es ist die Wirkung der Beleuchtung mit blauem und rotem Licht, die während der Zeit der bR-Inkubation unter Lichteinwirkung zu Neuorientierungen von BR-Trimeren (oder Monomeren) geführt hat. Unterschiedliche Lichtwellenlängen können zu unterschiedlichen Anpassungen der Netzhauttasche im Hinblick auf Netzhaut-Protein-Wechselwirkungen führen. Infolgedessen könnten die Wechselwirkungen zwischen Netzhaut und Protein auch indirekten Wechselwirkungen zwischen Netzhaut und Lipid zugrunde liegen. Die gleichzeitige Entwindung von Lipiden könnte zu einem reversiblen Zerlegungszustand der bR-Trimere führen.

Der Proteingehalt von 75 % und der Lipidgehalt von 25 % (nach Gewicht) im PM könnten mit dem in Abb. 3 gezeigten Rotationsdiffusionskoeffizienten in dem Sinne korrelieren, dass der Lipidgehalt zusammen mit dem Konfigurationszustand des Lipids zur Bestimmung beigetragen werden könnte die Steifheit der Purpurmembran. Basierend auf der Steifheit der Purpurmembran konnten ihre Form und Geometrie im Hinblick auf den Lipidpolymorphismus bestimmt werden. Grundsätzlich sind Form und Geometrie entscheidend für den Rotationsdiffusionskoeffizienten. Die lichtinduzierten Veränderungen der PM im Hinblick auf Lipid-Protein- und Netzhaut-Protein-Wechselwirkungen könnten zu Variationen in der Rotationsdiffusion führen. Diese Schwankungen sind gering, werden jedoch bei Beleuchtung mit blauem und rotem Licht deutlich, wie in Abb. 3 dargestellt. höchstwahrscheinlich als Folge der Rotation der bR-Trimere bei blauem und rotem Licht.

Wie oben erwähnt, folgt das Aktionsspektrum nicht dem Absorptionsspektrum des B-Zustands, sondern möglicherweise dem Absorptionsspektrum zweier Photoprodukte des Photozyklus. Diese beiden Photoprodukte wären für die Rotation des bR-Trimers und/oder des bR-Monomers innerhalb von PM relevant. Diese Photoprodukte scheinen relevant zu sein für: (a) den M-Zustand von bR, der Licht bei 412 nm entsprechend dem vorliegenden blauen Randzustand absorbiert, und (b) den O-Zustand von bR, der Licht bei 640 nm entsprechend dem vorliegenden roten Randzustand absorbiert Zustand. Bekanntlich sind M- und O-Zustände Zwischenstufen des Photozyklus des lichtadaptierten Zustands von bR. Alternativ könnte man annehmen, dass diese beiden Photoprodukte (entsprechend den blauen und roten Randzuständen) möglicherweise mit anderen blaues Licht absorbierenden bzw. rotes Licht absorbierenden Photoprodukten zusammenhängen, die aus einem Photozyklus resultieren könnten, der durch den dunkeladaptierten Zustand von bR ausgelöst wird . Die vorliegende Studie befasste sich zunächst mit einer dunkeladaptierten bR-Probe, die bei Lichteinstrahlung den Photozyklus von dunkeladaptiertem bR33 initiieren könnte. Schließlich schließt die obige Interpretation weder die Möglichkeit des sogenannten Blaulichtsyndromeffekts34,35 noch des Rotlichteffekts aus. Es wurde jedoch vermutet, dass das rote Licht eine Dunkeladaptation in bR36 verursacht; Dieses rote Licht37 kann auch einen Syndromeffekt haben. Offensichtlich sind weitere Studien erforderlich, um die genauen Details dieser beiden bR-Zustände aufzuklären. die sogenannten Blue-Edge- und Red-Edge-Zustände.

Alle Daten finden Sie im Artikel.

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Hamdy IA Mostafa

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Der Autor erklärt, dass alle Daten intern erstellt wurden und keine Papierfabrik genutzt wurde.

Korrespondenz mit Hamdy IA Mostafa.

Der Autor gibt keine Interessenkonflikte an.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mostafa, HIA Aktionsspektrum für Neuorientierungen in Bakteriorhodopsin der Purpurmembran in Suspension. Sci Rep 13, 7916 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35121-8

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Eingegangen: 30. Januar 2023

Angenommen: 12. Mai 2023

Veröffentlicht: 16. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35121-8

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