紫膜

紫膜 purple membrane 為鹽生鹽桿菌（Halobacterium halobium）和紅皮鹽桿菌（H．cutirubrum）等嗜鹽性細菌在厭氧條件下和明亮處生長時於細胞膜上形成的斑狀紫色膜。

基本介紹

• 中文名：紫膜
• 外文名： purple membrane 
• 成分：細菌視紫紅質的色素蛋白，脂質
• 結構特性：碎片形式
• 直徑：大約為0．5微米

簡介

用低滲溶液處理菌體，則可以使此膜游離出來，通過密度梯度離心法分級，可以得到板狀的膜片段。H．halobium的紫膜成分的75%為細菌視紫紅質的色素蛋白，其餘的25%為脂質。細菌視紫紅質在紫膜中形成三聚體，在0.7nm分辨力下，可以得到此三聚體在膜平面內以六方形晶格狀排列的三維結構圖像。

結構特性

紫膜在嗜鹽菌原生質膜上以碎片形式存在，直徑大約為0．5微米，厚度5納米（相當於10的負9次方米），它與原生質膜上其餘部分紅膜共面。碎片中的唯一蛋白質細菌視紫紅質以三體形式二維六角形晶格排列在天然紫膜中，蛋白占紫膜乾重的75%，其餘25%為類脂。晶格尺寸為14納米，兩個蛋白質中心距離約1．5納米，每個碎片有10萬個細菌視紫紅質分子。

每個細菌視紫紅質分子由248個胺基酸殘基的肽鏈組成，其分子量為26000。該肽鏈在空間捲曲摺疊形成7條跨膜螺旋柱， N端在細胞膜外側， C端在細胞膜內側，螺旋柱基本垂直於細胞膜。每個細菌視紫紅質結合一個生色團視黃醛，位於216位的賴氨酸上，處於靠近肽鏈 C端細胞膜內側。

這種晶格結構排列在生物膜中很獨特，增加了膜結構的穩定性，也有利於進行結構分析，使其成為目前生物膜結構研究中最為清楚的膜蛋白之一。1975年Henderson首次解析得到了解析度為0．7納米的細菌視紫紅質的晶格結構。雖然解析度不太高，但當時已經是膜蛋白的結構研究的開創性工作，並奠定了細菌視紫紅質結構研究的基礎。

套用

伴隨著電子晶體學的發展，低溫電子顯微鏡以及 X射線晶體衍射技術在細菌視紫紅質結構研究中的套用，目前已在0．155納米的解析度水平上揭示了細菌視紫紅質的表面信息，質子通道內部和分子表面電荷數量和分布情況，內部水分子的位置以及光異構化過程中的變化。

功能特性

光化學循環

所謂光循環就是光碟機動的一系列中間產物的產生，最終又回到初始狀態的原始細菌視紫紅質。紫膜的功能單元是細菌視紫紅質，細菌視紫紅質具有暗適應性和光適應性兩種，它們之間可以相互轉化。暗適應性的生色團是全反型和13－順式的混合物，而光適應性的生色團是全反型。只有全反型生色團的細菌視紫紅質才能進行光循環。已經發現的細菌視紫紅質的最初光中間產物稱為 I，形成的時間過程為430飛秒，即4．3×10－13秒。之後伴隨一系列熱馳豫中間態 J， K， L， M1， M2， N和 O再回到光適應的細菌視紫紅質（ B R）態。

在光化學過程中值得注意的是其中兩個較為穩定的中間產物 K和 M，尤其是 M產物引起了很多研究者的興趣。首先質子在 M態形成前釋放出來，又在 M態衰減後再攝取進去。 M態與質子泵的功能密切相關，另外， M態的吸收峰波長在410納米與基態570納米相距很遠，光譜之間不產生重疊，這為光子器件套用提供了充分的條件。在光化學循環過程中發生了生色團視黃醛的異構化，即從全反型式變成13－順式，這與暗適應時的13－順式有差別，再從13－順式回到全反型式。同時還產生去質子化和重質子化的過程，在基質時希夫鹼基是質子化的，到 M態時希夫鹼基是去質子化的，再回到質子化的其它中間態和基態。

細菌視紫紅質的光化學循環的途徑並不是唯一的，處於不同的條件下的細菌視紫紅質分子會有不同的循環途徑。在低 p H下和高 pH下循環途徑不一樣，在某種條件下可產生一些不同的中間產物，如 P態和 Q態中間體，它們的吸收峰波長分別是490納米和380納米，其生色團視黃醛為9－順式，此產物是十分穩定的中間態，光譜與基態差別更大，因此更具有實際的套用前景，但由於 Q態的產率很低，目前還有待進一步研究和改進。

對於光循環的途徑，目前提出了不同的模型，如單向的線性模型、協同模型、平行模型和分支（旁路）模型。這些模型都有一些實驗根據，但又很難解釋一些現象，很可能不同的模型表示了不同的條件下光循環過程。由於光循環的一些中間體在相近的時間域內出現，各中間體的吸收光譜範圍又互相覆蓋重疊，從而使研究這些中間體之間的相互變化規律變得很困難，因此到目前為止對光循環還不能得到很滿意的解釋。

質子泵功能

光照射嗜鹽菌時有三種作用：即 A TP增加、基質酸化（基質酸化表示質子從細胞內泵到了細胞外）和呼吸被抑制。如果用 p H電極測量紫膜懸浮液時，很容易觀測到光碟機動的質子釋放，即光碟機動質子泵功能。質子是如何從膜內泵到膜外的？因為膜本身是個屏障，不允許質子自由地進入或釋放。質子泵是定向地轉運質子，其中必定有質子的受體和質子的供體。目前的研究表明，天冬氨酸85（Asp85）是質子的受體，而天冬氨酸96（Asp96）是質子的供體，即細菌視紫紅質希夫鹼基上的質子轉移給天冬氨酸85，再從天冬氨酸96上得到質子，那么是如何轉運出去的呢？細胞膜上一定有一個質子的通道，使質子能從細胞內轉運到胞外。

雖然有關質子泵的機理問題還有待於進一步探討，但質子轉運的主要步驟已經清楚，主要步驟如下：

①光激發使細菌視紫紅質生色團異構化，由全反視黃醛變成13－順式視黃醛，希夫鹼基的位置變化影響到某些鄰近的胺基酸殘基導致蛋白質構象變化；

②希夫鹼基將一個質子傳給去質子化狀態的 Asp85，希夫鹼基成去質子化狀態；

③質子通過某一未知基團釋放到胞外，此質子不是直接來自於希夫鹼基的質子；

④質子化的 Asp96把質子傳遞給去質子化的希夫鹼基，希夫鹼基重質子化；

⑤去質子化的 Asp96從胞內側又重新獲得質子；⑥蛋白質構象變化，生色團由13－順式異構化為全反形式細菌視紫紅質回復到基態。

膜上質子轉運與光循環的相互關係十分複雜，但某些關係可以確定，如 L→ M的轉換，相應於希夫鹼基的質子轉運給 Asp85的過程； M→ N的轉換，相應於去質子化的希夫鹼基從 Asp96得到質子的過程； N→ O轉換相應於 Asp96從介質中得到質子。

在質子泵功能研究中發現了值得注意的幾個問題：

①在細菌視紫紅質分子中結合著幾個鎂離子，如果把這幾個離子去掉，則紫膜變成藍膜，藍膜沒有質子泵功能，也不進行光循環。這幾個離子的神奇作用是什麼？用其它金屬離子代替鎂離子就能恢復其功能，並變回紫色膜。

②在質子轉運過程中，質子要跨越胺基酸殘基之間的距離，在細菌視紫紅質分子內部的水分子是不可缺少的組成部分，現已證實在質子通道中至少有8個水分子，這些水分子認為像救火時排成一排的水桶一樣，它們幫助蛋白質的胺基酸進行質子轉運。

③單體細菌視紫紅質分子也有質子泵和光循環的功能，那么為什麼天然狀態要以三聚體存在？

光電回響

光照紫膜時，伴隨質子泵功能的同時，電信號也可以產生。這一現象產生的原因歸納為質子流本身為帶正電的電荷移動。所以當細菌視紫紅質引入到人工膜上並施以穩定的連續光照射時，將產生跨膜質子流。由於雙層膜有較好絕緣性，質子梯度不會很快通過濃度擴散而消失，於是在膜兩側產生了電勢，即光電壓；同時在電流計上可以測量到光電流信號。這種穩態的或慢的光電回響信號來源於質子流。

若用一個瞬間光脈衝照射紫膜時，電極可以引出一個快速瞬時的光電回響信號，對於間斷光照射時，可以引出對光強度變化對應的微分回響特性的光電回響信號。快速瞬時的光電回響信號為納秒量級或更快速的過程，在3皮秒光脈衝激發下測得上升時間小於5皮秒的光電壓，這是生物樣品觀察到的最快的光電回響信號。質子跨膜流不可能達到如此快速的反應，這種光回響認為是細菌視紫紅質分子內部生色團快速光極化引起的電荷分離和希夫鹼及其周圍胺基酸去質子化和重質子化過程引起的質子在膜內移動產生的位移電流。而微分回響是由於光碟機動在光開和關瞬間引起的與紫膜光電池系統光放電以及測量電路的耦合特性所引起的。

對於光電回響本身的解釋一直存在爭論，不少模型電路的提出，企圖解釋其產生的機理。尤其在光電回響與質子泵和光循環中間體的相互關係方面，還缺少令人信服的實驗結果。儘管如此，光電回響信號的套用研究則可以不受機理的約束，受到大家極大的關注。

套用前景

納米生物材料

紫膜的結構和功能的特點，決定了紫膜材料可作為優良的納米生物材料之一。它結構上的穩定性是一般的生物材料不可能達到的。也許由於二維六角型晶格結構的緣故，在器件所要求的乾膜狀態下，紫膜可以在－30℃到140℃的狀態下不失去活性，此時一般的蛋白質早已變性。

內在原因

紫膜作為納米生物材料可用於構造生物分子器件的內在原因在於：第一，光碟機動質子泵的功能可實現太陽能轉換成化學能和電能；第二，光照產生的分子內的電荷分離產生的光電特性可製成光電子器件；第三，細菌視紫紅質光循環中間體之間產生的光致變色特性可用於光子器件。細菌視紫紅質有幾個高的特性，即：高空間解析度，大於5000線/毫米；高光靈敏度10－3焦耳/平方厘米；高的循環次數，大於106次循環；和高速光反應，430飛秒。這些高特性有望製作出優良性能的納米生物器件。

特性

除穩定性和高特性之外，細菌視紫紅質還有以下幾個特性有利於製作納米生物器件：

1．取材容易，可以大量繁殖和培養以及分離得到紫膜樣品，因此成本相對低廉，具有商業價值。

2．天然的微生物材料，培養提取以及製作時對自然界和人類不會造成損害和環境污染，是一種純“綠色”生物功能材料。

3．除溫度穩定性外，在失水狀態、 p H很寬的範圍里也保持活性。

4．細菌視紫紅質可以通過基因工程技術、生物和化學改性等方法改變特性以利於更好的套用。

5．可以通過不同的組裝技術，如分子識別組裝、電沉積、 L B膜技術、 B LM組裝成不同分子排列形式和結晶的分子膜系統，以便於符合於不同的器件要求。

6．可以與高分子聚合物進行特殊工藝的混合，從而在光學均勻性、分子排列結構和物理強度等方面得到改善和加強。

7．有良好的雙光子吸收性能和良好的非線性光學特性。

8．細菌視紫紅質有較大的吸收面積，可以利用很弱的光能，在光循環過程中吸收波長發生很大變化，存在多個明顯區分的中間態，有利於雙穩態器件的製作。

9．正反向都有較強的量子產率並與波長無關。

突出性能

在納米生物器件可能的套用前景方面，最為突出的是細菌視紫紅質的光致變色性能、瞬態光電回響性能和非線性光學性能。

在光致變色性能方面有望用於：光學信息處理和光儲存；生物晶片和生物計算機；全息照相和存儲；邊緣增強器；光模式識別；三維光記憶；傅立葉變換和處理；神經網路；光相關轉換和相關器；光邏輯門和二進制光記憶；光定址直接顯示器。

在瞬態光電回響方面有望用於：光開關和光電探測器；太陽能電池；超快光二極體；仿視覺功能人工視網膜、人工感受野；圖像感測器、運動探測和像邊檢測。

在非線性光學方面有望用於：光過濾包括新事物濾波、振幅濾波、光學圖像單調濾波；相位共扼；光壓器件；二次諧波發生器；空間光調製器；光電晶體和離子敏感的場效應電晶體。

投入研究

總之，目前世界上有大批研究人員從事於紫膜的研究工作，並有大工業集團參與和資助研究，在細菌視紫紅質作為納米生物材料研製混合型的生物晶片計算機、海量三維光存儲器已投入相當大的人力和財力，一旦有所突破，將會帶來革命性的變化。紫膜的研究，需要生物學、化學、物理學、計算機科學、半導體和電子學等多學科的交叉和融合，才能結出豐碩的成果，讓我們等待這一天的到來吧！

國際價格

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紫膜的國際價格在每克10萬美元左右，相當於黃金價格的1萬倍。