A BAKTERIORODOPSZIN Péter Imre AINLHQ
BEVEZETÉS A napfény energiáját az élőlények (növények, algák) egy bonyolult folyamat, a fotoszintézis során alakítják át és tárolják. Létezik egy baktérium, a Halobacterium salinarium, melynek sejtmembránjában egy viszonylag egyszerű rendszer képes a napfény energiájának felhasználásával egy ionpumpát (protonpumpát) működtetni és ennek során a membrán két oldalán egy proton elektrokémiai potenciálkülönbséget létrehozni. (Az angol irodalomban ez a proton-motive force elnevezést kapta és pmf-ként rövidítjük.) A baktérium magas sókoncentrációjú vizeket kedvel. Sejtmembránjában három különböző tartomány, a sárga, piros és a bíbor színű különíthető el, melyek szeparálhatóak is. A bíbormembránba (purple membrane, pm) sűrű pakolással egy fehérje, a bakteriorodopszin (BR) épül be. Elektrondifrakciós vizsgálatok kimutatták, hogy a BR molekulák egy szabályos kétdimenziós kristályt alkotnak a membránban, olymódon, hogy a hexagonális rácspontok körül három BR helyezkedik el (a rácspontok távolsága kb. 6 nm). A BR 248 aminosavból és egy retinálból épül fel. A fehérje hétszer fonódik át a membránon helikális szerkezetben és a C végződés a citoplazma oldalon helyezkedik el. A hét hélix (A, B,...,G) egy belső csatornát képez (1. ábra) és ebbe nyúlik be a retinál. A retinál a G helixen lévő Lys216 oldalláncához kovalensen kapcsolódik egy C=N kötésen, a Schiff-bázison keresztül. A BR szerkezetében hasonlít a szemben lévő retinálhoz, funkciójában azonban lényegesen különbözik. A retinál erős abszorpciós sávval rendelkezik az 570 nm körül, így nyeri a bíbor színt. A retinál egy fotonos gerjesztésével a BR egy olyan fotociklusba léphet, melynek végeredményeképpen egy proton pumpálódik át a BR protoncsatornáján a citoplazmából a sejt külsejébe. Ebben a folyamatban a Schiff-bázis nitrogénjéhez kötött hidrogénnek fontos szerepe van. A fotociklus egy közbenső állapotában (M állapot) ez a proton indul el a sejt külső felé az un. primér proton akceptorhoz (mely feltehetőleg az Asp85 oldalláncán lévő deprotonált karboxil csoport). 1. ábra. A protoncsatorna és a retinálzsák térbeli sémája. A, B,...,G a hét helixet szemlélteti.
A bakteriorodopszin protonpumpa központjának részletei: proton aktív átvitele a membrán egyik oldaláról a másikra. Oxigén jelenlétében a halobaktérium oxidativ foszforilációval termeli az ATP-t. Ha kevés az oxigén, a baktérium átkapcsol a fotoszintetikus módusra. Fényenergia felhasználásával a BR a fotociklus során protonokat pumpál ki a sejtbõl. Az így felépülő pmf hajtja meg az ATP-ázt az ATP szintézishez (Mitchell kemiozmozis). Ezt a folyamatot mesterségesen is reprodukálták szintetikus vezikulákon, melyekbe csak BR-t és ATP-ázt építettek be.
A FOTOCIKLUS A retinál gerjesztése után a BR-ben egy sor molekuláris változás zajlik le. (Egy foton elnyelése után a retinál ill. a BR gerjesztett állapotba jut. Innen kb. 0,4 valószínűséggel visszatér az alapállapotba, a gerjesztési energia a környezetnek adódik át, élettani szempontból ez az energia elvész. A gerjesztett állapotból a BR kb. 0,6 valószínűséggel az un. fotociklusba lép.) Ezen molekuláris változások együttesét és időrendi sorrendjét fotociklusnak (2. ábra) nevezzük. A fotociklusban, melynek hossza szobahőmérsékleten néhány 10 ms (milliszekundum), viszonylag jól megkülönböztethető közbenső állapotok vannak. Ezeket a közbenső állapotokat, időben egymást követő sorrendben K, L, M, N, O betűkkel jelöljük. A BR a ciklus végén visszatér alapállapotba (ahonnan újra gerjeszthető egy fotonnal). A közbenső állapotok közötti átmenetek termikusan aktivált folyamatok, így erősen hőmérséklettől függőek. A fotociklus során a BR abszorpciós spektruma jelentős átmeneti változásokat mutat, tükrözve a BR-ben lezajló
molekuláris változásokat. A közbenső állapotokban a retinál abszorpciós sávjának maximuma lényeges eltolódásokat mutat (melyeket a 2. ábrán az alsó indexekben tüntettünk fel), mely lehetővé teszi a közbenső állapotok követését spektroszkópiai módszerekkel. A közbenső állapotokat betűk jelölik, melyek alsó indexében az adott közbenső állapotra jellemző abszorpciós spektrum maximumának hullámhosszát adtuk meg nm-ben. A nyilaknál feltüntetett idő az átmenet élettartamát adja meg. A K állapot a gerjesztés után rendkívül gyorsan (10 ps) kialakul, melynek során a retinálban egy konformációs átalakulás megy végbe: az alapállapotbeli all-transz konformációból egy 13-cisz konformáció alakul ki. Az L állapotba való átmenetnél feltehetőleg egy fehérje konformációs relaxáció zajlik le, melyet a 13-cisz retinál idéz elő. Az M állapotba való átmenetnél (kb. 80 µs) a Schiff-bázis deprotonálódik, protonját a közeli Asp85-nek adja át. Ezzel megkezdődik a proton pumpálása. (Az előző változások a Schiff-bázis pk-jában idéznek elő olyan változásokat, melyek ezt a protonátadást lehetővé teszik.) A Schiff-bázis deprotonálódása egy nagyon erős kékeltolódást vált ki a retinál abszorpciós spektrumában: a maximum 410 nm-re tolódik el. Ez a nagy eltolódás lényegében teljesen szeparálja az M közbenső állapot abszorpciós sávját a többi közbenső állapot és a BR alapállapot abszorpciós sávjaitól és lehetővé teszi az M állapot közvetlen megfigyelését. 2. ábra. A BR fotociklusa.
Alkalmazás Látható, hogy a bakteriorodopszin működése során különböző állapotaiban megváltoztatja színét. A reakciósor végén, amikor visszakerül alapállapotába, eredeti színét is visszanyeri. A színváltozások egyéb optikai tulajdonságok, például az optikai törésmutató változásával is járnak. Ha tehát a biológiai funkciótól eltekintünk, azt mondhatjuk a bakteriorodopszinról, hogy biológiai eredetű, fénygerjesztésre színét és egyéb optikai paramétereit átmenetileg megváltoztató anyag, vagyis nemlineáris optikai tulajdonságokkal rendelkezik. Ráadásul genetikai úton számos paramétere - színe, az alapállapotba való visszatérés ideje stb. - megváltoztatható. E tulajdonságok alapján felmerül annak a lehetősége, hogy filmként, optikai adathordozóként, optoelektronikai eszközök aktív elemeként használhassuk. A gyakorlati hasznosítást megkönnyíti, hogy előállítása igen egyszerű, az anyag pedig egyáltalán nem érzékeny, ugyanannyira tartós, mint bármely más szerves festék. A nemlineáris optikai anyagok fontos felhasználási területe az optikai kapcsolók fejlesztése. A jelenkor információs technikájában az adattovábbítás optikai kábeleken történik. A kábelek kapcsolását is tisztán optikai úton kellene megoldani: mozgó alkatrészt nem tartalmazó, fénnyel vezérelt optikai kapcsolók kifejlesztése volna a megoldás. Optikai tulajdonságai alapján a bakteriorodopszin alkalmas lehet e feladatok ellátására, mivel a törésmutató megváltozása elegendően nagy. Már készültek az ilyen kapcsolók működését demonstráló mintapéldányok. Persze a gyakorlati alkalmazás követelményei igen magasak, a valódi versenyképességet a jövő mutatja meg. Mindenesetre számos szabadalom tanúsítja az alkalmazási fejlesztéseket, már a piacon is kapható bakteriorodopszint használó holografikus mérőműszer. Fényvezérelt fénykapcsolók
Fény hajtotta gépek