PIEZOELECTRIC MODEL FOR ACTIVE PROTON TRANSPORT IN BACTERIORHODOPSIN ^∗
P.B. Kietis^a,b, P. Saudargas^a, and L. Valkūnas^a,c
aInstitute of Physics, Savanorių 231, LT-02300 Vilnius, Lithuania
E-mail: saudargas@ar.fi.lt
^bDepartment of Radiophysics of Faculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania
^cDepartment of Theoretical Physics of Faculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania

Received 9 June 2005

Bacteriorhodopsin is a photoactive protein performing the transmembrane proton pumping through the purple membrane of Halobacterium salinarum. Experimental results of the electrical studies of the dried purple membrane films excited by short light pulses are presented. The time constant of the photoelectric response of the purple membrane film corresponds to the optically detectable L intermediate lifetime that is tens of micro seconds. Absence of the positive part of the photoelectric response signal in the time range of tens of microseconds under acidic conditions supports the assumption about the possibility of blockage of the proton transfer. The polarization field is a stimulating factor of the active proton transfer according to the assumption of the suggested two-state model. The mechanical–electrical properties of the dipole materials and the piezoelectric effect of the hydrogen bonds are discussed in the context of the zwitterionic state of the Schiff base and its counter ion Asp85. On the basis of the recent crystallographic data and molecular dynamics simulations it is concluded that the polarization of the Schiff base is a consequence of the mechanically strained hydrogen bonds caused by the retinal photoisomerization. The reorganized H-bond network impedes the proton way back, and the proton accomplishes work while moving in the external circuit.

AKTYVIOJO PROTONŲ TRANSPORTO BAKTERIORODOPSINE PJEZOELEKTRINIS MODELIS
P.B. Kietis^a,b, P. Saudargas^a, L. Valkūnas^a,b
aFizikos institutas, Vilnius, Lietuva
^bVilniaus universitetas, Vilnius, Lietuva

Transmembraninis baltymas bakteriorodopsinas (BR), konvertuodamas šviesos energiją į kitas energijos formas, vykdo aktyvų protonų transportą per purpurinę membraną (PM) Halobacterium salinarum bakterijose. Čia pristatomi fotoelektriniai sausų PM plėvelių tyrimai. Nanosekundiniu lazerio impulsu sužadintas fotoelektrinis atsakas (PERS) yra priskiriamas protono pernašai BR aktyviajame centre. Pateikiame dviejų potencialinių duobių modelį, aiškinantį protono pernašą remiantis eksperimentiniais rezultatais. Temperatūrinė PERS kinetikos priklausomybė leidžia įžvelgti aktyvacinį pirmojo protono pernešimo akto pobūdį. Teigiamosios PERS dalies laiko pastovioji gali būti priskirta L tarpinės būsenos gyvavimo trukmei. Esant mažai pH vertei, sužadinus šviesa, antroji PERS fazė neatsiranda, o tai rodo, jog rūgščioje aplinkoje protoniniai kanalai yra tiesiog „užkemšami“. Fotoelektrinis atsakas susideda iš dviejų komponenčių, kurių pirmoji yra sietina su protono pernešimu, o antroji yra poliarizacijos, susijusios su aktyviuoju transportu, pasekmė. Pastaroji komponentė nepriklauso nuo išorinio elektrinio lauko. Pateikiamas fizikinis modelis rodo, kad poliarizacinis laukas yra aktyvų protono pernešimą salygojantis veiksnys (o ne šalutinis efektas). Pradinėje stadijoje Šifo bazė ir Asp85 yra zviterjoninėje būsenoje. Šios būsenos energetinė evoliucija nagrinėjama aptariant dipolinių medžiagų mechanines–elektrines savybes ir vandenilinių jungčių pjezoelektrinį efektą. Remiantis pastarųjų metų kristalografinės struktūrinės analizės ir molekulinės dinamikos rezultatais, galima teigti, kad aktyviojo centro poliarizacija yra retinalio izomerizacijos metu atsiradusių mechaninių įtempimų išdava. Pirmojo protono pernešimo žingsnio pabaigoje visa energija yra sukaupiama energizuotame protone, o poliarizacinis laukas išnyksta. Persiorganizavęs vandenilinių ryšių tinklas užkerta kelią protono grįžimui atgal ir protonas, toliau judėdamas per membraną, sukuria transmembraninį potencialą.