Quỏ trỡnh vận chuyển tớch cực được điều chỉnh bởi nguồn năng lượng tế bào là ATP, bằng thế năng di động của ion Na+ hoặc lực động cơ proton. Bõy giờ chỳng ta trở lại với quỏ trỡnh thu hồi năng lượng, trong đú ỏnh sỏng được chuyển hoỏ thành gradient proton. Halobacterium halobium là một vi khuẩn kị khớ ưa mặn thường sống trong cỏc hồ và vựng cú muối tự nhiờn. Khi cú mặt O2, cỏc vi khuẩn này oxy hoỏ cỏc phõn tử nhiờn liệu để sản sinh ATP. Khi cú ớt oxy, chỳng bắt đầu sử dụng phương thức quang hợp và tổng hợp một lượng lớn protein màng gọi là bacteriorhopsin cú khối lượng 26 kDa và vỡ protein này cú chứa cỏc nhúm hấp thụ ỏnh sỏng là Retinal bắt nguồn từβ - caroten, được biết đến như là một "chromophore" của rhodopsin. Protein quang thụ thể (photoreceptor) này cũng cú mặt ở màng tế bào hỡnh que của vừng mạc trong mắt của động vật bậc cao cũng chứa Chromophore là nhúm all-trans-retinal. Nhúm retinal được kết hợp với nhúm ε-amino của một gốc lysin đặc trưng ở phõn tử bacteriorhodopsin bằng sự liờn kết base schiff. Vào năm 1973, Walther Stoeckenius và Dieter Oesterhelt đó phỏt hiện bacteriorhodopsin là một bơm proton được điều chỉnh bằng ỏnh sỏng. Ánh sỏng đồng phõn hoỏ all-trans-retinal của chromophore thành dạng 13- cis - retinal. Vỡ để tạo chu trỡnh quay trở lại dạng all-trans, nờn một proton được bơm từ cytosol ra ngoài. Thực chất ỏnh sỏng được chuyển hoỏ thành thế năng proton, sau đú được dựng để tổng hợp ATP (Sơđồ hỡnh 5.5)
Base Schiff-all- trans-retinal
của BacterioRhodopsin
Bơm proton ánh sáng (hυ)
Base Schiff- 13.Cis- Retinal của bacteriorhodopsin
Hỡnh 5.5
Sơđồ minh hoạ chức năng bơm proton của bacterioRhodopsin
được điều khiển bằng ỏnh sỏng
Bacteriorhodopsin là một phõn tử rất nhạy cảm với màu sắc, biểu hiện rất sinh động cỏc trạng thỏi chuyển đổi của nú. Một chu trỡnh chuyển đổi trạng thỏi cấu trỳc khụng gian được bắt đầu bằng sự hấp thụ một proton của bacteriorhodopsin, ở dạng biểu hiện ký hiệu là BR568 bởi vỡ nú hấp thụ phổ tối đa ở 568nm. Ánh sỏng giỳp tạo đồng phõn húa BR568 thành dạng K590, là một chất trung gian hấp thụ ỏnh sỏng đỏ. Sự chuyển đổi trạng thỏi cấu hỡnh khụng gian bắt giữ năng lượng này xảy ra rất nhanh chúng, ớt hơn một phần ngàn tỷ giõy (picosecond) (1ps = 10-12s). Một loạt dạng trung gian của bacteriorhodopsin với phổ hấp thụ khỏc nhau (L550, M412, N550, và O640) sau đú xuất hiện trong trong khoảng thời gian ngắn từ micro giõy (mirosecond) đến mili giõy (millisecond). Màu vàng của dạng M412 được biểu hiện dễ dàng. M412 hấp thụ tối đa ở bước súng ngắn hơn cỏc bước súng khỏc bởi sự liờn kết base schiff của nú dễ bị loại bỏ proton. Base Schiff được gắn proton trở lại tạo dạng N550. Thật vậy sự loại bỏ proton và tỏi kết hợp proton trở lại của base schiff là điểm mấu chốt của cơ chế bơm proton. Nhúm retinal khi đú đồng phõn hoỏ trở lại tạo thành dạng all- trans để phục hồi dạng BR586 để từđú dạng này nhanh chúng hấp thụ cỏc photon khỏc. Trong ỏnh sỏng cường độ cao, khoảng 50 proton H+ được bơm trong một giõy bởi mỗi phõn tử bacteriorhodopsin.
Theo cỏc nghiờn cứu, retinal được định vị ở bờn trong phõn tử protein bacterioRhodopsin và được bao bọc xung quanh bằng cỏc chuỗi polypepeptid của từ sỏu đến bảy vũng xoắn xuyờn màng là A, B, C, D, E, F, G. Cỏc chuỗi liờn kết đơn và kộp của chromophore retinal được giữ ở vị trớ bằng ba gốc tryptophan. Retinal được liờn kết với gốc lysine 216 bằng liờn kết base schiff. Cỏc oxygen tớch điện õm của hai gốc Aspartat (Asp 85 và 212) được dựng như cỏc ion đối tỏc cho cỏc nguyờn tử nitơ tớch điện dương của base schiff. Retinal bao võy dũng proton tự do vượt qua màng tế bào nằm ở vị trớ nối giữa hai “buồng” tạo ra kờnh. Cỏc gốc Arg 82, Asp 85 và Asp 212 nằm ở một vựng của nửa phõn tử của kờnh hướng ra ngoại bào, trong khi gốc Asp 96 nằm ở phần nửa của kờnh hướng về phớa Cytosol. Hai nửa kờnh khụng bao giờ tiếp xỳc trực tiếp với nhau, trong khi nhúm retinal đúng vai trũ làm con thoi vận chuyển proton từ nửa kờnh bờn trong ra nửa kờnh bờn ngoài.
Sựđồng phõn hoỏ nhờ ỏnh sỏng đối với dạng all- trans- retinal chuyển sang dạng 13- cis- retinal làm di chuyển liờn kết base schiff ở khoảng cỏch . Nguyờn tử nitơ xếp ở vị trớ tối ưu để chuyển proton của nú cho gốc Asp 85. Như vậy, sự tiếp nhận proton của Asp 85 tạo ra cảm ứng của Arg 82 chuyển tiếp proton của nú cho mụi trường bờn ngoài. Một nửa chu kỳ quang được thực hiện khi đạt đến dạng M412 (dạng phõn tử hấp thụ cực đại ở bước súng này). Tiếp theo, sự chuyển dạng cấu hỡnh khụng gian làm lụi cuốn sự tham gia của nhiều nguyờn tử trong protein bacteriorhodopsin. Lỳc này phõn tử bơm hướng về phớa nội bào và lấy đi một proton từ Asp 96 chuyển vào nội bào và chuyển thành dạng N550.
Đồng phõn hoỏ retinal do nguồn ỏnh sỏng điều chỉnh sự hấp thụ proton từ trong ra ngoài của tế bào xảy ra như thế nào? Động học của bơm được xem như là kết quả của cỏc nghiờn cứu biến đổi cấu trỳc tinh vi của bơm, đó được xỏc định chớnh xỏc bằng phương phỏp quang phổ và vị trớ đột biến gen đặc trưng. Vào năm 1990, Richard Henderson và cộng sựđó làm sỏng tỏ cấu trỳc ba chiều của bacteriorhodopsin (BR568) ởđộ phõn giải . Vựng nội bào Đồng phõn húa nhờ ỏnh sỏng Vựng ngoại bào Đồng phõn húa kết cặp và thay đổi cấu hỡnh
Như vậy, sự truyền dẫn năng lượng ỏnh sỏng mặt trời dưới dạng photon trong một phõn tử bơm proton được thực hiện ở mức độ nguyờn tử.
Hỡnh 5.6
Sơđồ trỡnh bày cơ chế bơm proton của protein Bacteriorhodopsin
ở màng vi khuẩn quang hợp Halobacterium halobium(theo R.A Mathies et al – 1991)
Tiếp theo một proton được bơm từ bờn trong nội bào ra khỏi tế bào. Năng lượng của một photon ỏnh sỏng được chuyển thành một gradient proton. Cuối cựng dạng N550 phục hồi lại trạng thỏi BR568 nhờ sự tỏi đồng phõn hoỏ nhúm retinal. Chu trỡnh bơm proton của bacterioRhodopsin được trỡnh bày ở sơđồ hỡnh 5.6 (theo Mathies et al, 1991).