細菌視紫質是嗜鹽古生菌Halobacterium salinarum細胞膜上唯一的膜蛋白質，其受光激發後進行光迴圈反應，產生細胞膜內外質子濃度梯度差，具有質子幫浦功能，此化學能用以合成生物能量三磷酸腺苷。先前已有不少科學家針對質子幫浦行為所造成的光致電流訊號進行研究與分析，然而其分析方法包含複雜假設，至今尚未推論出一個能夠普及應用與分析的模型。本篇論文中將利用瞬態可見光吸收光譜技術以及自組裝電化學裝置觀察在pH值4–9範圍內，水溶液中細菌視紫質的光迴圈中間態M態之動力學以及質子幫浦行為，並且利用簡單的動力學模型描述觀察到之光電訊號。
實驗首先利用羥胺降解視黃醛而降低光電流訊號並且比較細菌視紫質之光致電流作用光譜與其可見光區495 – 645 nm範圍之吸收光譜，兩者結果皆說明光致電流來源為視黃醛的光反應行為。此外，當細菌視紫質溶液中加入質子載體羰基氰化物間氯苯腙( CCCP )，光致電流振幅明顯消逝，進一步證實吾人所測得的光致電流訊號離子載體為氫離子。而典型之質子幫浦行為可以分解成以下三個基本步驟：1、氫離子首先由反應中心視黃醛轉移至紫膜表面上；2、位於紫膜表面上的氫離子釋放至水相中，水相與表面上氫離子濃度達平衡；3、最後，氫離子消失在水相中，由胞內側回到紫膜表面上。透過上述的質子幫浦反應步驟，吾人利用連續反應動力學模型來適解實驗在pH值5.8 – 9.5範圍內得到之光致電流，其與實驗結果相當一致，而質子幫浦的動力學行為則受到紫膜表面與環境水相之間介面性質以及水相中氫離子與氫氧根離子之流動性所影響。另外，在酸性環境中，吾人觀察到光致電流極性翻轉，且在pH 5.8時，M態訊號衰減速率快速下降，此二者現象皆與質子釋放團pKa值吻合。
吾人對細菌視紫質質子幫浦之定量分析顯示此光致電流實驗系統以及上述之動力學模型適用於類視紫質之離子幫浦研究，與以往結果差異之處為此反應動力學分析無須複雜的理論假設或樣品製備，這也是吾人系統最大的優勢。

(1) Vsevolodov, N. N., Biomolecular Electronics: An Introduction Via Photosensitive Proteins. Birkhauser Boston: 1998; p 3.
(2) Stoeckenius, W.; Kunau, W. H., J. Cell Biol. 1968, 38, 337-357.
(3) Lanyi, J. K., Biochim. Biophys. Acta 2006, 1757, 1012-1018.
(4) Stoeckenius, W.; Rowen, R., J. Cell Biol. 1967, 34, 365-393.
(5) Oesterhelt, D.; Stoeckenius, W., Nat. New. Biol. 1971, 233, 149-152.
(6) Oesterhelt, D.; Stoeckenius, W., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 1973, 70, 2853-2857.
(7) Lozier, R. H.; Bogomolni, R. A.; Stoeckenius, W., Biophys. J. 1975, 15, 955-962.
(8) Stoeckenius, W.; Bogomolni, R. A., Annu. Rev. Biochem. 1982, 51, 587-616.
(9) Smith, S. O.; Pardoen, J. A.; Mulder, P. P. J.; Curry, B.; Lugtenburg, J.; Mathies, R., Biochemistry 1983, 22, 6141-6148.
(10) Sharkov, A. V.; Pakulev, A. V.; Chekalin, S. V.; Matveetz, Y. A., Biochim. Biophys. Acta 1985, 808, 94-102.
(11) Gerwert, K.; Souvignier, G.; Hess, B., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 1990, 87, 9774-9778.
(12) Lanyi, J. K., Annu. Rev. Physiol. 2004, 66, 665-688.
(13) Garczarek, F.; Gerwert, K., Nature 2006, 439, 109-112.
(14) Mathies, R.; Brito Cruz, C.; Pollard, W.; Shank C., Science 1988, 240, 777-779.
(15) Terner, J.; El-Sayed, M. A., Accounts Chem. Res. 1985, 18, 331-338.
(16) Rothschild, K. J.; Zagaeski, M.; Cantore, W. A., Biochem. Biophys. Res. Commun. 1981, 103, 483-489.
(17) Degroot, H. J. M.; Harbison, G. S.; Herzfeld, J.; Griffin, R. G., Biochemistry 1989, 28, 3346-3353.
(18) Neutze, R.; Pebay-Peyroula, E.; Edman, K.; Royant, A.; Navarro, J.; Landau, E. M., Biochim. Biophys. Acta 2002, 1565, 144-167.
(19) Henderson, R.; Unwin, P. N. T., Nature 1975, 257, 28-32.
(20) Blaurock, A. E., J. Mol. Biol. 1975, 93, 139-158.
(21) Henderson, R.; Baldwin, J. M.; Ceska, T. A.; Zemlin, F.; Beckmann, E.; Downing, K. H., J. Mol. Biol. 1990, 213, 899-929.
(22) Luecke, H.; Schobert, B.; Richter, H. T.; Cartailler, J. P.; Lanyi, J. K., J. Mol. Biol. 1999, 291, 899-911.
(23) Belrhali, H.; Nollert, P.; Royant, A.; Menzel, C.; Rosenbusch, J. P.; Landau, E. M.; Pebay-Peyroula, E. Structure 1999, 7, 909-917.
(24) Grzesiek, S.; Dencher, N. A., FEBS Lett. 1986, 208, 337-342.
(25) Heberle, J.; Riesle, J.; Thiedemann, G.; Oesterhelt, D.; Dencher, N. A., Nature 1994, 370, 379-382.
(26) Scherrer, P.; Alexiev, U.; Marti, T.; Khorana, H. G.; Heyn, M. P., Biochemistry 1994, 33, 13684-13692.
(27) Heberle, J., Biochim. Biophys. Acta 2000, 1458, 135-147.
(28) Miyasaka, T.; Koyama, K., Thin Solid Films 1992, 210, 146-149.
(29) Koyama, K.; Yamaguchi, N.; Miyasaka, T., Science 1994, 265, 762-765.
(30) Keszthelyi, L.; Ormos, P., FEBS Lett. 1980, 109, 189-193.
(31) Wang, J. P.; Song, L.; Yoo, S. K.; El-Sayed, M. A., J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10599-10604.
(32) Wang, J. P.; Yoo, S. K.; Song, L.; El-Sayed, M. A., J. Phys. Chem. B 1997, 101, 3420-3423.
(33) Trissl, H. W.; Montal, M., Nature 1977, 266, 655-657.
(34) Chu, L. K.; Yen, C. W.; El-Sayed, M. A., Biosens. Bioelectron. 2010, 26, 620-626.
(35) Keszthelyi, L., Biochim. Biophys. Acta 1980, 598, 429-436.
(36) Vsevolodov, N. N.; Druzhko, A. B.; Djukova, T. V., Actual Possibilities of Bacteriorhodopsin Application in Optoelectronics. In Molecular Electronics, Hong, F., Ed. Springer US: 1989; pp 381-384.
(37) Chen, Z. P.; Birge, R. R., Trends Biotechnol. 1993, 11, 292-300.
(38) Vsevolodov, N. N.; Ivanitsky, G. R., Biofizika 1985, 30, 883-887.
(39) Brauchle, C.; Hampp, N.; Oesterhelt, D., Adv. Mater. 1991, 3, 420-428.
(40) Trissl, H. W., Biochim. Biophys. Acta 1985, 806, 124-135.
(41) Liu, S. Y.; Govindjee, R.; Ebrey, T. G., Biophys. J. 1990, 57, 951-963.
(42) Robertson, B.; Lukashev, E. P., Biophys. J. 1995, 68, 1507-1517.
(43) Lu, T.; Li, B. F.; Jiang, L.; Rothe, U.; Bakowsky, U., J. Chem. Soc.-Faraday Trans. 1998, 94, 79-81.
(44) Tamogami, J.; Kikukawa, T.; Miyauchi, S.; Muneyuki, E.; Kamo, N., Photochem. Photobiol. 2009, 85, 578-589.
(45) Drachev, L. A.; Kaulen, A. D.; Skulachev, V. P., FEBS Lett. 1978, 87, 161-167.
(46) Fahr, A.; Lauger, P.; Bamberg, E., J. Membr. Biol. 1981, 60, 51-62.
(47) Okajima, T. L.; Hong, F. T., Biophys. J. 1986, 50, 901-912.
(48) Simmeth, R.; Rayfield, G. W., Biophys. J. 1990, 57, 1099-1101.
(49) Braun, D.; Dencher, N. A.; Fahr, A.; Lindau, M.; Heyn, M. P., Biophys. J. 1988, 53, 617-621.
(50) Keszthelyi, L.; Ormos, P., Biophys. Chem. 1983, 18, 397-405.
(51) Hong, F. T., Prog. Surf. Sci. 1999, 62, 1-237.
(52) Hong, F. T., Biosystems 1986, 19, 223-236.
(53) Miyasaka, T.; Koyama, K.; Itoh, I., Science 1992, 255, 342-344.
(54) Hong, F. T., Photochem. Photobiol. 1976, 24, 155-189.
(55) Birge, R. R., Annu. Rev. Biophys. Bioeng. 1981, 10, 315-354.
(56) Lanyi, J. K., Bacteriorhodopsin, Chemistry of. In Wiley Encyclopedia of Chemical Biology, Begley, T. P., Ed. John Wiley & Sons, Inc.: 2007.
(57) Blaurock, A. E.; Stoeckenius, W., Nat. New. Biol. 1971, 233, 152-155.
(58) Engelman, D. M.; Henderson, R.; McLachlan, A. D.; Wallace, B. A., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 1980, 77, 2023-2027.
(59) Lanyi, J. K., J. Struct. Biol. 1998, 124, 164-178.
(60) Zimányi, L.; Váró, G.; Chang, M.; Ni, B.; Needleman, R.; Lanyi, J. K., Biochemistry 1992, 31, 8535-8543.
(61) Morgan, J. E.; Vakkasoglu, A. S.; Lanyi, J. K.; Gennis, R. B.; Maeda, A., Biochemistry 2010, 49, 3273-3281.
(62) Lanyi, J. K., A Structural View of Proton Transport by Bacteriorhodopsin. In Biophysical and Structural Aspects of Bioenergetics, Wikstrom, M., Ed. The Royal Society of Chemistry: 2005; pp 227-248.
(63) Scherrer, P.; Mathew, M. K.; Sperling, W.; Stoeckenius, W., Biochemistry 1989, 28, 829-834.
(64) Jan, L. K. C. Y., Investigations on Rhodopsin and Bacteriorhodopsin: I. Ultrastructural Localization of Rhodopsin in Vertebrate Retina. II. The Isomeric Configuration of the Bacteriorhodopsin Chromophore. California Institute of Technology: 1974.
(65) Gai, F.; Hasson, K. C.; McDonald, J. C.; Anfinrud, P. A., Science 1998, 279, 1886-1891.
(66) Henderson, R., J. Mol. Biol. 1975, 93, 123-138.
(67) Mukhopadhyay, A. K.; Bose, S.; Hendler, R. W., Biochemistry 1994, 33, 10889-10895.
(68) Becher, B.; Tokunaga, F.; Ebrey, T. G., Biochemistry 1978, 17, 2293-2300.
(69) Kalisky, O.; Feitelson, J.; Ottolenghi, M., Biochemistry 1981, 20, 205-209.
(70) Rehorek, M.; Heyn, M. P., Biochemistry 1979, 18, 4977-4983.
(71) Birge, R. R.; Schulten, K.; Karplus, M., Chem. Phys. Lett. 1975, 31, 451-454.
(72) Balashov, S. P.; Imasheva, E. S.; Govindjee, R.; Ebrey, T. G., Biophys. J. 1996, 70, 473-481.
(73) Stoeckenius, W.; Lozier, R. H., J. Supramol. Struct. 1974, 2, 769-74.
(74) Bennett, J. A.; Birge, R. R., J. Chem. Phys. 1980, 73, 4234-4246.
(75) Lanyi, J. K. Biochim. Biophys. Acta 1993, 1183, 241-261.
(76) Harbison, G. S.; Mulder, P. P. J.; Pardoen, H.; Lugtenburg, J.; Herzfeld, J.; Griffin, R. G., J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 4810-4816.
(77) Wada, M.; Sakurai, M.; Inoue, Y.; Tamura, Y.; Watanabe, Y., J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 1537-1545.
(78) Schobert, B.; Cupp-Vickery, J.; Hornak, V.; Smith, S. O.; Lanyi, J. K., J. Mol. Biol. 2002, 321, 715-726.
(79) Birge, R. R.; Gillespie, N. B.; Izaguirre, E. W.; Kusnetzow, A.; Lawrence, A. F.; Singh, D.; Song, Q. W.; Schmidt, E.; Stuart, J. A.; Seetharaman, S.; Wise, K. J., J. Phys. Chem. B 1999, 103, 10746-10766.
(80) Richter, H. T.; Needleman, R.; Kandori, H.; Maeda, A.; Lanyi, J. K., Biochemistry 1996, 35, 15461-15466.
(81) Beppu, Y.; Kakitani, T., Photochem. Photobiol. 1994, 59, 660-669.
(82) Hendler, R. W.; Dracheva, S., Biochemistry-Moscow 2001, 66, 1311-1314.
(83) Sternberg, B.; L'Hostis, C.; Whiteway, C. A.; Watts, A., Biochim. Biophys. Acta 1992, 1108, 21-30.
(84) Joshi, M. K.; Dracheva, S.; Mukhopadhyay, A. K.; Bose, S.; Hendler, R. W., Biochemistry 1998, 37, 14463-14470.
(85) Hendler, R. W.; Barnett, S. M.; Dracheva, S.; Bose, S.; Levin, I. W., Eur. J. Biochem. 2003, 270, 1920-1925.
(86) Padros, E.; Dunach, M.; Sabes, M., Biochim. Biophys. Acta 1984, 769, 1-7.
(87) Shriner, R. L., Chapter 6 The Detection and Confirmation of Functional Group: Complete Structure Determination. In The systematic identification of organic compounds : a laboratory manual, 4th ed.; Wiley: New York, 1956; p 426.
(88) Oesterhelt, D.; Schuhmann, L.; Gruber, H., FEBS Lett. 1974, 44, 257-261.
(89) Moller, C.; Buldt, G.; Dencher, N. A.; Engel, A.; Muller, D. J., J. Mol. Biol. 2000, 301, 869-879.
(90) Subramaniam, S.; Marti, T.; Rosselet, S. J.; Rothschild, K. J.; Khorana, H. G., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 1991, 88, 2583-2587.
(91) Becher, B.; Cassim, J. Y., Biophys. J. 1977, 19, 285-297.
(92) Katayama, K.; Furutani, Y.; Kandori, H., J. Phys. Chem. B 2010, 114, 9039-9046.
(93) Imasheva, E. S.; Balashov, S. P.; Wang, J. M.; Smolensky, E.; Sheves, M.; Lanyi, J. K., Photochem. Photobiol. 2008, 84, 977-984.
(94) Kasianowicz, J.; Benz, R.; McLaughlin, S., J. Membr. Biol. 1984, 82, 179-190.
(95) Nicholls, D. G.; Ferguson, S. J., Bioenergetics 3. Academic Press: Boston, 2002; p 24.
(96) Balashov, S. P.; Imasheva, E. S.; Boichenko, V. A.; Antón, J.; Wang, J. M.; Lanyi, J. K., Science 2005, 309, 2061-2064.
(97) Mowery, P. C.; Lozier, R. H.; Chae, Q.; Tseng, Y. W.; Taylor, M.; Stoeckenius, W., Biochemistry 1979, 18, 4100-4107.
(98) Subramaniam, S.; Marti, T.; Khorana, H. G., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 1990, 87, 1013-1017.
(99) Balashov, S. P., Biochim. Biophys. Acta 2000, 1460, 75-94.
(100) Ludmann, K.; Gergely, C.; Váró, G., Biophys. J. 1998, 75, 3110-3119.
(101) Liu, S. Y.; Ebrey, T. G., Photochem. Photobiol. 1987, 46, 263-267.
(102) Ormos, P.; Hristova, S.; Keszthelyi, L., Biochim. Biophys. Acta 1985, 809, 181-186.
(103) Liu, S. Y., Biophys. J. 1990, 57, 943-950.
(104) Tkachenko, N. V., Pump probe. In Optical Spectroscopy: Methods and Instrumentations, Elsevier Science: 2006; p 185.
(105) Tkachenko, N. V., Flashphotolysis. In Optical Spectroscopy: Methods and Instrumentations, Elsevier Science: 2006; p 129.
(106) 陳俊兆; 朱立岡. 在不同 pH 值下細菌視紫質光迴圈反應 M態生成量子產率的激發波長相依性. 國立清華大學, 新竹市, 2013.
(107) Oesterhelt, D.; Stoeckenius, W., Isolation of the cell membrane of Halobacterium halobium and its fractionation into red and purple membrane. In Methods Enzymol., Sidney Fleischer, L. P., Ed. Academic Press: 1974; Vol. 31, pp 667-678.
(108) Faust, C. B., Modern Chemical Techniques: An Essential Reference for Students and Teachers. Royal Society of Chemistry: 1992.
(109) Horn, C.; Steinem, C., Biophys. J. 2005, 89, 1046-1054.
(110) USB Optical Bench Options. http://www.oceanoptics.com/Products/benchoptions_usb4.asp.
(111) Loginova, M. Y.; Rostovtseva, Y. V.; Feldman, T. B.; Ostrovsky, M. A., Biochemistry-Moscow 2008, 73, 130-138.
(112) Fischer, U.; Oesterhelt, D., Biophys. J. 1979, 28, 211-230.
(113) Papp, E.; Ha, V. H., Biophys. Chem. 1996, 57, 155-161.
(114) Lórenz-Fonfría, V. A.; Kandori, H., J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5891-5901.
(115) Phatak, P.; Ghosh, N.; Yu, H. B.; Cui, Q.; Elstner, M., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105, 19672-19677.
(116) Duso, A. B.; Chen, D. D. Y., Anal. Chem. 2002, 74, 2938-2942.