光系统Ⅰ（ＰＳⅠ）的结构与功能研究进展

光系统Ⅰ(PSⅠ)是整合于光合膜上的由多个蛋白亚基组成的色素蛋白复合物,它在光合电子传递链中催化电子从PC经过一系列电子传递体到Fd的传递.近20年特别是近几年来,有关光合作用PSⅠ结构与功能的研究取得了显著的进展,获得了很多具有重要意义的结果.本文综合介绍了近年来在PSⅠ的蛋白亚基组成及其特性、PSⅠ介导的3种电子传递过程、PSⅠ特有的外周捕光色素蛋白复合物系统(LHCⅠ)以及最新的有关PSⅠ4?分辨率的三维晶体结构生物学研究的进展情况,并对未来的研究进行了展望.     

拟南芥DG1参与叶绿体早期光合蛋白合成功能

拟南芥中已有466个PPR蛋白,已有研究证实许多PPR蛋白参与细胞器基因表达的转录后调节,但大部分PPR蛋白分子作用机制尚不清楚.Delayed greening 1(DG1)是定位于叶绿体中的的PPR蛋白,研究结果证实该蛋白是通过与SIG6因子相互作用降低PEP转录活性从而影响叶绿体早期发育.本研究利用拟南芥Dg1基因功能缺陷型突变体研究了DG1蛋白对光系统蛋白复合体组成及其光转化效率的影响.77K荧光发射光谱分析发现dg1突变体幼叶PSII中电子传递速度明显低于野生型,而成熟叶片与野生型基本一致;蓝绿温和胶分析结果表明:相对于野生型在dg1突变体新生叶中PSII、PS玉及其超聚复合物含量均有不同程度降低;进一步温和胶二向电泳及蛋白免疫印迹分析显示,在dg1突变体新生叶中,由叶绿体编码的光系统蛋白复合物组成亚基含量显著降低,而核编码复合物组成亚基含量与野生型相比没有明显区别.上述实验结果进一步确定了DG1蛋白是通过调控叶绿体编码基因的表达进而调节光系统复合物的生物合成与组装,最终影响拟南芥叶绿体早期发育.因此,我们认为DG1蛋白对于叶绿体发育早期光合蛋白的合成是必需的.     

莲胚芽暗萌发过程中的光合系统发育研究

被子植物在黑暗中萌发生长不能合成叶绿素和建成光合系统,但是将莲（Nelumbo nucifera Geartn.)胚芽置于黑暗中萌发生长时,却可以清楚地观察到它的光合系统进行发育;首先,在原位低温荧光光谱上,LHCⅡ的荧光发射逐步红移变成典型的PSⅡ荧光发射,同时随着萌蝗延长,PSⅠ的荧光发射也从无到有,逐渐增强;其次,对暗萌发10d莲苗的叶绿体进行部分变性凝胶电泳分析也得到了PSⅠ的叶绿素蛋白复合物条带。通过Western blots的蛋白免疫检测,在暗萌发莲苗中也证实了LHCⅠ组分中有Lhca1的存在;最后,对暗萌发莲苗叶绿体的PSⅡ和PSⅠ电子传递活性测量结果表明,在暗中发育形成的PSⅡ和PSⅠ核心都是有光化学活性的。章讨论了莲胚芽暗萌发过程中进行光合系统发育的原因。     

细胞色素 b559与PSⅡ光抑制的光保护机制

Cyt b559是由两条多肽,即α、β-两个亚基组成的一种血红蛋白,是光系统Ⅱ(PSⅡ)蛋白复合体必不可少的组分。简要介绍了Cyt b559的分子组成及其氧化还原特性。重点阐述了在光抑制条件下cyt b559对PSⅡ反应中心的可能保护机制和由Cyt b559参与的围绕PSⅡ的循环电子传递。     

低叶绿素b水稻突变体类囊体膜的比较蛋白质组学

采用蓝绿温和胶凝胶电泳(blue-nativepolyacrylamidegel-electrophoresis,BN-PAGE),以及改进的第二向SDS-PAGE分离了水稻低叶绿素b突变体ZH249-Y和野生型ZH249-W类囊体膜蛋白复合物,系统比较了突变体和野生型各复合物亚基的表达差异.结果显示,第一向BN-PAGE分离了PSⅠ-LHCⅠ、LHCⅠ缺失的PSⅠ、ATP合成酶、细胞色素b6f、CP43缺失的PSⅡ及LHCⅡ六种复合物.上述各复合物经第二相SDS-Urea-PAGE分离后,利用胶内酶解,高效液相层析分离肽段,电喷雾串联质谱鉴定了复合物的亚基.结合免疫印迹研究,证明和野生型相比,突变体光系统Ⅱ捕光天线复合体的表达量适度下降,但光系统Ⅰ捕光天线破坏严重,同时光系统Ⅱ核心蛋白和ATP合成酶的表达量上升.研究结果对揭示低叶绿素b水稻突变体较高光化学效率和光稳定性的分子基础提供了线索,同时也表明,改进的BN/SDS-PAGE双向电泳不仅可以有效地分离膜蛋白复合物及亚基,也可以进行不同生理条件下,或野生型和突变体之间膜蛋白质组的比较研究.     

光合生物色素-蛋白质复合物的多样性

通过对近年来放氧型光合生物有关研究结果的概括分析,提出放氧型光合生物光系统Ⅰ、光系统Ⅱ及捕光色素-蛋白质复合物具有多样性,并根据其PSⅠ复合物的77 K荧光发射特点,指出放氧型光合生物光合系统中的能量传递方式也可能存在多样性.     

综述: 植物光系统Ⅱ捕光过程的超分子结构基础

光系统Ⅱ(photosystem Ⅱ,PSⅡ)是位于植物、藻类和蓝细菌等放氧光合生物类囊体膜上的重要超分子复合物,它可通过捕获光能用于激发反应中心的电荷分离并驱动电子传递过程,在常温常压下可将水分子裂解产生氧气和质子．植物光系统Ⅱ的外周存在主要和次要捕光复合物Ⅱ(major and minor light-harvesting complex Ⅱ,LHCⅡ),它们负责吸收光能并向光系统Ⅱ传递激发能,并且还参与非光化学淬灭和状态转换相关的捕光调节过程．近年来,围绕光系统Ⅱ和LHCⅡ的结构生物学研究取得了一系列重要进展,本文总结了PSⅡ、LHCⅡ和二者共同组成的PSII-LHCII超级复合物的结构生物学研究历程以及最新进展,并对该领域的未来研究方向做出展望．     

超高产杂交稻‘华安3号’冠层不同衰老程度叶片的光合功能

 较系统地研究了抽穗期超高产杂交稻‘华安3号’（`X075’×`紫恢100’）冠层顶部5片叶片的光合功能。结果表明,‘华安3号’剑叶的光系统Ⅱ（PSＩＩ）光化学最大效率(Fv/Fm)、开放的PSⅡ反应中心捕获激发能效率（Fv′/Fm′）、PSⅡ电子传递量子效率（ΦPSⅡ）、光化学猝灭系数（qP）、表观电子传递效率（ETR）、光合色素尤其是叶绿素（Chl）和类胡萝卜素（Car）中的新黄素、黄体素和β-胡萝卜素（β-Car）的含量等均优于其下的各叶,而PSⅡ的激发压力（1-qP）低于其它叶片。经对叶片低温（77K）荧光发射光谱的Gaussian解析,与其它各叶片相比,剑叶PSⅡ核心天线复合物CP47和光系统Ⅰ（PSⅠ）的含量较高,而非活性的PSⅡ捕光色素蛋白复合体（LHCⅡ）聚集态含量较少。研究证明：1）水稻在决定籽粒产量的生育后期,其干物质的积累主要是由冠层最上面的3片叶的光合作用所提供;2）在叶片衰老过程中,光合反应中心的衰老早于天线系统;3）杂交稻的光保护途径之一,可能在于光抑制条件下通过增加PSⅠ含量及其对光能的吸收并刺激环式电子传递高速运转,从而对光合器起保护作用;4）水稻叶片在衰老过程中,可能通过部分Chl b还原为Chl a,以降低LHCⅡ的含量,从而减少对光能的捕获,达到降低光抑制的伤害。     

植物光系统Ⅱ捕光过程的超分子结构基础

光系统Ⅱ(photosystemⅡ,PSⅡ)是位于植物、藻类和蓝细菌等放氧光合生物类囊体膜上的重要超分子复合物,它可通过捕获光能用于激发反应中心的电荷分离并驱动电子传递过程,在常温常压下可将水分子裂解产生氧气和质子.植物光系统Ⅱ的外周存在主要和次要捕光复合物Ⅱ(major and minor light-harvesting complexⅡ,LHCⅡ),它们负责吸收光能并向光系统Ⅱ传递激发能,并且还参与非光化学淬灭和状态转换相关的捕光调节过程.近年来,围绕光系统Ⅱ和LHCⅡ的结构生物学研究取得了一系列重要进展,本文总结了PSⅡ、LHCⅡ和二者共同组成的PSII-LHCII超级复合物的结构生物学研究历程以及最新进展,并对该领域的未来研究方向做出展望.     

细胞色素 b559与PSⅡ光抑制的光保护机制

Cyt b559是由两条多肽,即α_、β_两个亚基组成的一种血红蛋白,是光系统Ⅱ（PSⅡ）蛋白复合体必不可少的组分。简要介绍了Cyt b559的分子组成及其氧化还原特性。重点阐述了在光抑制条件下Cyt b559对PSⅡ反应中心的可能保护机制和由Cyt b559参与的围绕PSⅡ的循环电子传递。     

光系统Ⅱ反应中心D1/D2/Cytb559复合物中存在一个与光化学活性无关的去镁叶绿素a

紫色光合细菌反应中心的三维空间结构的解析，极大地推动了光合作用电子传递机理的研究。现已清楚光合细菌反应中心内部存在着两条电子传递支路［１—２］，由于高等植物光系统Ⅱ（ＰＳⅡ）反应中心Ｄ１蛋白和Ｄ２蛋白与光合细菌反应中心Ｌ亚基和Ｍ亚基的一级结构具有很大的相似性，推测ＰＳⅡ反应中心内部也可能存在类似的结构。从高等植物叶绿体中分离纯化的ＰＳⅡ反应中心Ｄ１／Ｄ２／Ｃｙｔｂ５５９复合物具有原初电荷分离活性［３］，其中含有４—６个Ｃｈｌａ分子，２个Ｐｈｅｏａ分子，１—２个β－胡萝卜素分子，它们是否像光合细菌…     

线粒体电子传递系统的组装及其生物学意义

电子传递链亦称呼吸链,由位于线粒体内膜的I、II、III、IV 4种复合物组成,负责电子传递和产生质子梯度。电子主要从复合物I进入电子传递链,经复合物III传递至复合物IV。电子传递系统的组装是一个十分复杂的过程,目前已知主要有约69个结构亚基以及至少16个组装因子参与了人类复合物I、III、IV的组装,这些蛋白质由核基因组与线粒体基因组共同编码。对线粒体电子传递系统的蛋白质组成及其结构已研究得较为清楚,但对它们的组装了解得还比较初步。许多人类线粒体疾病是由于电子传递系统的功能障碍引起的,其中又有许多是由于该系统中一个或多个部件的错误组装引起的。研究这些缺陷不仅能够加深对线粒体疾病发病机理的了解,也有助于揭示线粒体功能的调控机制。将着重对电子传递系统复合物的组装及其与人类疾病关系的研究进展进行综述。     

莱茵衣藻叶绿素暗合成突变体y-1类囊体膜形成过程中PSI核心色素蛋白复合物CPI的积累

主要运用温和电泳和蛋白印迹技术检测了暗培养4天脱绿的衣藻y-1细胞以及转绿后y-1细胞光系统Ⅰ的核心色素蛋白复合物(CPⅠ)和核心叶绿素脱辅基蛋白PsaA/B。暗培养衣藻细胞中,PSⅠ中主要的色素蛋白复合物-CPⅠ完全缺失,然而核心多肽PsaA/B仍有一定量的积累,同时检测不到P700的含量。当脱绿的y-1细胞转移至光照下(50 μmol Photons/m2·s)时,伴随着叶绿素的合成,色素蛋白复合物CPⅠ和PsaA/B脱辅基蛋白的合成也逐渐达到正常水平,叶绿素和PsaA/B蛋白进行组装并形成了具有功能的PSⅠ反应中心, 同时P700的含量也得到恢复。实验证明了光照是形成光合系统色素蛋白复合物的重要前提,叶绿素的合成能够稳定并促进PsaA/B的积累。同时发现,叶绿体基因组编码的PSⅠ核心多肽PsaA/B能够在暗条件下合成,而在高等植物如豌豆、大麦的黄化体中不能合成PsaA/B蛋白,这可能是由于在脱绿的y-1细胞中叶绿体的量并没有发生明显的减少,且仍具有相对完整的大小和形状,而在叶绿体的被膜上具有许多参与光合作用的酶系统。     

裙带菜PSⅠ复合物的荧光特异性

以褐藻裙带菜(Undaria pinnatifida)为实验材料,采用蔗糖密度梯度超速离心的方法,去污剂SDS为增溶剂(SDS:Chi=20:1,4℃增溶20 min),蔗糖密度梯度为60%、50%、40%、30%、20%、15%和10%,分离制备光系统Ⅰ(PSⅠ)复合物.结果表明,40%蔗糖层带所含色素蛋白复合物是PS I复合物.利用红藻作参照对比,光谱结果表明从裙带菜中得到的PSⅠ复合物没有730 nm的荧光峰.分析认为这是所有褐藻包括裙带菜PSⅠ复合物的荧光特异性.     

半夏光系统对光照和温度日变化的适应

为探讨半夏(Pinellia ternate)光系统对光照强度和温度日变化的适应机理,该文连续3 d模拟了在同一种变化的光照强度(0～1 600μmol·m~(-2)·s~(-1))日变化下低温(10～18℃)、中温(20～28℃)和高温(28～38℃)的环境条件,测定了光系统Ⅱ(PSⅡ)和光系统I(PSⅠ)的叶绿素荧光参数,通过PSⅡ和PSⅠ光合活性和电子传递能力的变化来研究半夏光合系统对光照强度和温度日变化的适应。结果表明:(1) PSⅡ最小荧光(F_o')和PSⅡ反应中心激发能捕获效率(F_v'/F_m')随光照强度的增加而降低,光照强度的增加是导致光系统的活性降低的主要原因,低温会进一步导致光系统活性的降低;(2)光照强度和温度的增加使PSⅠ受体端热耗散效率[Y(ND)]上升,而PSⅠ供体端热耗散效率[Y(NA)]则降低,光照强度的增加不会导致供体侧较大的激发压,但会使受体侧开始积累较大的激发压,而较低的温度会导致受体侧活性降低,使供体侧积累较高的激发压;(3)高光(光强900μmol·m~(-2)·s~(-1))对半夏的光抑制和光损伤导致了PSⅡ实际光化学量子产量[Y(Ⅱ)]和PSⅠ实际光化学量子产量[Y(I)]的降低,低温进一步加剧了Y(Ⅱ)和Y(I)的降低;(4)在高光下,PSⅠ的电子传递速率ETR(I)的增加启动了环式电子传递(CEF),较高的CEF稳定了高温下的PSⅡ电子传递速率ETR(Ⅱ)的同时也保护PSⅡ免受光的损伤;(5)在3 d的处理中,虽然非光化学猝灭系数(NPQ)随光照强度的增加而上升,但是相对于高温,在低温处理下,半夏较低的NPQ使PSⅡ非调节性能量耗散的量子产量[Y(NO)]一直处于最高水平,表现出明显的光抑制。综上结果表明,低温降低了半夏对高光环境的适应能力,而高温通过增强NPQ,加速CEF的产生,减少光抑制的产生,从而加速光反应的电子传递和维持光反应系统的稳定性。因此,低温胁迫会加剧半夏光系统的损伤,适当提高温度可以增强半夏光反应系统对高光的适应性。     

酵母RNA聚合酶Ⅱ羧基端结构域激酶CTDK-Ⅰ及其亚基的结构与功能

RNA聚合酶Ⅱ最大亚基Rpb1的羧基端结构域(carboxyl-terminal repeat domain,CTD)是RNA聚合酶Ⅱ发挥转录延伸功能所必需的,对其执行精确的转录调节功能至关重要。酵母细胞周期蛋白依赖性激酶CTDK-Ⅰ (carboxyl-terminal repeat domain kinase,CTDK-Ⅰ)由CTK1、CTK2和CTK3组成,作用于RNA聚合酶Ⅱ羧基端结构域,动态磷酸化CTD的七肽重复序列(YSPTSPS)来调控转录和翻译。酵母中的特异性蛋白CTK3与特殊的细胞周期蛋白CTK2结合形成异二聚体,再与CTDK-Ⅰ的催化亚基CTK1结合以调节其活性。CTK1作为细胞周期蛋白CDK (cyclin dependent kinase,CDK)的同源蛋白,其结构与功能的研究可拓展人们对CDK蛋白家族的认识;CTK2-CTK3复合物对CTK1调控机制的研究也可为细胞周期蛋白抑制剂的研发提供新的思路。本文简述了酵母CTDK-Ⅰ的功能特点及其亚基的结构与功能以及亚基间的相互作用,并展望了CTDK-Ⅰ复合物的研究前景。     

一种分析叶绿体类囊体膜色素蛋白复合物的蓝绿温和胶电泳系统

采用蓝绿温和胶电泳系统可以非常有效地分离叶绿体蛋白质复合物,包括PSⅠ, PSⅡ, ATP合酶,细胞色素b₆f复合物,捕光色素复合物和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶.还结合SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳将叶绿体多亚基复合物的50多种蛋白质分开,利用免疫印迹对蛋白质复合物进行了初步鉴定,同时还应用蓝色温和胶电泳分析基质、基粒类囊体复合物的组成.     

空间飞行微重力降低裸藻光合电子传递并改变光合能量分配（英文）

利用神舟8号飞船的SIMBOX发射机会,对真实微重力影响裸藻光合作用活性进行了研究.我们发现,微重力降低了光合活性(Fv/Fm),提高了细胞内叶绿素a和胡萝卜素含量.快速叶绿素荧光动力学研究显示微重力降低了叶绿素荧光强度,但快速叶绿素荧光动力学曲线的形状(O-J-I-P)没有改变.在微重力处理下裸藻的最大光化学效率(φPo)、用于电子传递的量子产额(φEo)和光合作用性能指数(PIABS and PICS)都明显降低,但单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)和单位反应中心耗散的能量(DIo/RC)都明显升高.77K低温荧光光谱实现微重力改变了能量在PSⅠ和PSⅡ之间的分配并出现了红移现象.这些结果表明真实微重力降低光合作用的活性有可能通过两个途径,即抑制裸藻抑制光合电子传递中PSⅡ的受体端和改变PSⅠ的结构从而引起流向PSⅠ的能量传递减少.     

分裂泛素化酵母双杂交系统研究光合膜蛋白相互作用

光合类囊体膜主要由光系统Ⅱ、细胞色素b6f复合物、光系统Ⅰ以及ATP合酶4个超分子复合物组成.利用分裂泛素化酵母双杂交系统研究光合类囊体膜蛋白间的相互作用.将叶绿体psbA基因编码的D1蛋白作为诱饵蛋白,以叶绿体基因psbD编码的D2蛋白、petB编码的Cytb6蛋白作为靶蛋白,分别共转化酵母菌株后进行相互作用分析.实验结果表明,诱饵蛋白D1能与来源于同一复合物光系统Ⅱ的D2蛋白发生相互作用,而与来源于细胞色素b6f复合物的Cytb6蛋白没有互作.这一结果表明,分裂泛素化酵母双杂交系统可以用于检测光合膜蛋白间的相互作用,从而为研究光合膜蛋白生物发生的调控机理提供一个有效的工具.     

毕氏海蓬子类囊体膜与卵磷脂重组脂质体的耐热性研究

采用卵磷脂(PC)构建脂质体,然后将毕氏海蓬子类囊体膜蛋白复合物重组到脂质体中.分析不同温度(25℃、35℃、45℃和55℃)处理后蛋白脂质体的电子传递活性、吸收光谱和荧光光谱的变化,以探讨膜脂与膜蛋白在高温胁迫下的交互作用.结果显示:蛋白脂质体光系统Ⅱ(PSⅡ)的放氧活性和光系统Ⅰ(PSⅠ)的耗氧活性随着PC比例的提高而增加,在PC与类囊体膜比例为4∶1(Lipid∶Chl,w/w)时达到最高,同时蛋白脂质体的吸收光谱和荧光光谱也呈上升趋势;在PC与类囊体膜重组比例为4∶1条件下,高温处理后的蛋白脂质体的PSⅡ放氧活性和PSⅠ耗氧活性显著大于未经重组的,其吸收光谱和荧光光谱峰值下降幅度低于未经重组的,且峰位基本没有变化.研究表明,PC可能通过增加结合天线的大小来促进蛋白脂质体对光能的吸收和能量从外周天线到PSⅡ和PSⅠ核心复合物的传递;在脂质体中,PC与类囊体膜的交互作用提高了PSⅡ和PSⅠ在高温胁迫下的光化学效率,增强了PSⅡ和PSⅠ的耐热性.