叶绿体结构与功能的研究 Ⅰ.叶绿体偶联因子的互换

从菠菜、莴苣、蚕豆和大麦叶绿体提取的偶联因子,可以与同种和不同种植物叶绿体的残缺粒子重组,而部分地恢复其光合磷酸化活力。在蚕豆与菠菜的组合中,两者的偶联因子可以互换。由于所用残缺粒子具有的残余光合磷酸化活力最高只有对照的3.5%,所以外加偶联因子的作用应是直接偶联磷酸化,而不可能是活化剩余偶联因子的作用。在某些组合中,异种偶联因子恢复残缺粒子光合磷酸化活力的程度甚至高于同种的偶联因子,表现增益效应。在蚕豆和菠菜的组合中,这种增益效应是交叉的,因而不可能是由于偶联因子浓度的差异所引起。这个现象的机理尚不清楚。     

光合磷酸化偶联机制研究——Ⅱ.金霉素对光合磷酸化促进作用的研究

用金霉素溶液处理菠菜离体叶绿体,对循环( PMS)和非循环光合磷酸化( FeCy、MV或BQ DBMIB)均可表现出促进作用,表明它对两个能量保存部位都有促进作用。它能提高磷酸化的偶联程度,增加ADP/O及PC比值。在对光合磷酸化有促进作用的情况下,用两阶段光合磷酸化法测定,它对高能态的积累略有增加或影响不大,但它能显著增加叶绿体的延迟发光。它对叶绿体膜上Mg~(2 )-ATP_(ase)及偶联因子Ca~(2 )-ATP_(ase)活力有抑制。金霉素溶液的荧光强度可被加入偶联因子所提高,这些都表明金霉素至少有一个作用部位与偶联因子有关。文中对它能促进光合磷酸化作用的机理进行了讨论。     

水稻白化苗质体中光合磷酸化偶联因子的存在

用聚丙烯酰胺凝胶电泳分离水稻白化苗质体EDTA提取物的蛋白,在偶联因子的位置有一带出现;白化苗质体具膜上(Mg~(++)—Ca~(++))—ATP酶活力,质体膜与菠菜类囊体残缺膜重组后有光合磷酸化活力。分部离心和电镜观察的结果表明,活力检测中所用的600～1500×g之间的沉降部分确属质体部分,证明白化苗质体中有光合磷酸化偶联因子的存在。     

光合磷酸化偶联机制研究——Ⅳ.金霉素荧光效应及其在偶联因子上作用部位的研究

对溶液 pH、脂类物质、糖浓度、类囊体膜、膜上偶联因子和可溶性偶联因子以及 Mg~(2 )等对金霉素荧光的影响作了研究。结果指出,金霉素与偶联因子结合的荧光峰在440 nm,金霉素与摘除偶联因子后的类囊体膜片结合的荧光峰在530nm。Mg~(2 )可改变金霉素荧光峰的位置及强度,但偶联因子与金霉素的结合与Mg~(2 )无关。 偶联因子经0℃处理变性和用戊二醛处理使结构固定后,它的ATP酶活力下降,金霉素荧光增强效应几乎消失。 用已知作用部位的化学修饰剂NEM和OPDM以及TNBS处理叶绿体或偶联因子时,光合磷酸化和ATP酶活力下降,但加入金霉素可减少NEM和OPDM对光合磷酸化的抑制程度而对TNBS抑制的光合磷酸化活力影响不大。经NEM和OPDM处理后的偶联因子,对金霉素荧光的增强效应显著下降,而经TNBS处理的偶联因子,对金霉素荧光的增强效应仅略有下降。从上述结果推测,金霉素可能是与偶联因子上的γ亚单位或其邻近的区域结合而影响其功能的。     

光对植物线粒体磷酸化活力及耗氧的影响

Gordon等(1960)曾报道红光和远红光对燕麦线粒体氧化磷酸化活力有抑制作用。但是,我们在膜的组合实验中却发现光下较暗中都有一定磷酸化脉冲增益。当线粒体经蔗糖密度梯度提纯后或经低渗溶液涨破离心提纯后,这种光下增益仍可观察到(表1)。因而在氧化磷酸化反应条件下了解光对线粒体的增益效应,照光30秒转暗可以看到增益甚高(表3)。说明光有触发效应。连续照光2分钟较之照光30秒后转暗90秒的处理效应反低,而不同光波下都有这种现象。说明光可能又有抑制效应(表5)。比较不同波长光的增益效应时,红光和远红光都有促进,而红光效应最高(表4、5)。与Gordon等结果不同。 线粒体基础耗氧(State Ⅱ)受光的促进,照光30秒大于连续照光的增益效应(比较图2—A、B、C)。说明光有触发效应和抑制效应。当偶联磷酸化后(State Ⅲ),光的触发效应仍存在,但此时的抑制效应不甚明显(比较图2—A、B、C偶联磷酸化部分)。所以光对嵴膜小囊的影响在耗氧和偶联磷酸化反应上并不相同。     

叶片预照光对光合磷酸化和电子传递偶联效率的促进作用

菠菜叶片经预照光处理后提取的叶绿体,不但光合磷酸化活力增加,而且偶联效率P/O也提高,其提高P/O的作用与多粘菌素的作用不能叠加,叶片预照光可能通过使偶联因子产生漏能减少的变构而提高p/O的。用两阶段光合磷酸化法测得叶片预照光,在促进光合磷酸化时也能促进高能态积累。用CF_1抗体,NEM和五羟黄酮等处理叶绿体的研究表明,叶片预照光引起CF_1的构象变化——γ,亚单位上的SH基内埋而α.β亚单位上的催化中心却更加暴露。活体中的P/O值也许会比一般离体的高。     

金霉素促进光合磷酸化机理的再探

在叶绿体经TPCK—trypsin光下修饰后,电子传递加速、磷酸化解联、膜上偶联因子Mg~(2+)—ATP酶活力促进的条件下,用金霉素处理叶绿体,能降低TPCK—trypsin 对磷酸化的解联程度,部分降低膜上Mg~(2+)—ATP酶的激活。在NEM及TPCK—trypsin共同存在时,金霉素处理仍能部分恢复磷酸化活力。进一步证明了金霉素是作用在偶联因子上的γ亚单位或其邻近部位,使之减少能量耗散而提高磷酸化活力.     

叶绿体结构和功能的研究——Ⅲ.高等植物光合膜上Mg~( )-ATP酶活力的温度效应

本文是在已有工作基础上通过几种植物(菠菜、蚕豆、大麦和小麦)叶绿体片层膜上CF_1-ATP酶活力温度效应的研究,证明结合于膜的Mg~( )-ATP酶活力受控于膜脂。游离的CF_1-ATP酶活力Arrhenius图上并无破折点出现,而结合于膜的Mg~( )-ATP酶温度效应Arrhenius图上都有破折点出现。在测定温度范围内不同植物表现不同,菠菜的有两个破折点,蚕豆、大麦和小麦都只有一个破折点,彼此破折点所在的位置不同,活化能也不同。将菠菜叶绿体片层膜摘除CF_1后的残缺膜与蚕豆CF_1重组;或将蚕豆、大麦和小麦叶绿体制备的残缺膜片与菠菜的CF_1重组,其重组膜系统Mg~( )-ATP酶温度效应Arrhenius图形都与各自的残缺膜原来膜片的Arrhenius图形相似。这些现象支持CF_1-ATP酶活力受控于膜脂。     

蛇毒对菠菜完整叶绿体的作用

用眼镜蛇(Naja naja)蛇毒或由此提取的磷脂酶 A 处理菠菜离体叶绿体,可抑制光合电子传递及光合磷酸化活力。加入人工电子供体 DCPIPH_2或 TMPDH_2后,可测到 NADP 或 MV 光还原,且不受 DCMU 抑制。加入人工电子受体 BQ 或 TQ,能恢复叶绿体的放氧活力,仍偶联有磷酸化作用,但受 DCMU 的抑制。这表明蛇毒抑制的叶绿体可以分别测到光系统Ⅰ及光系统Ⅱ的电子传递。抑制作用是切断了两个光系统之间的电子传递,其抑制部位可能在质醌附近。电子显微镜形态观察指出,蛇毒对叶绿体片层结构的破坏过程,可以与功能上的失活对应起来。     

6-苄氨基嘌呤对叶绿体偶联因子功能的影响

可溶性偶联因子经6-BA修饰后,明显促进Mg~(2 )-ATPase活力。从6-BA处理的叶绿体上洗脱下来的偶联因子,其Mg~(2 )-及Ca~(2 )-ATP酶活力都比对照有明显的增加。从~3H-6BA处理叶绿体上洗脱下来的偶联因子等蛋白,经聚丙烯酰胺电泳分析,~3H-6BA除与偶联因子结合外,还与RuBP羧化酶及其他蛋白结合。用6-BA处理提纯的β亚单位,能明显促进其Mg~(2 )-ATPase活力,表明6-BA至少有一个结合位点是在CF_1的β亚单位上并可影响其能量转换反应。     

植物叶绿体片层膜上腺三磷酶的检定

光合磷酸化反应的发现已有二十五年历史,而关于能量转导机制并未完全澄清。近年来对于氧化磷酸化和光合磷酸化的偶联因子(F_I和CF_1)结构和功能研究,使得逐步明确了它们在能量转导中的作用,特别近年Kagawa对线粒体偶联因子复合体的细致解析和重组工作,进一步使人们认识到偶联因子在磷酸化反应中的重要意义。也引起对     

增甘膦(Glyphosine)和调节膦(Krenite)对叶绿体光化学反应的效应

用2～12 mM增甘膦处理叶绿体,其循环磷酸化活力均高于对照,经增甘膦处理的叶绿体,再用两倍体积的缓冲液洗涤两次并离心,所得叶绿体的磷酸化活力仍比对照的要高。对照叶绿体的非循环磷酸化速度在处理时的较高温下降低得很多,而处理的叶绿体的活力变化不大或略有上升。增甘膦处理的叶绿体,其非循环磷酸化活力和非循环磷酸化条件下的铁氰化钾还原活力均比对照的要高,故其磷/氧值维持不变或略有下降。在5×10~(-5)～5x10~(-3)M,调节膦促进铁氰化钾还原,抑制非循环磷酸化,表现出明显的解联效应。调节膦也抑制循环磷酸化。这种抑制是与反应底物非竞争性的。在抑制磷酸化的有效浓度范围内,调节膦也抑制膜上ATPase活性和光诱导的叶绿体的质子吸收。增甘膦能促进电子传递从而也促进光合磷酸化。调节膦则具有光台磷酸化的解联剂的特征。     

光合磷酸化偶联机制研究——Ⅷ、6-苄氨基嘌呤对光合磷酸化的促进作用

在反应介质pH 7.2条件下,观察到6-BA处理叶绿体后,能促进循环(+PMS)和非循环(+FeCy或MV)的光合磷酸化反应,提高叶绿体的偶联程度,增加P/e_2比值。此促进现象与叶片的生理状态密切有关。在对光合磷酸化有促进作用的情况下,6-BA可改善类囊体的能化状态,增加高能态的积累。对光激活的叶绿体膜上Mg~(2+)-ATP酶和偶联因子热活化的ATP酶活力均表现出促进作用。6-BA的作用部位可能与膜上的偶联因子有关。     

类囊体膜的垛叠、松散与它的功能关系

菠菜完整叶绿体置于4mM MgCl_2或20 mM KCl低浓度介质中低渗10秒钟后,得到由Mg~(++)或K~+离子诱导的类囊体垛叠膜和松散膜。它们在功能上表现出明显的差异。垛叠膜有较高的毫秒级延迟光发射(ms-DLE),松散膜显著降低DLE的快相,垛叠膜比松散膜的9-AA荧光猝灭快,并保持稳定;而松散膜有H~+渗漏。在非循环或Fd催化的循环光合磷酸化中,垛叠膜比松散膜活力高。但是,若在同样的低渗介质中低渗1分钟以上,Mg~(++)离子诱导的垛叠膜,在显微结构上不同于低渗过10秒钟的垛叠膜,它垛叠较松,而且在磷酸化活力上也与松散膜差别不大。揭示了H~+传递速度受二个光系统、电子载体间的距离及偶联程度的限制。新鲜制备的垛叠或松散膜,在NADP~+还原系统中,具有相同的电子传递放O_2速度,说明电子传递速度在一定范围内不受膜间的距离和偶联程度的影响。但是松散膜不稳定,随着膜的老化而解联,牛血清白蛋白(BSA)能稳定松散膜的电子传递。     

菠菜和蚕豆叶绿体CF_1结构与功能的比较

比较了菠菜和蚕豆叶绿体的光合磷酸化活力以及由不同活化方法活化的叶绿体及可溶CF1的Mg2＋－ATPase和Ca2＋－ATPase的活力,观测到两种叶绿体ATPase的合成和水解ATP的功能有明显差异。从两种叶绿体CF1的SDS－PAGE图谱上可见蚕豆CF1的ε亚基分子量明显小于菠菜的,蚕豆CF1的α和β亚基间分子量的差别也比菠菜的小。     

绿豆幼苗线粒体氧化磷酸化偶联因子

分离和初步提纯了绿豆黄化幼苗线粒体氧化磷酸化偶联因子 F_1。结果表明,得到的偶联因子 F_1具有 ATP 酶活性。初步提纯的制剂活性比线粒体的活性提高约54倍,达到水解 ATP生成无机磷2.14微克分子/分钟/毫克蛋白,其最适 pH 为8.5,最适温度为45℃。绿豆线粒体的偶联因子是冷不稳定的;当它与膜分离处于溶解状态时,失去对二环己基碳二亚胺(DCCD)的敏感性;它水解 ATP 需要 Mg~(++),能为2,4-二硝基酚(DNP)激活,但 Ca~(++),NaCl和 KCl 的激活作用没有观察到。利用凝胶电泳证明,它的分子量约为380,000。     

蛋白质嵌入脂质体的研究——Ⅱ.猪心线粒体腺三磷酶复合体在脂质体上进行重组的研究

本文报导从猪心线粒体内膜腺三磷酶复合体拆离疏水蛋白(基部、F_0),成功地与偶联因子F_1组装在脂质体上。并比较了疏水蛋白嵌入脂质体的三种方法(超声法、胆酸盐稀释法、胆酸盐透析法)的重组效果。(1)摸索了从线粒体、亚线粒体提取活力较高的疏水蛋白(F_0)的最适条件。当F_0嵌入脂质体后,腺三磷酶水解活力增高4～6倍,并表现出对寡霉素敏感的特性,酶活力受寡霉素抑制约50%左右。(2)将可溶性腺三磷酶(F_1)与嵌有F_0的脂质体(LF_0)进行重组,~(32)Pi-ATP交换活力、腺三磷酶水解活力以及萤光强度的增加都表明重组获得成功。(3)根据腺三磷酶抑制剂(寡霉素、二环己基碳二亚胺)和解偶联剂(碳酰氰-P-三氟甲氧苯腙)等对重组后上述各项指标的影响,也都表明重组获得成功。(4)对三种嵌入方法(超声、胆酸盐稀释法、胆酸盐透析法)的重组效果进行了比较。实验结果表明,各项指标的表现往往并不一致,重组后~(32)Pi-ATP交换活力以超声法为最高,胆酸盐透析法交换活力最低。     

蛋白质嵌入脂质体的研究——Ⅱ.猪心线粒体腺三磷酶复合体在脂质体上进行重组的研究

本文报导从猪心线粒体内膜腺三磷酶复合体拆离疏水蛋白(基部、F_0),成功地与偶联因子F1组装在脂质体上。并比较了疏水蛋白嵌入脂质体的三种方法(超声法、胆酸盐稀释法、胆酸盐透析法)的重组效果。(1)摸索了从线粒体、亚线粒体提取活力较高的疏水蛋白(F_0)的最适条件。当F_0嵌入脂质体后,腺三磷酶水解活力增高4～6倍,并表现出对寡霉素敏感的特性,酶活力受寡霉素抑制约50%左右(2)将可溶性腺三磷酶(F_1)与嵌有F_0的脂质体(LF_0)进行重组,~(32)pi-ATP 交换活力、腺三磷酶水解活力以及萤光强度的增加都表明重组获得成功。(3)根据腺三磷酶抑制剂(寡霉素、二环己基碳二亚胺)和解偶联剂(碳酰氰-P-三氟甲氧苯腙)等对重组后上述各项指标的影响,也都表明重组获得成功。(4)对三种嵌入方法(超声、胆酸盐稀释法、胆酸盐透析法)的重组效果进行了比较。实验结果表明,各项指标的表现往往并不一致,重组后~(32)Pi-ATP 交换活力以超声法为最高,胆酸盐透析法交换活力最低。     

菠菜和蚕豆叶绿体CF1结构与功能的比较

比较了菠菜和蚕豆叶绿体的光合磷酸化活力以及由不同活化方法活化的叶绿体及可溶ＣＦ１的Ｍｇ＾２＋－ＡＴＰａｓｅ和Ｃａ＾２＋－ＡＴＰａｓｅ的活力,观测到两种叶绿体ＡＴＰａｓｅ的合成和水解ＡＴＰ的功能有明显差异。从两种叶绿体ＣＦ１的ＳＤＳ－ＰＡＧＥ图谱上可见蚕豆ＣＦ１的ε亚基分子量明显上于菠菜的,蚕豆ＣＦ１的α和β亚基间分子量的差别也比菠菜的小。     

各种植物叶片上清液对不同叶绿体的环式光合磷酸化的影响——初步报告——

甜菜叶片的匀浆用10000×g和140000×g离心后,其上清液中有一种(或几种)物质,这种物质对菠菜和莴苣叶绿体的环式磷酸化反应速度有很强的促进作用,对于甜菜本身叶绿体则没有作用。上清液用丙酮沉淀或凝胶过滤后仍有活性。经过100℃温度处理后四分之三的活性丧失。初步测定这种物质的分子量在60000以上。菠菜上清液对甜菜和莴苣叶绿体的环式磷酸化亦有促进作用,对菠菜叶绿体本身则无促进作用。莴苣上清液对甜菜、菠菜和莴苣本身叶绿体的环式磷酸化都有促进作用。这种现象我们暂称之为“互补”效应。