蓝藻(A.variabilis)藻胆体核结构与功能的研究II.变藻蓝蛋白六聚体内能量传递过程的物理机制

以变藻蓝蛋白的晶体结构和光谱性质为基础,利用密度矩阵理论对变藻蓝蛋白六聚体内的激发能传递物理机制进行分析,并利用时间分辨荧光光谱技术对其能量传递途径进行实时探测。结果表明：在变藻蓝蛋白六聚体内,色素对（毗邻单体上的色素αｉ８４βｊ８４,其中ｊ＝ｉ±１,和β＊ＬＣＭ４２）内的能量传递服从激子偶极－偶极相互作用机制;而色素对之间的能量传递机制则为Ｆｒｓｔｅｒ偶极－偶极相互作用机制,并且其能量传递途径分为两类：（１）．两个变藻蓝蛋白三聚体之间色素对的能量传递,其时间常数大约为１５ｐｓ左右;（２）．同一变藻蓝蛋白三聚体内色素对间的能量传递,在ＡＰＩＩ三聚体内,其能量传递时间大约为４５ｐｓ左右,而在ＡＰＩ三聚体内,其能量传递时间常数为４５ｐｓ和６５ｐｓ。     

藻蓝蛋白与含叶绿素a脂质体之间的能量传递

制备了嗜热蓝藻优雅粘囊藻（Ｍｙｘｏｓａｒｃｉｎａ　ｃｏｎｃｉｎnａ　Ｐｒｉｎｔz）的藻蓝蛋白和含Ｃｈｌ　ａ脂质体,测定了它们的吸收光谱和低温荧光发射光谱,研究了藻蓝蛋白与含Ｃｈｌａ脂质体之间的能量传递。结果显示能量传递的效率随着脂质体膜表面电荷的改变而改变：当膜表面带负电荷时,能量传递效率降低;当膜表面带正电荷时,能量传递效率随着正电荷表面活性剂ｄｉｏｃｔａｄｅｃｙｌｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ（ＤＯＤＡＣ）的增加（从０到３０ｍｏｌ％）而升高。表明静电引力在它们的能量传递中起重要作用。     

蓝藻藻胆体与类囊体膜之间光能传递的研究

从嗜热蓝藻优雅粘囊藻（Ｍｙｘｏｓａｒｃｉｎａ ｃｏｎｃｉｎｎａ Ｐｒｉｎｔｚ．）中分离到具有放氧活性的藻胆体－类囊体膜复合物。它的吸收峰位于６８０、６２８、４９０、４３８和４２０ ｎｍ ,在低离子强度（０．１～０．４ ｍ ｏｌ／Ｌ）磷酸缓冲液中的６６４ ｎｍ 荧光发射峰随离子强度的降低而升高,７１８ ｎｍ 荧光发射峰与此相反（７７ 。Ｋ,Ｅｘ＝ ５８０ ｎｍ ）。当把游离的藻胆体和已解离去藻胆体的类囊体膜在蔗糖磷酸缓冲液中重组时,随时间延长（０～６０ ｍ ｉｎ）,７１８ ｎｍ 荧光发射峰逐渐升高,６８５ ｎｍ 荧光发射峰逐渐下降（７７ 。Ｋ,Ｅｘ ＝ ５８０ ｎｍ ）,表明藻胆体与类囊体之间的解离和结合对光能传递的影响     

蓝藻(A.variabilis)藻胆体核结构与功能的研究II.变藻蓝蛋白六聚体内能量传递过程的物理机制

以变藻蓝蛋白的晶体结构和光谱性质为基础,利用密度矩阵理论对变藻蓝蛋白六聚体内的激发能传递物理机制进行分析,并利用时间分辨荧光光谱技术对其能量传递途径进行实时探测。结果表明：在变藻蓝蛋白六聚体内,色素对（毗邻单体上的色素αｉ８４βｊ８４,其中ｊ＝ｉ±１,和β＊ＬＣＭ４２）内的能量传递服从激子偶极－偶极相互作用机制;而色素对之间的能量传递机制则为Ｆｒｓｔｅｒ偶极－偶极相互作用机制,并且其能量传递途径分为两类：（１）．两个变藻蓝蛋白三聚体之间色素对的能量传递,其时间常数大约为１５ｐｓ左右;（２）．同一变藻蓝蛋白三聚体内色素对间的能量传递,在ＡＰＩＩ三聚体内,其能量传递时间大约为４５ｐｓ左右,而在ＡＰＩ三聚体内,其能量传递时间常数为４５ｐｓ和６５ｐｓ。     

多变鱼腥藻中藻红蓝蛋白三聚体内能量传递的机制(Ⅱ)

通过利用稳态光谱技术 ,时间分辨荧光光谱技术对多变鱼腥藻 (A .vari abilis)中藻红蓝蛋白三聚体 (αβ) ₃ 内能量传递进行了研究 .结果表明 :在藻红蓝蛋白三聚体内 ,单体内α -PVB发色团与β -PCB发色团间的能量传递仍然存在 ,其能量传递时间常数分别为 30和 1 75～ 2 0 0 ps;与单体不同的是在各向异性的时间分辨荧光光谱结果中 ,得到一个 45ps左右的时间传递常数 ,把其归属为PEC三聚体内 β₈₄ -PCB发色团之间的能量传递过程 .同时也证实在PEC三聚体内 ,β₈₄ -PCB发色团与β₁₅₅ -PCB发色团的激发态能级发生反转 .     

光动力复合藻胆蛋白及其分子内能量传递现象

通过杂双官能团偶联试剂,３－（２－吡啶联疏基）丙酸Ｎ－羟基琥珀酰亚胺酯（ＳＰＤ）,我们合成了Ｒ－藻红蛋白（Ｒ－ＰＥ）与变藻蓝蛋白（ＡＰＣ）的共轭复合物。这种光动力复合藻胆蛋白具有一些特别的光物理性质,如很大的ｓｔｏｋｅｓ位移（约１７０ｕｍ,４９０ｎｍ激发,６６５ｎｍ发出荧光）、高效的分子内能量传递效率等。复合物中Ｒ—ＰＥ与ＡＰＣ的摩尔比为１４,且Ｒ—ＰＥ和ＡＰＣ在复合物中保持了它们各自的光谱性质。通过荧光发射光谱,我们观察到了这种复合藻胆蛋白的分子内能量传递现象,计算表明从Ｒ—ＰＥ到ＡＰＣ的分子内能量传递效率为６５％。二硫苏糖醇（ＤＴＴ）对复合物中联结Ｒ—ＰＥ与ＡＰＣ间的脂族二硫桥键的还原导致分子内能量传递的阻断这一现象进一步证实了复合物中存在分子内能量传递现象。根据Ｆｏｒｓｔｅｒ能量转移机理,计算得出给体与受体发色团间距离为７２Ａ,这一距离与两种蛋白的大小是基本相符的。     

PSⅡ反应中心与捕光天线系统之间的能量传递研究

光合作用的核心问题之一是光合作用的原初反应,即光能的高效吸收、转化和传递的机理。由于PSⅡ与水裂解、氧释放密切相关,因此,PSⅡ反应中心原初反应和能量传递的机理研究具有重要的理论意义。最近,PSⅡ捕光天线复合物以及细菌外周天线复合物的三维空间结构被揭示,反应中心及捕光天线的能量传递规律日益成为新的研究热点之一。近年来,国际上许多实验室采用时间分辨荧光光谱和吸收光谱等技术,利用不同层次的样品,对PSⅡ的原初反应包括能量传递过程的动力学性质进行了研究。但是,不同实验室得到的动力学数据以及对实验数据的解释都存在较大差异。我们实验     

表面活性剂对小麦光系统Ⅰ叶绿素结合状态和能量传递的影响

表面活性剂在光合膜色素蛋白复合物的分离纯化和结构功能研究中有十分广泛的应用。为了探讨表面活性剂与光系统Ⅰ（PSⅠ）的相互作用机理,选择了两种具代表性的表面活性剂TritonX-100和十二烷基磺酸钠（SDS）,选取一系列浓度值研究了它们对PSⅠ的相互作用机理,选择了两种具代表性的表面活性剂Triton X-100和十二烷基磺酸钠（SDS）,选取一系列浓度值研究了它们对PSⅠ的影响,结果表明,SDS处理时,PSⅠ在区和蓝区的表观吸收峰值下降,峰位蓝移：TritonX-100使红区吸收峰值下降,峰位蓝称,但却使PSⅠ颗粒蓝区表观吸收升高,四阶导数光谱显示小麦（Triticum aestivumL.)PSⅠ颗粒中较长吸收波长的669nm和683nm状态叶绿素a分子受影响较大,两吸光度值互为消长且变化呈轴对称形式,而649nm组分（叶绿素b)在两作用下变化较小。表面活性剂使PSⅠ颗粒长波长荧光急剧下降,并在680nm左右出现新的荧光发射峰,可见其阻碍了激发能由天线色素向反应中心的传递。以上的变化说明SDS和TritonX-100对PSⅠ载体蛋白的微环境甚至结构产生影响而导致色素与蛋白结合状态发生改变,或从蛋白上脱落下来,最终影响到光能的吸收和能量传递。     

螺旋藻变藻蓝蛋白内能量传递机制的研究

利用ｐｓ时间分辨荧光光谱技术研究两种不同结构变藻蓝蛋白复合物ＡＰ６６５和ＡＰ６６０内能量传递过程,讨论了变藻蓝蛋白三聚体和单体内激发态作用机制。结果表明,ＡＰＣ单体只有一个短寿命（７５ｐｓ）,来源于其两个亚基α８４／β８４间能量传递过程,另一长寿命（１０８０ｐｓ）是β８４基态恢复的平衡时间。两种ＡＰＣ三聚体均含有一个短寿命组分,从１６ｐｓ（ＡＰ６６０）到４８ｐｓ（ＡＰ６６５）,它们来源于三聚体内互为Ｃ３对称单体内α８４／β８４间能量传递过程。ＡＰ６６０由于结构对称性低出现的短寿命组分（１０６ｐｓ）,可指认为低对称单体的α８４／β８４之间能量传递时间常数。连接多肽对ＡＰＣ三聚体性质的影响明显地表现在其荧光衰减动力学过程中。     

PSⅡ核心复合物能量传递的飞秒时间分辨荧光光谱学研究

运用稳态、瞬态荧光光谱技术对光系统Ⅱ核心复合物的能量传递动力学进行研究.分别用436 nm光脉冲激发叶绿素a分子、45l nm光激发叶绿素a和β-胡萝卜素分子、473和481 nm光激发β-胡萝卜素分子,得到5组反应能量传递、电荷重组等过程的寿命组分:8～40 ps为核心天线中β-胡萝卜素分子通过相邻β-胡萝卜素分子或中间叶绿素a向叶绿素a分子传递能量的时间;85～152 ps为核心天线色素分子激发能传递时间;201～925 ps反映部分电荷重组过程;1.03l～1.2l ns为参与能量传递的色素分子从激发态衰退回到基态的时间;6.17～18.13 ns的长寿命时间组分归因于P680+Pheo-的重组过程.将荧光发射谱进行高斯解析,发现在核心复合物中还至少存在Chla 685 683、Chla 682 680、Chla679 673,677三种特征叶绿素a分子.     

光系统Ⅱ捕光复合体飞秒时间分辨荧光特性的研究

采用时间分辨荧光光谱技术研究了菠菜（Spinacia oleracea L.）叶绿体叶捕光色素复合体（LHC Ⅱ）荧光的时间特性和光谱特性。用脉宽为120fs、波长为400nm的倍频钛宝石激光激发LHCⅡ样品;原始荧光信号由Boxcar采集,通过建立多指数模型,用非线性最小二乘法拟合,得到了激发能在LHCⅡ中传递的时间常数分别为：320fs、4.0ps和20.0ps。相对应的各组分荧光占总荧光的非分比分别为：3.4%、50.0%和46.6%。经全局分析,解得荧光强度随波长变化曲线;用高斯3峰解叠得到荧光光谱的峰值波长分别为：652nm、672nm和691nm。通过分析得出了时间常数与LHCⅡ中各色素成分之间的对应关系,并给出了可能的能量传递模型。     

藻胆蛋白复合物的合成及其分子内能量传递

通过偶联剂3-(2-吡啶联巯基)丙酸N-羟基琥珀亚胺酯(SPDP)及改变配料比, 合成了两个R-藻红蛋白(R-PE)与C-藻蓝蛋白(C-PC)的复合物A和B.利用吸收光谱确定了分子内R-PE与C-PC的摩尔比为6∶1和2∶1. 通过荧光光谱, 观察到能量传递现象, 并计算出能量传递效率为63%和88%.证明分子内能量传递效率很高. 二硫苏糖醇(DTT)还原连接R-PE与C-PC的二硫桥键后, 能量传递被阻断. 这一现象进一步证明复合物中存在分子内能量传递.     

三种藻胆蛋白在复合累积LB膜中的能量传递

制备了R-藻红蛋白(R-PE)、C-藻蓝蛋白(C-PC)及变藻蓝蛋白(APC)的单组分累积LB膜及三组分复合累积LB膜. 吸收及荧光光谱测定表明三种蛋白的LB膜的光谱重叠性质与他们在水溶液中的性质相同. 结构测定表明, 三种蛋白在其LB膜中排列有序, 且由它们组装的复合累积LB膜结构类似于藻类植物中的藻胆体结构. 通过稳态荧光光谱及其光谱解叠, 观察到了三种蛋白在复合累积LB膜中的激发能量传递现象. 根据给体荧光峰的猝灭, 计算出在复合累积LB膜中从给体R-PE经C-PC到受体APC的能量传递效率为51%.     

铜离子对钝顶螺旋藻完整细胞中光系统Ⅱ活性和藻胆体能量传递的影响

Cu2 抑制钝顶螺旋藻 ( Spirulina platensis)完整细胞中电子传递活性 ( H2 O→ MV) ,并抑制 PS 的放氧活性。低浓度的 Cu2 处理 ,使钝顶螺旋藻细胞中藻蓝蛋白荧光发射峰位置蓝移、发射强度改变 ,表明藻胆体中能量传递发生了变化。Cu2 处理纯化的藻蓝蛋白 ,使其在长波区 ( 61 6— 62 0 nm)吸收减小、荧光发射峰蓝移 ( 64 7nm→ 64 3nm) ;而变藻蓝蛋白不受影响 ,说明 Cu2 选择性作用于藻蓝蛋白。     

藻胆体结构与功能的研究概况

与隐藻及甲藻不同,蓝藻和红藻中的藻胆蛋白并非独立地行使能量吸收与传递的功能,而是通过连接多肽将不同类型的藻胆蛋白按照一定的次序组合在一起,形成高度有序的超分子复合体——藻胆体,存在于光合膜的表面,作为光合作用能量吸收与传递的功能单位。藻胆体分子量的范围介于7×106至15×106道尔顿之间,形状及大小与藻的种类密切相关。       

蓝藻藻胆体的体外组装研究进展

光合作用的第一步是高效地捕获和传递光能.藻胆体位于蓝藻和红藻细胞的类囊体膜外朝向基质一侧,结构上主要由藻胆蛋白和连接蛋白构成,且功能上以不低于98%的效率捕获和传递光能至PSⅡ.3种类型的藻胆蛋白单体的结构类似,由于含有不同数目和种类的色素分子以及藻胆蛋白结构的细微差别导致光能最大吸收波长不同.藻胆蛋白以不同寡聚形式,加上连接蛋白的作用,依靠氢键和极性相互作用,自发组装为高度有序的完整藻胆体结构.科学家尝试体外合成和组装藻胆体,但目前只达到三聚体形式,六聚体及更高级组装远未解决.本文主要从生物组合合成的角度,综述了体外从头合成和组装完整藻胆体的历程和进展,并展望了迄今完成的最高级别的重组别藻蓝蛋白三聚体的应用.     

PSII核心复合物能量传递的飞秒时间分辩荧光光谱学研究

运用稳态、瞬态荧光光谱技术对光系统Ⅱ核心复合物的能量传递动力学进行研究。分别用436nm光脉冲激发叶绿素a分子、451nm光激发叶绿素a和β-胡萝卜素分子、473和481nm光激发β-胡萝卜素分子,得到5组反应能量传递、电荷重组等过程的寿命组分：8～40 ps为核心天线中β-胡萝卜素分子通过相邻β-胡萝卜素分子或中间叶绿素a向叶绿素a分子传递能量的时间;85～152 ps为核心天线色素分子激发能传递时间;201～925ps反映部分电荷重组过程;1．031～1．21ns为参与能量传递的色素分子从激发态衰退回到基态的时间;6．17～18、13 ns的长寿命时间组分归因于P680^ Pheo^-的重组过程。将荧光发射谱进行高斯解析,发现在核心复合物中还至少存在Chla683^685、Chla680^682、Chla673,677^679三种特征叶绿素a分子。