叶绿体结构和功能的研究 Ⅱ.光合磷酸化偶联因子的提纯和互换

前报指出高等植物不同品种间偶联因子互换,光合磷酸化活力的恢复比同种重组的高。但所用的偶联因子是粗提物或部分提纯的制备物。因此,用提纯的偶联因子来检定此效应很有必要。本文比较了几种提取纯化偶联因子的方法,发现叶绿体先经氯化钾稀溶液除去杂蛋白质,再用乙二胺四乙酸(EDTA)稀溶液提取,提取物在聚丙烯酰胺凝胶电泳上表现为单带。菠菜的残缺膜片与用此种方法提纯的蚕豆或大麦偶联因子(CF_1)保温时,恢复的磷酸化活力仍比与菠菜提纯的偶联因子重组活力高。所以我们认为,不同品种间互换偶联因子的增益效应是由于偶联因子本身,而非粗提液中所含的其他物质的作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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——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。     

寡霉素对叶绿体质子传导的作用

在叶绿体中,寡霉素具有加速类囊体内部质子(H~ in)流出的作用,相应地加速光合磷酸化高能态的暗衰变;寡霉素完全不能恢复叶绿体残缺膜在光下形成膜内外质子浓度梯度的作用,它对H~ in流出的加速,不是由于对类囊体膜透性的影响,而是影响于ATP酶复合体的质子传导。由于这种加速作用,导致类囊体在光下形成的膜内外质子浓度梯度的降低,从而抑制了光合磷酸化活力。 可溶性的CF_1经用DTT或胰蛋白酶活化后所表现出的Ca~( )ATP酶活力对寡霉素敏感不同,DTT活化者受寡霉素的抑制,而胰蛋白酶活化者则不敏感。说明它的作用部位是在CF_1上而不在CF_0上,而且可能与胰蛋白酶活化时切去的多肽有关。 寡霉素对电子传递有一抑制作用部位,但其作用较轻微。     

醋酸酐对叶绿体偶联因子的化学修饰效应

醋酸酐处理叶绿体导致与偶联因子有关的部分反应不可逆的失活,这些反应包括偶联的电子传递、光合磷酸化、膜上腺三磷酶活性、~(32)P?ATP交换和质子吸收。低浓度醋酸酐处理叶绿体,只抑制偶联的电子传递而不影响基础电子传递,表明能量转换的偶联机构对醋酸酐的化学作用更为敏感。膜上偶联因子在合成、水解和交换腺三磷的能力上,均因醋酸酐的作用而减弱。偶联因子中具有这些能力的活性部位可能就是醋酸酐的作用靶子。利用在不同pH的反应介质中测最大反应速度而求出参与酶活性中心的氨基酸pK估计值的方法,认为醋酸酐可能修饰了膜上偶联因子活性部位的氨基残基。     

草甘膦对叶绿体能量转换的影响

除草剂草甘膦抑制植物叶绿体光合磷酸化活力,促进希尔反应活力,表现出明显的解偶联效应。它对叶绿体膜上腺三磷酶(ATPase)活力也起抑制效应,说明ATP合成被抑制不是由ATP酶活力变化所引起。这种解偶联现象主要是因光下质子转移受到抑制,在较低浓度的草甘膦影响下,先抑制质醌转移的质子进入膜内腔,浓度增加到20 mM,对水释放质子也有抑制。所以草甘膦对叶绿体能量转换的影响主要反映在质子转移被抑制,引起磷酸化活力受抑制。     

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。     

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。     

玉米叶绿体atpB基因表达产物的特性及其抗体对CF_1功能的影响

利用大肠杆菌获得玉米叶绿体ａｔｐＢ融合基因及非融合基因的高效表达。从大肠杆菌中部分分离纯化得到的这些ａｔｐＢ基因表达产物都表现出微弱的水解ＡＴＰ的活力。由其中一种融合蛋白β_１制备得到的抗血清对菠菜叶绿休偶联因子的光合磷酸化功能影响不明显,对游离ＣＦ_１的Ｃａ~（２＋）－ＡＴＰ酶活力也无明显影响,但却能明显地促进它的Ｍｇ~（２＋－）ＡＴＰ酶活力。     

叶绿体结构和功能的研究——Ⅳ、红霉素对叶绿体能量转换的效应

研究了红霉素对叶绿体能量转换的效应,获知:10(-4)M红霉素抑制循环和非循环光合磷酸化,这种抑制是与反应底物ADP非竞争性的。在抑制ATP合成的浓度范围内,红霉素对基础电子传递的速率并无影响,但它抑制因偶联磷酸化而促进的那部分电子传递。红霉素还抑制膜上Mg~(2 )-ATP酶的活性。以上结果表明,红霉素似有光合磷酸化能量传递抑制剂的特点,它的作用部位可能接近膜上CF_2,或ATP酶的催化部位。     

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。     

NaN3对叶绿体Mg^2＋—ATPase的抑制作用再探

ＮａＮ３能抑制新鲜菠菜叶片叶绿体经ＤＴＴ和光激活的Ｍｇ＾２＋－ＡＴＰａｓｅ活力。这种抑制属非竞争性抑制。ＮａＮ３还能降低新鲜菠菜叶片叶绿体的反映光合磷酸化高能态的毫秒延迟发光和减少反映类囊体膜质子吸收变化的叶绿体的９－氨基吖啶的荧光猝灭。菠菜叶片经低温贮存几天后其叶绿体的超微结构发生变化,ＮａＮ３对绿体的上述影响就消失或基本消失。本实验指出ＮａＮ３是新鲜叶片叶绿体Ｎ＋－ＡＴＰａｓｅ的一个强有力的抑     

叶绿体atpE基因表达产物的生化特性

在细菌中表达的叶绿体ａｔｐＥ基因产物ε亚基蛋白对不同方式激活的叶绿体ＡＴ－Ｐａｓｅ均有抑制作用,而其抗血清则促进ＡＴ－Ｐａｓｅ活力。Ｅ．ｃｏｌｉ中表达的ε亚基蛋白在光合磷酸化反应中对循环和非循环光合磷酸化都有促进作用,其抗血清对循环光合磷酸化有抑制作用,而对非循环光合磷酸化则起促进作用。     

NaN_3对叶绿体Mg~（2＋）－ATPase的抑制作用再探

ＮａＮ３能抑制新鲜菠菜叶片叶绿体经ＤＴＴ和光激活的Ｍｇ２＋－ＡＴＰａｓｅ活力。这种抑制属非竞争性抑制。ＮａＮ３还能降低新鲜菠菜叶片叶绿体的反映光合磷酸化高能态的毫秒延迟发光和减少反映类爱体膜质子吸收变化的叶绿体的９－氨基吖啶的荧光猝灭。菠菜叶片经低温贮存几天后其叶绿体的超微结构发生变化,ＮａＮ３对叶绿体的上述影响就消失或基本消失。本实验指出ＮａＮ３是新鲜叶片叶绿体Ｈ＋－ＡＴＰａｓｅ的一个强有力的抑制剂。其影响受叶绿体制剂的内源无机磷酸盐含量调节。     

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.     

光合磷酸化的研究 Ⅷ.黄化小麦幼苗变綠时光合磷酸化活力的发生

(1)黄化小麦幼苗初变绿时,光合磷酸化活力之发生远较叶绿素的生成为迟。在实验条件下,照光变绿3小时后,才可测得光合磷酸化活力,且其按叶绿素为基础计算的活力随照光变绿时间的增加而增加,至照光变绿7—8小时后,叶绿体上叶绿素含量尚在继续增加,但光合磷酸化活力则趋向恒定。(2)在黄化幼苗变绿初期,测得的循环光合磷酸化ATP形成能力较非循环光合磷酸化ATP形成能力高得多,以后较接近;但将循环光合磷酸化之ATP形成能力与非循环光合磷酸化之放氧能力相比较,则其比例在不同时期相差不大。这说明,在变绿初期非循环光合磷酸化之ATP形成能力特别小的原因,主要是由于当时它的偶联程度特别低,并不是因为它较循环光合磷酸化多牵涉到放氧等步骤,而这些步骤可能发生得较晚所致。以DCPIPH_2作氢供体的氧化光合磷酸化活力的最初增长情况与以Fe(CN)_6~≡作氢受体的非循环光合磷酸化ATP形成能力的增长情况一样,均比以PMS促进的循环光合磷酸化活力增长时间为晚,这结果也有助于证明非循环光合磷酸化ATP形成能力增长较晚的原因与它牵涉到放氧步骤无关。(3)使黄化变绿幼苗光合磷酸化、希尔反应活力达到饱和所需的光强度与绿苗所需的相仿。变绿初期的叶绿体,其光合磷酸化作用有很强的“光强效应”,卽弱光下电子传递速度慢、PSP活力低时,与磷酸化的偶联程度会急剧下降。这现象可能是造成变绿初期测得的非循环光合磷酸化ATP形成能力特别低的原因。(4)黄化幼苗变绿时,同化CO_2能力之发生时间与光合磷酸化活力之发生时间差别不大,但以叶绿素为基础计算,前者的活力较早达到恒定。