藻类天线系统的结构与功能研究进展

藻类在植物进化序列中处于低等的光合细菌和高等植物之间.藻类和高等植物光合器相似,它们都有光系统Ⅱ和光系统Ⅰ两个光合反应中心,因而它们具有相似的光合作用功能,因此藻类光合作用的研究具有一般的意义;另一方面,高等植物的捕光天线是类囊体膜内的叶绿素,而藻类的捕光天线色素主要集中于紧连在类囊体膜外的藻胆体内.藻胆体是由多种藻胆蛋白组成的超分子复合物,含有数百个开链四吡咯色团,分子量高达几百万道尔顿.藻胆体的核心部分是变藻蓝蛋白,由核心向外放射状排列六根由藻红和藻蓝蛋白构成的天线杆,藻胆体的结构如图1所示.各种藻胆蛋白的巧妙搭配使得藻胆体内具有非常高能量传递效率(90%以上).因而,研究藻类天线系统的结构与功能,弄清其中高效能量传递的分子机理,对人工利用太阳能和光能转换器件的开发有借鉴和指导意义,多年来,藻类天线系统的结构与功能研究一直是重要的研究课题之一.     

与光系统Ⅱ颗粒结合的蛋白酶的初步分析

叶绿体是植物进行光合作用的细胞器,光合作用中光能的吸收、传递和转化、水的裂解及光合磷酸化等功能均是在具有一定分子排列和空间构象并镶嵌于类囊体膜上的叶绿素蛋白复合体中进行的。叶绿体类囊体膜蛋白的周转需要多种蛋白酶的水解作用。在蛋白质合成后加工成熟中,已证实光系统Ⅱ(PS Ⅱ)反应中心D1蛋白(Q_B结合蛋白)的C-末端加工需要一个类囊体膜结合的蛋白酶,质体菁N-末端加工也需要一个类囊体结合的蛋白酶,与PSⅡ水裂解相关联的三种外在性水溶性蛋白如同Cyt.b-f在整合到膜上时需要类囊体膜结合     

基于类囊体膜的光能利用和光动力学治疗

类囊体膜由光合色素、脂类和蛋白质组成,是绿色植物、真核藻类与蓝藻进行光合作用光反应的主要场所.光反应包括水的光解和光合电子传递两个核心过程,前者将光能转化为电子,后者将电子转化为活跃化学能.光反应中的电子传递和氧化还原特性使得类囊体膜可以被应用于生物光电化学和生物光电催化两种光能利用系统.基于类囊体膜的光能利用系统不仅具有材料可再生和低碳绿色等优势,而且具有比完整光合细胞更高的能量效率.同时,类囊体膜中含有光敏剂叶绿素,并具有光合放氧特性和过氧化氢酶活性,使其可以应用于肿瘤的光动力学治疗.本文系统地总结了近年来类囊体膜在这些领域中应用的最新进展,重点介绍了类囊体膜在这3个领域的应用形式和作用机制,讨论了类囊体膜在应用过程中面临的问题与挑战,并对未来研究方向进行了展望.     

光合色素能量传递的一种可能机理

引言光合作用是由色素分子受光激活开始的。光合色素种类很多,但只有少数的色素分子引起光化学反应。许多证据表明,天线色素捕集的光能向P_(700)与P_(680)传递的速度极快且效率极高。对于能量传递的机理,过去几十年中主要流行弱偶联的Forster理论,但有证据表明Forster理论出现了一些破绽。近几年来,提出了生物能的孤立子学说,认为生物体内能量传     

变形菌视紫质——海洋光能生物利用的新途径

海洋环境基因组研究的突破揭示出海洋细菌中存在可利用光能的视紫质――变形菌视紫质(PR). 基因及其蛋白序列分析和激光诱导光解实验等证明PR属于质子泵型视紫质, PR将光能转化成细胞膜内外质子梯度化学势能, 并用于合成ATP. PR的发现揭示了海洋中存在与依赖于叶绿素进行光合作用完全不同的光能生物利用的新途径. 已有研究表明PR细菌是地球上最丰富的生物之一. 表层海水中PR细菌约占总细菌数量的13%, 而每个细胞中PR的平均分子数约为2.5×10⁴个. 显然, PR在海洋能量代谢以及碳循环中的作用不可忽视. 基于对国外研究的认识和我们对中国海PR研究的结果, 提出了海洋生态系统中的包括光合色素途径和非光合色素途径的能流和碳循环模型.     

好氧不产氧光合异养细菌及其在海洋生态系统中的作用

海洋生态系统中好氧不产氧光合异养细菌(AAPB)有着独特的生理特征和生态功能. AAPB具有罕见的3裂方式, 形成“Y”形细胞, 并常集合成自由漂浮的群体. 绝大多数AAPB是专性好氧的. AAPB以细菌叶绿素(BChl a)为惟一的光合色素, 且细胞BChl a含量(分子数)明显比典型的厌氧光合菌低, 但其胡萝卜素含量很高且种类繁多. 除了普遍存在的含Mg的BChl a外, 有的AAPB 还有含Zn的BChl a. AAPB具光捕获系统Ⅰ, 但常缺少光捕获系统Ⅱ. 尽管AAPB可利用光进行光合作用, 但其生长对光无依赖性, 它们具有控制自身光合作用的机制. AAPB分布广泛, 在海洋特别是贫营养的大洋环境的生物量中占有重要份额, 在碳及其他生源要素生物地球化学循环中扮演着独特的角色. 同时AAPB对重金属的矿化作用、解毒以及在生物除污方面有着巨大潜力. AAPB研究对于光合作用的起源与进化、环境调控, 以及海洋生态系统的结构与功能的深入认识具有重要意义.     

TCA法去除放氧外周蛋白对PSⅡ放氧侧的影响

具有放氧活性的光系统Ⅱ(PSⅡ)膜颗粒主要由反应中心蛋白D1和D2、细胞色素b559、叶绿素结合蛋白CP47和CP43、分子量分别为17,23和33 ku的外周蛋白以及光能转换所必需的辅助因子组成.吸收光能后,放氧机构通过S_0→S_4循环转换氧化还原状态,将水分解形成分子氧.3个外周蛋白在光合氧释放过程中起着重要的作用.最近我们报道了一种新的释放PSⅡ放氧外周蛋白的方法:用不同浓度的三氯乙酸盐(TCA-NaOH)缓冲液处理PS Ⅱ膜颗粒,可以将3个外周蛋白逐一释放,这种处理同其它处理方法不同,不依赖于光照和介质pH,而且PSⅡ膜颗粒依然保持光化学活性,该方法使我们能够有特点地探讨放氧机构,如了解一个外周蛋白的逐次丢失给PSⅡ反应中心的结构带来什么样的改变以及对光能转换机制造成何种影响?本文中,我们利用Fourier变换红外光谱     

改变捕光色素比例用于提高微藻光合效率

改变微藻的捕光色素系统比例被认为是提高其光合作用效率的有效途径, 但对其基本原理尚不清楚. 以空间飞行后分离的微藻突变株为材料, 通过对其生长、光合放氧、色素比例、低温荧光发射和电子传递速率等的研究发现, 微藻突变株的捕光色素比例改变引起的光能高效传递和利用, 有可能是引起其光合作用效率提高及生长加快的原因.     

光对高等植物基因表达的调控作用

光是高等植物生长发育及其分化过程中的一个极为重要的环境因子。除利用光能来转化和贮藏能量的光合作用这一高能反应外,植物对光的另一个低能反应——光形态建成反应已日益受到研究者们的重视。植物的光形态建成反应实质上是受光调控的植物的生长、发育和分化的过程。这个过程中,光的几个参数都很重要,它们是:光谱质量(光质)、光照度(光强)、光照频率(单位时间的照光次数)和持续时间、以及光照的空间对称性与非对称性。从40年代发现光敏色素至今,人们对于植物对光的反应的研究已分别从植株、器官、组织、细胞及分子水平进行了大量的工作。去年10月在日本召开的第16届国际植物学会议,专门讨论了植物光敏色素及植物的光形态建成,会议的论文几乎都是从分子水平上进行的,特别是其中有相当数量的报道是关于高等植物的基因表达受光调控方面的研究成果,表明植物光生物学的研究益已进入分子生物学时代。     

X射线衍射用的R-藻红蛋白晶体生长

藻红蛋白是红藻、蓝绿藻类的一种光合辅助色素。它在光合作用中起着重要的作用。在微观上正确理解光合作用、光能吸收和传递的物理机制,研究藻胆蛋白的分子结构是十分必要的。迄今为止,国     

嵌入π共轭分子的双层类脂膜的制备及其伏安行为

人造双分子层类脂膜(BLM)是利用简单膜模型系统研究复杂的生物膜结构与功能的新技术和新途径.自60年代初Fishman首先在水相中制得双分子磷脂膜以来,双层脂膜系统已被广泛地用于模拟生物膜的物理、化学、生物学现象的研究.本工作设计了一套制备不对称BLM体系的简易装置和膜电化学检测系统,并试验了膜中分别嵌入四氰基对醌二甲烷、四苯基卟啉、镍-四苯基卟啉以及富勒烯(C_(60))等π共轭分子修饰后的循环伏安行为.     

叶片光合细胞在人工培养下的生长和分裂

高等植物叶片的绿色细胞,具有植物界特有的叶绿体,是利用太阳能进行光合作用的重要功能细胞。我们在小麦、水稻、玉米等作物叶片细胞研究中,了解到这种细胞在结构上的多样性与复杂性,是研究叶绿体的结构与功能的重要材料,而绿色光合细胞和叶绿体的离体培养则是研究叶绿体结构与功     

高等植物光系统Ⅰ-捕光天线Ⅰ(PSⅠ-LHCⅠ)超分子复合物的晶体结构和能量传递途径

光合作用光能的吸收、传递和转化是由位于光合膜上具有特定的分子排列和空间构象的色素蛋白复合物光系统Ⅱ(PSⅡ)和光系统Ⅰ(PSⅠ)所推动的.其中PSⅠ是一个具有极高效率的太阳能转化系统,其量子转化效率几乎为100%,但其高效吸能、传能和转能的结构基础尚不清楚.从高等植物碗豆的叶片提取了高纯度的光系统Ⅰ-捕光天线Ⅰ(PSⅠ-LHCⅠ)色素蛋白超分子复合物,并制备和解析了其2.8?的晶体结构[1].PSⅠ-LHCⅠ超分子复合物由16个蛋白亚基组成,总分子量约600 k D.本结构全面解析了高等植物PSⅠ-LHCⅠ的精细结构,揭示了PSⅠ-LHCⅠ的4个不同的捕光天线(Lhca1,Lhca2,Lhca3,Lhca4)在与PSⅠ核心复合物结合状态下的结构和它们的异同,以及它们之间的相互关系;揭示了LHCⅠ全新的色素网络系统,辨别了叶绿素a和b的不同位置,并阐明了4对红叶绿素(red Chls)和13个类胡萝卜素的结合位点和结构.根据所解析的结构,提出了由LHCⅠ向PSⅠ核心复合物能量传递的4条重要的可能途径.这些结果为揭示高等植物PSⅠ高效吸能、传能和转能的机理奠定了坚实的结构基础.本文将介绍所解析的高等植物PSⅠ-LHCⅠ的精细结构,并讨论PSⅠ-LHCⅠ能量传递机制.     

紫膜微分响应特性的理论和实验研究

自60年代美国科学家Stoeckenius等人在嗜盐菌中发现紫膜(Purple membrane,PM)和细菌视紫红质(Baeteriorhodopsin,BR)以来,对这种光能转换蛋白膜的研究迅速增长。人们对紫膜和BR的组成、结构及其功能进行了广泛的研究。近年来的研究表明,紫膜是一种大有前途的生物分子光电功能和光存储材料,由于它具有稳定性好、重复使用次数高、空间分辨率高、响应速度快及可修饰等优点,在人工神经网络元件、视觉模拟和三维光信息存储等方面有很大的应用潜力。     

磁场对光合色素分子荧光光谱的影响及其作用机理研究

光合作用,是将光能转变成化学能的一种生理生化过程。绿色植物光合作用的光反应,是由两个光系统串联完成的,通过“天线”叶绿素分子将吸收的光能传递给反应中心叶绿紊分子,并实现电荷分离,完成原初过程。     

在叶绿体中水光解途径的一些研究

色素,特别是叶绿素是叶绿体进行光能转化的主要组成。对它们在活体内的存在形式,与其他成分的关系及其功能的研究,是认识光能转化机理的重要方面。近来对叶绿体进行解     

氯乙酸盐对PSII氧化侧电子传递抑制机理的研究

近年来,由于物理、化学及生物多学科间的交叉渗透,人们在本质上加深了对光合作用反应中心结构和功能的了解,同时推动了人工模拟光合作用的研究.尽管人们对绿色植物光系统II反应中心(PSII)的认识已相当深刻,但在反应机制上仍有许多问题有待探索.在关于负离子抑制PSII电子传递的研究中,我们曾发现一卤乙酸盐抑制电子传递的程度与分子的疏水性有关.本文进一步报道氯乙酸盐在PSII氧化侧有一重要抑制位置.它们对PSII电子传递的抑制程度与乙酸分子上氢被氯替代的数目、分子的疏水性及分子几何模型具有相关性.本工作有助于光合放氧机理的进一步研究.     

叶绿体基因组

地球上所有生物的生存,从根本上说,都依赖于植物的光合作用.叶绿体就象一座工厂,利用大自然取之不尽的光能,无声无息地由二氧化碳和水合成淀粉等有机物,同时释放出动物所必需的氧气.当今,随着世界人口的不断增长、耕地的减少(工业等与农争地)及石油、煤炭等能源的逐渐枯竭,通过提高光合作用效率,谋求生物资源(biomass)的增产已迫在眉睫.基于对植物重要性的认识,国际上已有不少生物化学家转向植物分子生物学的研究,1981年起出版了专业性杂志Plant Molecular Biology,成立了国际植物分子学学会并于1985年10月在美国召开了第一届年会.植物分子生物学的快速发展是和基因工程等新技术的应用分不开的.以叶绿体来说,仅在短短的几年中,日本名古屋大学杉浦昌弘教授的实验室已宣称完成其60%基因组结构的分析.他们以及其他实验室从基因水平上来探讨叶绿体结构和功能的关系取得了一些新的发现.为增进光合能力及在农业上的应用提出了可行性的设想和尝试.     

离子型胶束中分子内扭转电荷转移的盐效应

分子内扭转电荷转移(TICT)是目前凝聚态光化学领域中的前沿课题之一,这是因为TICT除具有特别的光物理化学性质外,在光合作用原初过程模拟以及非线性光学材料的研究中亦具诱人的前景.胶束被认为是一种膜模拟体系,因此研究胶束中的TICT不仅可在更近层次上模拟叶绿体光合作用的原初过程,而且对于研究其它有序组织体(如LB膜,合成双分子膜以及真正的生物膜等)中的TICT和利用TICT特殊的光物理化学性质了解有序组织     

条斑紫菜变藻蓝蛋白立方晶系的初步晶体学研究

蓝绿藻和绿藻中含有的藻胆体是光吸收和传递的功能单位,这些超分子聚集体位于线粒体膜的外表面,可吸收波长从450～650nm的可见光,其光能传递效率接近100%.电子光谱的研究表明藻胆体由核心和天线两部分组成,两部分均由藻胆蛋白和连接蛋白构成.核心部分主要为变藻蓝蛋白(allophycocyanin)所占有,其位于光合膜的外表面,靠近光系统Ⅱ,天线部分包括藻蓝蛋白(phycocyanin)和藻红蛋白(phycoerythrin),藻蓝蛋白靠近变藻蓝蛋白,而藻红蛋白处于天线的顶端.光能传递的途径为:光子→藻红蛋白→藻蓝蛋白→变藻蓝蛋白→光合反应中心的叶绿素a.到目前为止已有数种藻胆蛋白的晶体结构得到了测定.由于变藻蓝蛋白位于核心部位,直接将光能传递给光反应中心,其三维结构的研究一直受到人们的重视.1995年Breic等首次报道了取自单细胞蓝藻钝顶螺旋藻spirulina platensis的变藻蓝蛋白0.23nm分辨率的晶体结构.但红藻和蓝绿藻的出现相差16亿年,其间发生