光系统Ⅱ原初电子给体的体外模拟

组氨酸与叶绿素配位是生物体内叶绿素存在最明显的结构特征，采用Ｎ－甲基咪唑（Ｃ４Ｈ６Ｎ２）模拟生物体内的组氨酸，通过观测ＣＣｌ４中的Ｃｈｌａ与Ｃ４Ｈ６Ｎ２反应的可见吸收、ＣＤ和ＭＣＤ光谱得到以下结论：（１）在纯ＣＣｌ４中，每个Ｃｈｌａ处于五配位状态，Ｃｈｌａ形成不对称的双聚体内的组氨酸彼此之间存在较强的语作用，提出了两个Ｃｈｌａ通过不等价的两个Ｍｇ－Ｏ配位键（Ｏ分别来自于以３＾１位的酮基和Ｃ１７位酯     

缺失nifZ棕色固氮菌突变株(DJ194)钼铁蛋白的金属原子簇的组成与分布

经DEAE 52, Q-Sepharose和Sephacryl S-200柱的厌氧层析, 从缺失nifZ基因的棕色固氮菌突变株(DJ194)中纯化得到固氮酶钼铁蛋白(ΔnifZ Av1). 厌氧天然电泳后的Western blotting和SDS-变性凝胶电泳显示, ΔnifZ Av1的电泳迁移率、分子量和亚基组成等与野生种钼铁蛋白(OP Av1)相似; 而且ΔnifZ Av1的Mo含量、EPR信号(g ≈ 4.3, 3.65和2.01)及660 nm附近的圆二色摩尔消光系数(Δε)也都与OP Av1较相似, 表明ΔnifZ Av1除具有α₂β₂四聚体结构组成外, 还含有与OP Av1数量相当的、具有3/2自旋态的还原FeMoco. 然而, ΔnifZ Av1的Fe含量和对底物 (C₂H₂, H⁺和N₂)的还原活性都较低, 分别约为OP Av1的74%和46%~50%, 而反映P-cluster状况的450 nm附近的Δε也明显低于OP Av1, 说明ΔnifZ Av1与OP Av1的差别在于P-cluster, 而不在于FeMoco, 而且是在于ΔnifZ Av1中P-cluster数目的减少(约50%), 而其组成或氧还状态并未改变. 据此推测ΔnifZ Av1(DJ194)的结构为: 一个αβ亚基对含有一个FeMoco和一个P-cluster, 而另一个αβ亚基对只含FeMoco, 无P-cluster. 由于nifZ基因的缺失只造成了钼铁蛋白中2个P-cluster中的一个不能组装, 因此推测P-cluster的组装可能不是受单一基因产物的影响并由此提出了NifZ的可能作用机理.     

Cr介质中生长的棕色固氮菌突变株UW3的固氮酶CrFe蛋白的特性

经DEAE-52, Q-Sepharose和Sephacry S-200柱厌氧层析, 从在含Cr的培养基中生长良好的棕色固氮菌突变株UW3纯化得到CrFe蛋白制备物. 与从野生型固氮菌OP 的MoFe蛋白(OP Av1)相比, 该制备物中~50%的蛋白具有与之相似的亚基组成, 并可与OP Av1的抗体发生免疫交叉反应. 该制备物还具有~40%的OP Av1 C₂H₂, H⁺和N₂ (以在氩气和氮气下放氢的差值表示)还原活性, 并具与OP Av1相似的电子对比率. 金属分析表明, 此蛋白制备物含有Fe, Cr和Mo. 与OP Av1相比, 该制备物在450 nm的圆二色谱 (CD)与之相似, 但在3个相同g值处(g≈4.3, 3.7和2.0)出现的EPR信号相对强度则不相同. 根据EPR计算的结果表明, (ⅰ) CrFe 蛋白制备物的Mo/Cr和Fe/(Cr+Mo)的比率分别为0.4和15.0, 暗示在该制备物中的含Cr蛋白与MoFe蛋白之比约为2.5; (ⅱ) 该制备物活性与Fe及Cr的比率都分别接近于OP Av1活性与Fe和与Mo的比率; (ⅲ) 该制备物的上述3个g处的EPR信号强度与Cr含量的比率分别为Op Av1信号强度与Mo含量之比的~83%, 0%和~40%. 以上结果表明, CrFe蛋白也许是一种新的固氮酶组分Ⅰ蛋白, 除以Cr代替Mo外, 它的功能和包括金属原子簇在内的结构都可能与MoFe相似.     

甲醇为探针研究活性光系统Ⅱ次级电子给体TyrZ与底物水分子作用机制

光系统Ⅱ（PSⅡ）次级电子给体TyrZ担负调控原初电荷分离和水的催化氧化功能. 目前有两类TyrZ调控机理模型被提出: 一类是TyrZ通过与底物水分子直接作用调控水氧化; 另一类是TyrZ处于疏水环境中, 不与底物水分子直接作用, 而是借助与His190之间氢键强度的变化调控水氧化. 本文利用低温电子顺磁共振技术研究与水分子类似的甲醇分子对活性PSⅡ中TyrZ氧化还原特性的影响, 发现当Mn簇处于S2和S0态时, 甲醇分子的存在能够明显促进TyrZ的低温氧化和TyrZ•的低温还原. 理论计算显示: (1)当甲醇分子与Tyr直接作用时会导致Tyr氧化变难; (2)伴随环境极性降低, Tyr的氧化变得容易. 综合这些结果, 我们推测在活性PSⅡ中甲醇分子不与TyrZ直接作用, 甲醇对TyrZ的低温氧化及TyrZ•的低温还原的促进作用可能是由于甲醇分子替换PSⅡ内部的水分子, 降低了TyrZ-His190周围环境的极性, 使TyrZ与His190之间的氢键强度增加所致. 鉴于甲醇分子与水的类似性, 以上结果支持我们最近提出的活性PSⅡ中TyrZ不与水分子直接作用的观点.     

光系统Ⅱ水氧化中心Mn4Ca簇中μ4-O5原子的指认

光系统Ⅱ水氧化中心Mn4Ca簇的结构最近取得了重要进展,但其μ4-O5原子由于受周围金属离子的影响以及X射线的破坏作用,对其指认尚缺乏必要的实验和理论依据.本文合成出一个与Mn4Ca簇的电性和配位环境类似的Mn配合物,其中含有2个μ4-O原子,它们与金属离子之间的距离在1.89～2.10范围内,比光系统Ⅱ晶体结构中Mn4Ca簇的μ4-O5原子与金属锰离子间的距离(2.40～2.61)短～0.5.此外,对Mn4Ca簇的DFT理论研究显示,无论是μ4-O还是μ4-OH,O原子均会偏移4个金属离子的中心位置,其与4个金属离子的距离差异达0.7～1.0,这些均与光系统Ⅱ的晶体结构明显不符.这些结果显示光系统Ⅱ晶体结构中Mn4Ca簇的4-原子不可能是μ4-O,μ4-OH或μ4-OH2,我们对它的指认提出了质疑.     

P680模型的理论研究

高等植物的光系统Ⅱ(ＰＳⅡ)是目前光合作用研究中最重要的前沿领域之一[1].Ｐ680是ＰＳⅡ的原初电子供体,它是ＰＳⅡ实现光能转化和水裂解的关键组分,对其结构和性能进行深入研究有重要意义.前人已提出多种Ｐ680结构模型,其中代表性的有:(1)单体模型[2];(2)双体模型.双体模型包括2种:(ⅰ)平行模型[3];(ⅱ)夹角模型[4](此外还有多体模型[5],我们考虑到多体模型可以由双体模型组合得到,故将此模型归入双体模型).由此可见,目前对于Ｐ680的结构还存在很大争议.我们采用量子化学计算中的ＣＮＤＯ法[6],对这些Ｐ680结构模型进行理论研究.计算中Ｐ…     

光合作用放氧反应

光合作用放氧中心(OEC)是植物光系统II(PSII)中利用太阳能高效、安全地将水氧化,释放出电子、质子和氧气的生物催化剂。OEC的合成、结构和催化机理及其仿生模拟一直是光合领域广受关注的研究热点和难点。近年PSII高分辨率晶体结构研究揭示出OEC是一个特殊的Mn₄CaO₅ 簇合物,这一重要进展使人类可以在原子水平上探讨光合放氧反应的微观机理,同时也为OEC的人工合成提供了重要依据。我们近年来成功合成出结构和理化性能均与生物OEC类似的系列仿生Mn₄CaO₄簇合物,为研究OEC的微观机理提供了理想的化学模型,同时也为发展高效、廉价人工光合作用水裂解催化剂奠定了基础。目前无论是自然光合放氧研究,还是人工光合放氧研究都有大量重要的科学问题亟待深入研究。     

光合放氧中心结构和放氧机理的新模型

目前在放氧中心的结构和放氧机理方面均存在许多重要问题待解决。结合最新研究成果，提出了放氧中心结构和放氧机理新模型，在新结构模型中，２个Ｈ２Ｏ分子不对称地结合于“Ｃ”形结构开口端２个低价的Ｍｎ＾Ⅱ１和Ｍｎ＾Ⅲ４上，并保持较大距离；２个组氨酸的咪唑环通过Ｎ原子与２个高价的Ｍｎ＾Ⅳ２，Ｍｎ＾Ⅳ３结合；Ｃｌ结合于Ｍｎ＾Ⅲ４，并与Ｃａ相连；Ｃａ通过Ｏ桥和ＣＯＯ－相连使２个Ｍｎ２０２单元保持特定空间构型。整个     

棕色固氮菌nifE缺失突变株(DJ35)钼铁蛋白的特性

从棕色固氮菌缺失nifE的突变株DJ35中纯化得到纯度约为80%的MoFe蛋白(ΔnifE Av1). 与野生种OP中纯化出的MoFe蛋白(OP Av1)相比, ΔnifE Av1具有与之相同的亚基组成, 并可与OP Av1的抗体发生免疫交叉反应, 但在厌氧天然电泳中的迁移率略大于OP Av1. 金属含量测定表明, ΔnifE Av1的Mo和Fe含量均显著下降. ΔnifE Av1单独与OP Fe蛋白互补时不具乙炔还原活性, 但可被从OP Av1中抽提出的FeMo-co体外激活. ΔnifE Av1的圆二色谱450 nm附近区域与OP Av1的相似, 而电子顺磁共振谱中g ≈ 3.7的信号则完全消失, g ≈ 4.3和2.0处的信号也分别下降75%和50%左右. 上述结果表明, 从DJ35中纯化出的ΔnifE Av1是一种FeMo-co缺失而P-cluster正常的MoFe蛋白.