光系统Ⅱ反应中心电荷分离和能量传递的动力学研究

光合作用中最核心的步骤之一是在反应中心进行的原初反应,PSⅡ反应中心原初反应的机理研究已日益成为国际光合作用研究的焦点这一.1987年Nanba和Satoh首次分离纯化出PSⅡ反应中心D1/D2/Cyt b559复合物以来,国际上对PSⅡ反应中心的原初电荷分离(Charge separation)、电荷重组(Charge recombination)和能量传递过程的动力学性质采用时间分辨荧光光谱和吸收光谱及烧孔谱(Hole-burning Spectroscopy)等技术进行研究,已取得一些有意义的结果.但是,由于PSⅡ反应中心中色素分子的吸收光谱重叠严重,其吸收光谱在675nm处仅有一个吸收峰,无法选择性地激发原初电子供体P680,实验得到的数据比较复杂,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,甚至完全相反.本文以菠菜叶绿体中的PSⅡ颗粒、PSⅡ核心复合物(CP47/CP43/D1/D2/Cyt b559)和PSⅡ反应中心复合物(D1/D2/Cyt b559)为材料,用皮秒和飞秒激光技术对光系统Ⅱ反应中心电荷分离和能量传递的动力学进行研究,测定出光系统Ⅱ反应中心内部β-胡萝卜素和原初电子供体P680之间的能量传递以及PSⅡ反应中心原初电荷分离的时间常数,提出了可能的动力学模型.     

神经红蛋白的表达、分离纯化和谱学表征

报道了神经红蛋白(NGB)的基因表达、分离纯化和谱学表征. 将载有NGB基因的pET3a质粒转入E.Coli BL21(DE3)plys细菌, 于TB培养基中进行表达, 其表达量占菌体总蛋白的10%左右. 依次经硫酸铵分级沉淀, DEAE-Sepharose阴离子交换柱, Hiload16/60 Superdex 75凝胶过滤柱和Hiprep 16/10 Q FF 阴离子交换柱纯化, 得到了电泳纯的血红色可溶性蛋白. 电喷雾质谱测得其分子量为16930.0 Da. 紫外-可见吸收光谱表明, 还原态的NGB在425 nm有一强吸收峰, 在531和559 nm处有弱吸收峰, 它们可分别归属为金属卟啉的γ,β和α吸收带, 氧化态的NGB在413 nm处有强吸收, 则对应于金属卟啉的γ吸收带, 是电子在卟啉环中非定域化π电子的轨道跃迁(π→π*)的结果. 荧光激发谱最大波长为281 nm, 发射谱最大波长为338 nm. 圆二色谱表明其二级结构为典型的a螺旋结构, 在410 nm处有一血红素正峰. 酸稳定性研究表明, pH>4时蛋白稳定.     

低pH诱导光合放氧33 kD蛋白构象显著变化

33 kD蛋白分子是高等植物光系统Ⅱ(PSⅡ)放氧侧3个外周蛋白中的一个, 仅含1个色氨酸残基(W241). CD光谱与荧光谱的研究结果表明, 当溶液的pH由6.2降到2.5时, 33 kD蛋白的溶液构象发生明显变化, 无规卷曲增加, α-螺旋和转角比例降低. 这种变化对pH是可逆的. 低pH下再经NBS修饰, CD光谱特征不变，但200 nm处负峰的峰值降低，表明蛋白构象中的无规卷曲进一步增加. 同时, 33 kD蛋白的柔性降低, 构象变化变成对pH不可逆, 表明NBS修饰W241破坏了33 kD蛋白构象变化的可逆性. NBS修饰后的33 kD蛋白与PSⅡ的结合专一性与修饰前相比大大降低, 且不能提高重组后PSⅡ放氧活力. 这些结果表明低pH是诱导33 kD蛋白构象由适应光合放氧显著变化至失活的主要原因, 而不是NBS修饰. 结合33 kD蛋白与质子的特殊关系, 对低pH诱导的意义进行了讨论.     

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.     

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     

Mn簇对光系统Ⅱ光抑制产生超氧自由基的影响

为了深入了解超氧自由基(Ｏ－·２)在光系统Ⅱ(Photosystem Ⅱ, PSⅡ)光抑制中的作用, 以5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(5,5-Dimethyl-1-Pyrroline-N-oxide, DMPO)为自旋捕获剂, 结合EPR波谱技术, 研究了PSⅡ对照和去Mn(羟胺处理)的PSⅡ颗粒在强光光抑制过程中产生随光照时间的变化. 发现Mn簇的存在与否对PSⅡ光抑制产生的动态过程有很大影响, 并对可能的机理进行了探讨. 这些发现, 对光抑制和PSⅡ结构和功能的关系研究有促进作用.     

双半乳糖甘油脂存在下光系统Ⅱ核心复合物放氧反应的热变性

采用氧极谱技术、傅里外变换红外光谱(FT—IR)技术和凝胶电泳(SDS—PAGE)技术研究了双半乳糖寸油二酯(DGDG)对光系统Ⅱ核心复合物(PsⅡcc)放氧反应热稳定性的影响。结果表明，在DGDG存在下，PSⅡcc放氧活性的热变温度从40．0℃提高至43．0℃。5min的45．0℃恒温处理，会导致PSⅡcc的放氧活性完全丧失；而在DGDG存在下，PSⅡcc却仍然有16％的活性(以25．0℃时的为对照)。此外，PSⅡcc在38．0℃下处理1h，其放氧活性完全失活；而在同样条件下，PsⅡcc与DGDG的复合物却只失去了大约80％的活性(以零时间为对照)．结果分析表明，DGDG对PSⅡcc放氧反应的热变性具有调控作用，能抑制外周蛋白33kD从PSⅡcc上热致解离．     

光系统Ⅱ反应中心的LB膜的形成及其圆二色性光谱的研究

由D1、D2及细胞色素b-559(cyt-559)3个多肽及其内部镶嵌的大约定4～6个che a,2个pheo a和1～2个β胡罗卜素组成的高等植物光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心属于膜蛋白,因其难于结晶,人们至今还无法利用X射线技术获得该蛋白的精确解.近年来,利用膜蛋白二维晶体通过电子显微镜与象重构技术获得三维结构信息的方法有很大的进展,而有序二维晶体的获得是关键的一步.本工作的目的是试图利用单分子膜技术形成保持与自然状态光谱性质类似的PSⅡ反应中心动的Langmuir-Blodgett(LB)膜,为进一步利用该技术形成二维晶体并研究其结构打下基础.并采用圆二色性对其构象进行了研究.1 材料和方法1.1 材料PSⅡ反应中心D1/D2/cyt-559复合物的分离纯化参照Nanba和Satoh的方法,从第一     

光系统Ⅱ反应中心的LB膜的形成及其圆二色性光谱的研究

<正>由D1、D2及细胞色素b-559(cyt-559)3个多肽及其内部镶嵌的大约定4～6个che a,2个pheo a和1～2个β胡罗卜素组成的高等植物光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心属于膜蛋白,因其难于结晶,人们至今还无法利用X射线技术获得该蛋白的精确解.近年来,利用膜蛋白二维晶体通过电子显微镜与象重构技术获得三维结构信息的方法有很大的进展,而有序二维晶体的获得是关键的一步.本工作的目的是试图利用单分子膜技术形成保持与自然状态光谱性质类似的PSⅡ反应中心动的Langmuir-Blodgett(LB)膜,为进一步利用该技术形成二维晶体并研究其结构打下基础.并采用圆二色性对其构象进行了研究.     

绿豆胰蛋白酶抑制剂Fe-S配合物的穆斯堡尔谱研究(二)

在前文的报道中,我们采用了小分子量的酸性蛋白质——绿豆胰蛋白酶抑制剂为配体,人工模拟了天然植物型(2Fe-2S)铁氧还蛋白。用穆斯堡尔效应对这种模拟物Ⅰ进行了研究,在室温下就得到了很好的穆斯堡尔谱:有两组双峰,一组我们称之为S峰,一组我们称之为C峰。模拟物IS峰的Q.S.值及I.S.值与天然植物型Fd(2Fe-2S)的穆斯堡尔谱参     

甜菜碱对PSⅡ放氧中心结构的选择性保护

植物光系统Ⅱ( PS Ⅱ)放氧中心复合体主要包括跨类囊体膜的D1,D2多肽和暴露于水相的分子量分别为18,23,33ku的3个外周蛋白.高浓度盐等多种处理方法,都可使外周蛋白部分或全部脱落,进而影响水氧化放氧的关键机构——锰分子簇的正常运转.最近报道的三氯乙酸盐处理放氧中心复合体是一种使与放氧有关的外周蛋白依次脱落的新方法,其作用特点与分子的疏水性有明显的相关性.由于外周蛋白暴露于水相之中,容易遭受水分胁迫的影响,因而PSⅡ膜颗粒可成为植物水分胁迫研究的一个理想模型. 甜菜碱是一种较普遍存在于细菌及动植物中的渗透调节物质,在高盐条件下的组织中尤为常见.90年代以来,一些实验证明,甜菜碱可以保护PSⅡ颗粒,防止高浓度盐造成的外周蛋白脱落;研究还表明,甜菜碱可以稳定Mn簇的空间结构,维持在高盐环境中 PSⅡ颗粒的放氧活性.而高浓度甜菜碱本身不影响PSⅡ颗粒的放氧功能.本实验通过用NaCl、三氯乙酸钠(TCA)处理PSⅡ膜颗粒,比较两种处理时,甜菜碱稳定外周蛋白的作用有何异同,进一步研究甜菜碱稳定作用的本质.     

细胞色素P-450模拟体系的活性中间体——第三类型氧合铬(Ⅴ)——四苯基卟啉配合物的分离、表征和氧化反应

氧合过渡金属卟啉配合物是细胞色素P-450模拟体系的可能活性中间体。已分离和表征的钛(Ⅳ)、钒(Ⅳ)、钼(Ⅳ,Ⅴ)和铬(Ⅳ)等氧合过渡金属卟啉配合物,因其不是有效的氧化剂,所以不是细胞色素P-450模拟体系的可能活性中间体。氧合锰(Ⅳ)卟啉虽能氧化碳氢化合物,但至今还未能分离出。我们曾分离出并表征的氧合铬(Ⅳ)卟啉以及     

极谱法研究水溶液中稀土与TPPS_4的络合物

水溶性的四-对磺酸基苯基卟吩(TPPS_4)的结构见图1。它与金属离子特别是过渡金属离子在水溶液中形成络合物的光度法研究,近年来已有报道。卟啉与Cd(Ⅱ)、Mg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)形成络合物的极谱研究,也有报道。本文着重讨论水溶液中稀土离子与TPPS_4形     

DNA与水溶性卟啉H_2TMAP的相互作用

DNA与其它分子相互作用的研究构成认识某些疾病的致病机制和一些药物(特别是抗癌药物)治病机理的基础.同时,在阐明DNA结构和功能方面也具有重要意义.DNA与卟啉化合物相互作用的研究报道较多,并且还发现了水溶性金属卟啉化合物能作为DNA链     

光系统Ⅱ中磷脂极性基团的缺失导致其放氧活性和蛋白质二级结构的改变

通过氧极谱技术和傅里叶变换红外光谱（FT－IR）技术，用酶学方法对光系统Ⅱ（PSⅡ）中惟一的磷脂－磷脂酰甘油（PG）极性基团的作用进行了探讨，结果表明，PG极性基团的缺失导致PSⅡ放氧活性的降, 时影响PSⅡ蛋白质的结构，引起蛋白质二级结构中α－螺旋（α－helix)的增加和β－股（β－strand)的减少，这说明PG分子中的极性基因与PSⅡ蛋白质之间存在着氢键作用，并有利于维持PSⅡ蛋白质的适宜结构，进而影响PSⅡ的放氧活性。     

CF_3CDCl_2分子红外多光子吸收的光热光谱

在强红外激光场中,多原子分子红外多光子吸收测量不仅对研究多光子离解机制起着重要作用,而且对处理高强度辐射与分子振动能级之间的相互作用以及分子内的V-V振动弛豫过程等也起着重要作用。氘代氟里昂123(CF_3CDCl_2)是激光分离氘同位素最有前途的原材料之一。研究其多光子吸收谱对激光分离H/D同位素将有实用价值。1978年,J.B.Marling首次发表了该分子的红外线性吸收谱。本文报道用光热探测技术成功地获得了CF_2CDCl_2分子的红外多光子吸收谱,并发现线性吸收谱944cm~(-1)处的吸收峰在多光子吸收谱中分裂为947cm~(-1)和927cm~(-1)两个吸收峰。     

细胞色素c氧化酶可溶性CuA结构域的表达、分离纯化和初步表征

细胞色素c氧化酶亚基Ⅱ含有可溶性双核铜中心CuA结构域蛋白。报道了Paracoccus versutus菌CuA结构域的基因克隆、表达和分离纯化及其初步表征。编码CuA结构域的基因插入pET11d质粒载体中,于E.coli BL21(DE3)中进行表达。结果表明,CuA结构域蛋白在这个表达体系中主要以包涵体的形式存在,表达量占菌体总蛋白的10％左右。经尿素溶解,Cu^ /Cu^2 重组复性,Q－Sepharose快速阴离子交换柱和Sephadex-G75凝胶过滤柱纯化,得到了电泳纯的紫红色可溶性蛋白。紫外－可见吸收光谱在478nm有较强吸收峰,530nm处有一肩峰,在360和806nm处有弱吸收峰,它们可归属为混价双金属核中心（Cu2S2R2)中Cu-S和Cu-Cu间的电荷转移与轨道相互作用。圆二色谱表明其二级结构主要为β－折叠形式。荧光激发谱最大波长为280nm,发射谱最大波长为345nm。     

锌-卟啉络合物的伏安法研究

研究水溶性卟啉(TMPyP)和金属卟啉的电化学行为有化学和生物学的重要意义,例如某些金属卟啉是光合作用中的氧化一还原催化剂。我们在水溶液中使金属离子直接与卟啉形成络合物,并用单扫伏安法观测其电化学性能,便可以灵敏、简捷地得到金属离子包括稀土离子在植物体内有关生理功能的一些电化学信息。李国刚等报道了Zn-TPPS络合物的电化学性质。本文报道TMPyP和Zn-TMPyP的伏安行为。     

镧在菠菜叶绿体中的分布及其对光合作用的影响

在体研究了稀土元素镧(La)对菠菜叶绿体Hill反应活力、Mg²⁺-ATPase和Ca²⁺-ATPase活性的影响, 并用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定了叶绿体各亚细胞器中La的含量. 实验结果表明, 低(15 mg·L^-1)、中(30 mg·L^-1)浓度的LaⅢ对菠菜叶绿体Hill反应活力、Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase活性有明显的促进作用, 而高浓度时(60 mg·L^-1)则表现出显著的抑制作用; 叶绿体中大部分La位于光系统Ⅱ(PSⅡ)中, 占叶绿体中La总量的90%左右. 利用排阻色谱-紫外/电感耦合等离子体质谱联用技术(SE-HPLC-UV/ICP-MS)对La在PSⅡ中的存在点位进行了研究, 发现La在PSⅡ中有两种不同的结合点位: La不仅可以部分竞争取代PSⅡ中与叶绿素结合蛋白相结合的Mg, 而且还可能竞争结合到PSⅡ中Ca和Mn的结合点位上来影响光合作用效率.     

Mn(Ⅱ)-HSA和Mn(Ⅱ)-BSA金属中心的结构研究

我们曾研究了Cu(Ⅱ),Ni(Ⅱ),Zn(Ⅱ),Cd(Ⅱ),Hg(Ⅱ)与HSA(Human serum albumin,人血清白蛋白)和BSA(Bovin serum alburmin,牛血清白蛋白)的相互作用,鉴于锰酶和锰蛋白在生物无机化学上的重要性,且迄今未见有关Mn(Ⅱ)与HSA和BSA相互作用的研究报道,本文在紫外区观察LMCT谱带,研究了1:1 Mn(Ⅱ)-HSA和Mn(Ⅱ)-BSA在生理pH下金属中心的结构.结果表明:浓度较低时,金属中心具有五配位的四方锥构型,浓度较高时则转变为四配位的四方平面构型;结合位置最可能位于HSA和BSA的N-端三肽段上,涉及四个含氮基团,第五个配位原子是Asp~1上的羧基氧.本文还计算并讨论了Mn(Ⅱ)及有关配位原子的光学电负性.