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。

光系统I捕光天线及反应中心、细胞色素b6f复合物的结构与功能研究2011年度报告

该研究旨在揭示光合膜色素蛋白复合体——光系统I捕光天线及核心复合体、细胞色素b6f复合物的结构与功能。通过多种光谱学技术研究光能的吸收传递和转化的量子机理,并通过获得膜蛋白晶体,在近原子或原子水平分辨率解析膜蛋白的空间结构,揭示光合作用的物质基础,更深刻地理解光合作用机理。该报告还将研究参与光合膜组装、光能转换和利用及功能调控有关的重要基因以及相应的蛋白的结构与功能,揭示光合作用中光抑制和光氧化调控的分子机理,为提高光能利用效率提供理论依据。

藻类捕光天线系统:结构与功能的统一

藻类是光合自养的水生孢子植物,为了适应水下弱光的特殊生境,藻类捕光天线历经亿万年的进化,形成了特殊的结构与功能。从发现藻类捕光天线的存在到至今的70多年间,其结构解析技术的发展共经历了4个阶段:首先是利用生化及普通光谱技术研究结构组成(1950−1980年);其次是利用X-ray晶体学技术研究局部精细结构(1980年至今);再次是利用电镜技术研究完整的粗略结构(1980−2010年);最后是近10年来利用冷冻电镜技术研究完整的精细结构(2010年至今)。目前以蓝藻、红藻、绿藻和硅藻为主的藻类捕光天线复合体完整的精细结构均已被解析,仅2019年就有10余种精细结构被发现。藻类捕光天线系统结构生物学的研究,不仅搭建了对结构与功能统一认识的桥梁,而且为深入揭示藻类光合作用高效能量传递机制奠定了坚实的结构基础。将藻类捕光天线系统结构和功能统一起来,进一步研究对光环境的适应性成为未来的重点,并将为藻类捕光天线蛋白在光电器件领域的应用提供充分的科学依据。

光系统I捕光天线及反应中心、细胞色素b6f复合物的结构与功能研究立项报告

该课题旨在揭示光合膜色素蛋白复合体棗光系统I捕光天线及核心复合体、细胞色素b6f复合物的结构与功能。通过多种光谱学技术研究光能的吸收传递和转化的量子机理,并通过获得膜蛋白晶体,在近原子或原子水平分辨率解析膜蛋白的空间结构,揭示光合作用的物质基础,更深刻地理解光合作用机理。该课题还将研究参与光合膜组装、光能转换和利用与功能调控有关的重要基因以及相应的蛋白的结构与功能,揭示光合作用中光抑制和光氧化调控的分子机理,为提高光能利用效率提供理论依据。

从捕光天线到反应中心分子能量传递研究

利用飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ中捕光天线LHCⅡ内Chla分子和 β Car分子传递光能到反应中心的时间特性 ,实验测得Chla分子用了 2 5 ps ,β Car分子用了 2 5 0 ps 理论研究得出 :2 5 ps是相邻Chl分子之间随机转移传能的时间常数 ,2 5 0 ps是LHCⅡ内相邻 β Car分子 ,通过Chla分子单步F rster共振传递、Dexter电子交换机制、激子转移把能量转移到反应中心的总时间 理论计算与实验结果基本符合 。

捕光天线色素分子到反应中心光能传递机理研究

利用皮秒和飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ捕光天线β-car分子和Chla分子传递光能到反应中心的机理，β-car分子接收到514.5nm光能之后，将能量主要以Dexter电子交换机理传递给相邻ε-car分子或Chla分子以后，再以Forster共振传能机理通过Chla分子向相邻Chal分子单步传递，最终以250ps的时间传递到反应中心，理论计算值为267ps。捕光天线中的Chla分子接收到光能后，以随机转移激子跃迁方式用了25ps时间将光能传递到反应中心，理论计算值为29.7ps。实验还得到了捕光天线LHCⅡ三聚体中Chal分子接收-400nm光能后，将能量为520fs的时间常数传递给相邻Chla分子，Chlb分子接收-400nm光能后，将能量以210fs的时间常数传递给相邻Chla分子，理论研究与实验结果基本符合。

硅藻岩藻黄素-叶绿素a/c蛋白--揭秘红系捕光天线复合物

硅藻是海洋中一类重要的红色浮游植物,每年贡献了海洋40%或全球20%左右的原初生产力,在全球碳固定和地球化学循环中扮演重要角色。硅藻能取得如此成功生态位的一个重要因素是其捕光天线为具有出色捕光和光适应能力的岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白(FCP)。为研究硅藻在水下高效利用蓝绿光、传递和转化太阳能的机理,我们团队与合作者利用晶体学和冷冻电镜技术破解了硅藻FCP捕光天线和光系统超级复合物的结构,揭示了FCP蛋白的独特结构特征和聚合状态,以及与其结合的大量叶绿素a、叶绿素c和岩藻黄素等色素分子的结合细节,为揭秘硅藻光合膜蛋白机器高效运行机理提供坚实的结构基础。

光合细菌分子自组装捕光天线相干激子态传能机制的人工模拟

顾城给世人留下了著名诗句“黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它来寻找光明”。把这句话用在古老的光合细菌绿硫菌身上也十分妥帖。人眼对可见光的响应达到单光子量级，而依靠光合作用为生的绿硫菌其生存环境比我们所经历过的任何黑夜还要暗淡。

金叶女贞遮阴复绿过程中光系统Ⅱ功能转变研究

金叶女贞的阳生金叶经遮阴后可以复绿。借助调制式与非调制式2种叶绿素荧光仪,探测了该生物学现象中叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)生理功能的转变过程。结果表明:遮阴处理前,阳生金叶Fv/Fm、F0均比阴生绿叶低;阳生金叶OJIP的P峰实际强度显著低于阴生绿叶,而OP双重标准化后阳生金叶J相的相对强度强于阴生绿叶。遮阴处理后,金叶逐渐变绿,荧光参数变化表明PSⅡ生理功能分两阶段恢复:2周前,F0增加,而Fv/Fm降低;2周后,F0减小,而Fv/Fm增加。经过2个月的遮阴处理,阳生金叶的F0、Fv/Fm以及OJIP均恢复到了阴生绿叶的水平。自然光照条件下,金叶女贞叶片上大部分PSⅡ单元受到光胁迫而失活,而剩余有活性的PSⅡ反应中心的受体侧的相对活性较低;遮阴处理后,阳生金叶的PSⅡ天线系统和反应中心的恢复速率并不同步,但最终能够恢复到阴生绿叶的水平。

光系统ⅡChl分子能量传递超快光谱动力学

利用 ICCD飞秒扫描成象和飞秒时间分辨光谱装置实验研究了高等植物捕光天线LHC 三聚体和 PS 颗粒复合物的超快光谱动力学 ,经过吸收光谱和发射光谱分析 ,确定在 L HC 三聚体中至少存在 7种 Chl分子光谱特性 ,分别是 Chlb658.7653 /656、Chla665.2662 .0 、Chla/b671.1670 /671、Chla677.1675.0 、Chla682 .9680 /681、Chla689.1685.0 和 Chla695.6695.0 .采用光强 1 0 13 光子 / cm2 /脉冲激励浓度为3 0μg/ m L的捕光天线 LHC 三聚体 ,在 650 nm到 70 5nm谱段逐点探测分析处理 ,产生了 2组短寿命组分 2 1 0 fs、52 0 fs和 5.2 ps、3 6.7ps及 2个长寿命组分 1 .8ns、2 ns.最快的 3个寿命 2 1 0 fs、52 0 fs和 5.2 ps反映了三聚体 Chlb分子向 Chla分子的激发能传递过程 ;寿命3 6.7ps反映了 Chla分子向相邻单体 Chla分子的激发能传递过程 ;最长的 2个寿命 1 .8ns和 2 ns是在三聚体中 Chla分子通过中间体 Chla分子辐射荧光 ,分别跃迁回基态的过程 .获得的 6个寿命组分有把激发能传递时间与 Chla/ b分子发射光谱相结合的特点 .经拟合处理解析 PS 颗粒复合物光谱 ,得到 3个组分谱 ,其峰值分别为 686.8nm、692 .2 nm和694.9nm,与 L HC 比较分析 ,说明天然构型的 PS

植物光系统Ⅱ的磷酸化及其调控研究进展

植物光系统Ⅱ(photosystemⅡ,PSⅡ)主要是由PSⅡ核心复合体(PSⅡcore complexes,PSⅡCC)和捕光天线复合物Ⅱ(light harvesting complex,LHCⅡ)组成。PSⅡ-LHCⅡ超分子复合物是构成PSⅡ颗粒的基本单元。PSⅡ的磷酸化作用在光合作用调控中具有重要意义,是研究热点。本文介绍了近年来PSⅡ-LHCⅡ、PSⅡCC、LHCⅡ的磷酸化作用及其调控的研究进展。

放氧光合生物LHC捕光天线的结构、排布与功能

在光合作用的原初光能转化过程中,光合膜上的光系统I和光系统II将吸收的太阳能转化为化学能,并释放氧气,产生的ATP和NADPH为二氧化碳固定提供能量.光合生物光系统核心外围的捕光天线负责收集光能,并向反应中心传递激发能,而且可以调节光合膜上的能量高效分配与利用.其中LHC类捕光天线在真核放氧光合生物进化过程中表现出丰富的多样性,研究它们的结构与功能对于探索光合作用原初反应和调控适应环境的分子机理有重要意义.本文围绕放氧光合生物LHC捕光天线的基因、蛋白、结构和功能,论述了从海洋绿藻到高等植物,以及红藻到硅藻进化过程中捕光天线的蛋白结构与功能细节,总结了它们与反应中心结合排布的不同形式,阐述了LHC捕光天线的多样性对于光合生物适应光环境的重要意义.

圆二色光谱揭示光系统Ⅱ在热处理过程中叶绿素荧光动力学变化的原因

研究了光系统Ⅱ(PSⅡ)在热处理过程中的叶绿素α荧光和圆二色(CD)光谱。在30℃～40℃热处理过程中，PSⅡ的叶绿素荧光参数Fo′保持稳定不变；当温度大于40℃时，Fo′逐渐升高并在55℃达到最大值。在PSⅡ颗粒和富含捕光色素(LHCⅡ)的复合物的热处理过程中，具有超大振幅的CD异常信号出现，并且在40℃时，677nm的异常CD峰强度达到最大。这些结果暗示在PSⅡ颗粒热处理过程中，PSⅡ颗粒中的LHCⅡ的聚集状态和异常CD信号相关，并且也可能是影响Fo′的一个重要因素。

叶绿素b缺失与植物的光合作用

文章介绍叶绿素b的结构性质、生物合成和功能以及叶绿素b缺失与植物光合作用的关系的研究进展。

高等植物光系统Ⅱ大量捕光天线与量子点之间的定向连接及共振能量传递

高等植物光系统Ⅱ大量捕光天线(light-harvesting complexes of photosystem Ⅱ,LHCⅡ)能与有机或无机材料连接,构建仿生的捕捉光能的新型材料。将量子点(quantum dot,QD)与LHCⅡ定向连接,构建共振能量传递体系,得到一系列不同摩尔比的QD-LHCⅡ杂合复合物(QD与LHCⅡ的摩尔比分别为1∶64、1∶32、1∶16、1∶12、1∶8、1∶4、1∶2.7、1∶2和1∶1.6)。光谱结果显示,随着摩尔比的增大,越来越多QD的激发能传递给LHCⅡ,并在1∶2.7时达到饱和。而无组氨酸标签的天然LHCⅡ与QD共孵育后,LHCⅡ和QD的荧光发射并没有显著变化。以上结果说明,本研究实现了定向连接后QD到LHCⅡ的显著共振能量传递,而定向连接对于这种共振能量传递是必要条件。

藻类响应缺铁胁迫的光合机制研究进展

为了深入了解缺铁胁迫对藻类光合作用的影响,本文归纳了铁在光合电子传递链中的重要作用,总结了铁缺乏对藻类光合原件的破坏作用以及藻类的光合响应机制。围绕光合电子传递链,对容易受到铁缺乏影响的叶绿素、光系统、捕光天线等光合元件进行了归纳总结。研究得出,缺铁胁迫严重破坏藻类叶绿素的生物合成,影响光系统I(PSI)、光系统II(PSII)及其外周捕光天线的含量、活性和蛋白稳定性。藻类通过在光系统周围产生新的铁诱导蛋白或功能替代蛋白,调整光系统与捕光天线之间的结构与功能,应对缺铁胁迫。

水体系中含卟啉基团的两亲高分子的自组装行为和性质的研究

在文中合成了两种不同的卟啉单体5-(4-acryloyloxyphenyl)-10,15,20-tris(4-carboxylphenyl)porphyrinate zinc(II)(ZnAOTCPP)和5-(4-acrylo-yloxyphenyl)-10,15,20-tris(4-methoxycarboxylphenyl)porphyrinate zinc(II)(ZnMeAOTCPP),它们分别与丙烯酰胺(Acrylamide,AM)聚合得到含有卟啉基团的两亲高分子.与对应的单体相比,含有三羧酸卟啉基团的高分子在水中形成了一个新的紫外吸收峰和一个新的荧光发射峰,而含有三羧酸甲酯卟啉基团的高分子除此之外在更长波的方向上还另外出现了一个新的紫外吸收峰和一个新的荧光发射峰.随着高分子水溶液浓度的提高,高分子中卟啉基团的光谱性质的变化趋势显示高分子在水中的自组装行为可以分为分子间缔合和分子内缔合的两种情况.此外,实验结果显示含有三羧酸甲酯卟啉基团的高分子相对于含有三羧酸卟啉基团的高分子更加有利于卟啉缔合物的形成.