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。

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。

捕光天线LHCⅡ的荧光光谱特性研究

采用稳态荧光光谱技术在低温 83K下用波长为 4 36nm和 5 0 7nm的连续光激发对LHCⅡ进行研究 ,得到两种波长光激发下LHCⅡ的荧光光谱 ,并采用高斯组分光谱解析的方法 ,分别解析出四个谱带 ,结合吸收光谱和发射光谱分析 ,认为各自其中两个反映了两种光谱特性 :Chla6 83 6 6 80 /6 81、Chla6 94 .06 90 .0 和Chla/b6 71.4 6 70 .0 和Chla6 83.86 80 /6 81,其余两个长波长组分可能是Chla分子主发射峰的振动副带 另外还将两种波长光激发下得到的荧光光谱特性做了比较 ,4 36nm光激发下LHCⅡ发出的荧光强度要高于 5 0 7nm光的激发 ,这是由于接收 4 36nm光的Chla分子数目多于接收5 0 7nm光的类胡萝卜素分子 ,且 4 36nm下Chla的吸收率也大于 5 0 7nm下类胡萝卜素的 从峰值上看 ,4 36nm较 5 0 7nm光激励下的荧光光谱峰值产生红移 ,表明在不同波长光激励下 。

紫色光合细菌Thermochromatium Tepidum捕光天线复合物2的激发态动力学(英文)

Thermochromatium(Tch.)tepidum是一种中等嗜热的紫色光合细菌,最佳生长温度为48-50℃;其捕光天线复合物2(LH2)含有非均一性脱辅基蛋白和类胡萝卜素(Car),且高分辨率晶体结构未知.我们通过超快光谱研究了分别采用去垢剂n-dodecyl-β-D-maltoside(DDM)和lauryldimethylamine oxide(LDAO)制备的LH2的激发态动力学,观测到由细菌叶绿素(BChl)的Qy态介导的B800-to-B850单重态能量传递过程(时间尺度～1.2ps,用DDM制备的LH2),以及由类胡萝卜素S2态介导的Car-to-Car和Car-to-BChl单重态能量传递过程(～100fs).结果表明C=C共轭双键数目(NC=C)为11和12的两类Car共处于同一LH2复合物中;相对于源自其它菌种、构成组分相对简单的LH2,Tch.tepidum的LH2中B800-B850的相对取向有较大差异.本工作发现LH2中低含量类胡萝卜素组分anhydrorhodovibrin(NC=C=12)起着高效"能量陷阱"的作用,可能是一种重要的光保护机制;基于类胡萝卜素的超快谱带位移现象提出(OH-)spirilloxanthin(NC=C=13)距BChl分子可能比其它类胡萝卜素更近.这些研究结果有助于进一步理解苛刻自然条件下生长的Tch.tepidum的捕光和光保护机制.

紫细菌捕光天线LH2中的超快光物理研究

采用飞秒泵浦探测技术研究了紫细菌外周捕光天线LH2中的超快光动力学过程.从B800蓝侧的激发态动力学中观察到B800到B850的能量传递时间,实验结果与理论计算结果的差别说明激发B800时可能引起B850上激子带的直接激发,或存在由B800到B850上激子态的能量传递通道.在B800红侧激发的动力学过程中,漂白信号前端存在的一个快速光吸收信号主要来源于B850上激子带的直接激发.在天然RS601和突变体GM309的LH2中,800nm激发时的动力学过程都表现为一个类似的光漂白过程,动力学曲线的衰减时间常量在天然LH2中明显快于突变体中,说明在GM309中B800到B850的激发能传递速率有所降低.而在845nm激发下两个样品中的快过程类似,但慢过程在GM309中有所增快,激发态中的能量重新分布包括逆向的能量传递也受到类胡萝卜素微结构的影响.

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。

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。

高等植物外周捕光天线的荧光光谱解析

解析LHCⅡ在437nm和470nm激发下的稳态荧光光谱,分别得到多个谱带,与吸收光谱对比,认为437nm激发下受激的一部分色素分子的振动自由度比较大,产生了激发态到基态的无辐射内转换,使得该部分的色素分子的能量传递几率降低。同时也说明,不同色素分子之间的能量传递几率是不同的。

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。

Thermochromatium tepidum外周捕光天线蛋白LH2在脂质体及表面活性剂胶束中的光谱性质

采用动态光散射、透射电子显微镜、紫外-可见吸收光谱和拉曼光谱对比研究了处于表面活性剂胶束和脂质体磷脂双分子层中的Thermochromatium(Tch.)tepidum LH2的光谱响应.结果表明,与在表面活性剂胶束中相比,双分子层脂膜中LH2的Spirilloxanthin(一种含有13个共轭双键的类胡萝卜素)构象有明显差异;表面活性剂及磷脂分子端基的荷电状态对B850-Qy吸收谱有显著影响;Ca2+结合导致B850 Qy吸收谱带红移和增色,而H+结合则使该吸收谱带蓝移和减色.对LH2脱辅基蛋白氨基酸序列的分析结果表明,Ca2+和H+的结合位点可能位于α脱辅基蛋白的C-端一侧.B850 Qy吸收谱带对Ca2+和H+的响应特性可能与Tch.tepidum适应其生存环境的能力有关.

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。

植物光合作用原初反应与电子传递调控

光合作用是地球上最大规模的能量物质转换和生物固碳过程,是绝大多数生命生存和发展的物质基础。光反应是光合作用的第一步,其调控机制对于植物的生长至关重要。近年来随着分子生物学、结构生物学等现代学科交叉融合发展,许多经典光反应调控途径的分子元件得以深入解析,多种新的调控机制逐渐浮现。文章简述了光合作用光反应过程,并结合国内外最新成果重点讨论了捕光和电子传递链调控机制。相关研究不仅加深对光合作用的认识,而且对优化植物生长进而解决能源粮食等重要问题具有潜在应用意义。

紫色光合细菌LH1-RC复合物的结构生物学研究进展

紫色光合细菌作为研究光合作用分子机制的一种古老的模式生物,通过无氧光合作用将太阳能转化为化学能,其光合作用原初反应主要发生在由捕光天线复合物1(LH1)及反应中心复合物(RC)组成的核心复合物(LH1-RC)中。近年来,随着晶体学和冷冻电镜技术的迅速发展,多个不同菌种来源的LH1-RC复合物的三维结构被解析出来,极大地拓展了人们对该复合物的认识。文章系统总结了近年来紫细菌光合膜蛋白复合物的结构生物学研究进展,为深入了解光合作用分子机制、提高光合效率、促进人工光合作用系统的开发及应用提供了理论基础。

加拿大研制出新一代纳米捕光“天线”

加拿大科学家从植物的光合作用装置——捕光天线中汲取灵感，研制出了新一代纳米捕光“天线”，它能控制和引导从光中吸收的能量。相关研究发表于7月10日出版的《自然·纳米技术》杂志上。

加研制出新一代纳米捕光“天线”

近日,加拿大科学家从植物的光合作用装置——捕光天线中汲取灵感，研制出了新一代纳米捕光“天线”，它能控制和引导从光中吸收的能量。特殊的纳米材料“量子点”由美国耶鲁大学的物理学家提出，其往往是由砷化镓、硒化镉等半导体材料为核，外面包裹着另一种半导体材料而形成的微小颗粒。

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.

高等植物捕光天线蛋白的NPQ调控机制及其优化

非光化学猝灭(non-photochemical quenching,NPQ)是植物应对强光和过量光的一种光保护状态。NPQ状态和捕光状态之间的切换与光辐照强度涨落的动态匹配是提高光合效率的一种新途径,阐明NPQ发生的分子机制对于通过基因工程优化NPQ过程从而提高农作物产量具有重要意义。NPQ主要发生在主要捕光天线蛋白LHCII(major light-harvesting complex II)上,它们在捕光状态与NPQ状态间的切换速率主要受PsbS蛋白(photosystem II subunit S)以及叶黄素循环的调控。本文简要介绍LHCII在温度、酸度诱导下在捕光状态和NPQ状态间可逆切换的变构调控机制,以及叶黄素循环和PsbS的调控作用,以期为提高光合效率和农业产出提供理论基础和新思路。

首次阐明硅藻超级捕光结构

《科学》杂志在线发表了来自中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云团队与清华大学隋森芳团队的合作成果。该研究利用单颗粒冷冻电镜技术解析了一种中心纲硅藻——Chaetoceros gracilis的PSII-FCPII超级复合体的3.0埃分辨率的三维结构,这也是国际上首次报道硅藻光系统——捕光天线超级复合体的结构。