（有机化学专业论文）几种生物光合色素分子体系电子激发光谱的理论研究.pdf

博士学位论文 d o c t o i t a l d i s s e r t a t i o n 摘要 研究高效、快速的光合作用反应机理对于开发利用太阳能。生物合理设计以光合作用系统 为靶标的除草剂等具有重要的科学意义。捕光系统和光合反应中心是光合作_ l j 的两大主要场所， 研究这些系统中电子激发的过程与性质是进一步深入探索电子转移机理的基础。目前针对捕光 系统和光合反应中心的实验光谱研究已经取得了较大进展，但其光谱内在的性质必须通过相关 的理论研究才能得到准确信息，因此，本论文综合运用各种现代分子模拟方法对高等植物光合 作用的模型系统( 蓝藻捕光系统和紫细菌光合反应中心) 的电子激发光谱进行系统的理论归属研 究。具体研究内容如下： 本论文第一章主要对高等植物的光合系统、藻类捕光系统和紫细菌光含反应中心的研究 进展，以及论文中所涉及到的理论方法进行了概述性的介绍。 第二章以卟吩自由基为研究对象，对t d d f t , z i n d o 和i n d o s 三种方法计算的电子激发 态光谱进行了比较研究，并考察了t d d f t 方法下基组效应对卟吩自由基理论光谱的影响。为 了进一步检验t d d f t 方法的精确度，我们将t d d f t 方法扩展到两种典型的卟啉类衍生物( 四 氧卟啉阳离子t o p d c 和卟啉烯p o r p h y c e n e ) 紫外吸收光谱的理论归属研究中，结合极化连续 介质模型( p c m ) 有效考察了溶剂化效应对基态的电子结构和激发态能量的影响。采用 t d d f t - p c m 模型计算的理论光谱与溶液中实验吸收光谱的较好吻合证明了这一模型的合理 性，也说明溶剂化效应对溶液中的吸收光谱的理论研究是相当重要的。 第三章以蓝藻捕光系统中的藻蓝蛋自为研究对象，运用含时的密度泛函理论( t d d f t ) 方法， 结合极化连续介质模型( p c m ) ，对藻蓝蛋白的三个藻蓝素( c t - 8 4 、p - s 4 、b - 1 5 5 ) 在具有生理活性时 的分子状态，紫外吸收光谱和c d 光谱进行了深入系统的理论研究。并结合分子动力学模拟( m d ) 技术以及o n i o m 方法，研究了藻蓝素中吡咯环之间的二面角与其最大吸收峰之间的定性关系。 通过一系列模型化学的理论比较研究，阐明了藻蓝蛋白中三类藻蓝素在生理状态时都是以质子 化的形式存在及其质子化可能的反应途径，并定量分析和归属了紫外吸收光谱和圆二色光谱。 第四章主要基于色素分子簇模型，运用t d d f t 和z i n d o 方法对紫细菌( r p s v i r i d i s 和r b s p h a e r o i d e s ) 光合反应中心的紫外吸收光谱和c d 光谱重新进行了理论计算与定量解析归属，并 有效考察了色素分子间相互作用对电子激发态的影响。t d d f t 的计算结果对紫细菌光合反应中 心的p 发色团被氧化后的实验c d 光谱的合理解释表明：色素分子之间的相互作用不可忽视， 只基于单个色素分子( 或其模型分子) 的理论计算进行光谱归属是不合理的。与t d d f t 计算结果 的比较再次证明，z i n d o 半经验分子轨道理论方法对这两类紫细菌光合反应中心的低能带激发 态的解析和归属已经具备了一定的精度。 在第五章中，同时考虑了c = o 键长伸缩振动和h - c h 键角弯曲振动对h 2 c o 分子光电子 能谱峰形的影响。同时考虑上述两种正则振动模式的情况下，在s a c - c i - g r d 9 5 * 理论级别下 对h 2 c o 分子的基态( 1 1 ) 及三个阳离子激发态( 1 碗，l 冶l ，1 i ) 进行了势能面扫描，并拟合 得到势能函数，最后采用从头算f r a n c k - c o n d o n 因子计算程序解析了这三个激发态的实验光电 子能谱的精细结构。 关键词：电子激发态：s a c - c i ；t d d f t ；z i n d o ；i n d o s ；分子动力学模拟；紫外吸收 光谱；c d 光谱；f r a n c k - c o n d o n 因子 a b s t r a c t t h es t u d i e so fh i 曲e f f i c i e n c yp h o t o s y n t h e s i sm e c h a n i s mp l a yac r u c i a lr o l ei n d e v e l o p i n gt h en o v e lp e s t i c i d e st a r g e t i n gt h ep h o t o s y n t h e s i ss y s t e m s ，a n dr a t i o n a lu s i n g s o l a re n e r g y l i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e ma n dr e a c t i o nc e n t e ra r et h et w of u n d a m e n t a l p i g m e n t - p r o t c i nc o m p l e x e si nt h ep l a n tp h o t o s y n t h e s i ss y s t e m t om a k ec l e a rt h e e l e m e n t a r yp r o c e s s e so fe l e c t r o n i c t r a n s f e r i n p h o t o s y n t h e s i s , k n o w l e d g eo ft h e e l e c t r o n i ce x c i t e dc h a r a c t e r so fl i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e ma n dr e a c t i o nc e n t e ri sa p r e r e q u i s i t e t h et h e o r e t i c a ls t u d i e so ft h ee l e c t r o n i c e x c i t a t i o n so fl i g h t - h a r v e s t i n g s y s t e m a n dr e a c t i o nc e n t e rc a np r o v i d eas o p h i s t i c a t e du n d e r s t a n d i n ga n dt h e a s s i g n m e n t so f u w v i sa b s o r p t i o na n dc i r c u l a rd i c h r o i s ms p e c t r ao f t h e s et w os y s t e m s i n t h i st h e s i s ，t h ee l e c t r o n i ce x c i t a t i o ns p e c t r ao f t h em o d e ls y s t e m s ( 1 i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e m o fa l g aa n dp h o t o s y n t h e t i cr e a c t i n ge 吼t e r 口s r c ) o fp u r p l eb a c t e r i a ) o fp h o t o s y n t h e s i s h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gm o d e r nm o l e c u l a rs i m u l a t i o nm e t h o d s t h ep r e s e n t t h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ： t h ep r e v i o u ss t u d i e sa b o u tl i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e mo fa l g aa n dp h o t o s y n t h e t i c r e a c t i n gc e n t e ro fp u r p l eb a c t e r i ah a v eb e e nr e v i e w e di nc h a p t e ro n e f u r t h e r m o r e ，t h e t h e o r e t i c a lm e t h o d su s e di nt h i st h e s i sh a v eb e e ni n t r o d u c e d i nc h a p t e rt w o ，t h ee l e c t r o n i cg r o u n da n ds i n g l c tv e r t i c a le x c i t e ds t a t e so ff r e e - b a s e p o r p h y r i n ( f b p ) h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gt d d f t , z i n d oa n di n d o sm e t h o d s ， t h eb a s i ss e t se f f e c t sh a v e b e e ne x a m i n e da tt d d f tt h e o r e t i c a ll e v e l i n0 r d e l t of u r t h e r e x a m i n et h ep r e c i s i o no ft d d f tm e t h o d t h ei 、，、r ss p e c t r ao ft e t r a o x a p o r p h y r i n d i c a t i o n ( t o p d c ) a n dp o r p h y c e n eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gt d d f t m e t h o d t h e s o l v e n te f f e c t so ne x c i t a t i o ns p e c t r aa l s oh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n tb yu s i n g p o l a r i z a b l e c o n t i n u u mm o d e l ( p c m ) t d d f t - p c mc a l c u l a t i o n sl e a dt oac l o s e r a g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e dv a l u e so fe x p e r i m e n t a la b s o r p t i o ns p t 圮t r ai ns o l u t i o n s , w h i c hd e m o u s t a t et h ei m p o r t a n c eo fc o n s i d e r i n gt h es o l v e n te f f e c t sf o ri n t e r p r e t i n g e x p e r i m e n t a la b s o r p t i o ns p e c t r ai ns o l u t i o n s i n c h a p t e rt h r e e , t h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fu v v i ss p e c t r aa n d c i r c u l a r d i c h r o i s m ( c d ) s p e c t r ao faa n d 声s u b u n i to fc - p h y c o e y a n i n ( c p c ) w e r ei n v e s t i g a t e d b yu s i n gt d d f tm e t h o dc o m b i n e dw i t ht h ep c mm o d e l c o m b i n i n gt h em o l e c u l a r d y n a m i c ( m d ) s i m u l a t i o na n do n i o mm e t h o d s ，t h ee f f e c t so ft h et o r s i o no ft h e p y r r o l i cr i n g si np h y c o c y a n o b i l i n ( p c b ) o nt h ea b s o r p t i o nm a x i m u ma l s oh a v eb e e n m 博士学位论文 d o c t o r a l d i s s e r t a t i o n t a k e ni n t oa c c o u n ti nt h i sc h a p t e r t h ee l e c t r o n i ce x c i t a t i o na tt h ev a r i o u sl e v e l so f m o d e l c h e m i s t r yd e m o n s t r a t et l l a t ，p r o t o n a t i o ni sm o s tl i k e l ye x i s t i n gi nt h r e ep c b sm - 8 4 、 肛8 4 、伊1 5 5 ) i nc - p ci ne n v i r o n m e n t a lp r o t e i nm o i e t y , a n dt h er e a c t i o np a t h w a yf o r p r o t o n a t i o no f p c b sa l s oh a v e b e e nv e r i f i e d u s i n gt h es u p e rm o l e c u l ec l u s t e rm o d e l s ，t h ee x c i t a t i o ns p e c t r ao fp s r cf r o mr p s v i r i d i sa n dr b s p h a e r o i d e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gt d d f tm e t h o di nc h a p t e r f o u r t h ee f f e c t so ft h ei n t e r a c t i o n so f p i g m e n t - p i g m e n to i lt h ee l e c t r o n i ce x c i t a t i o na l s o h a v eb e e ne x a m i n e d n 坞c a l c u l a l i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r a c t i o n so f p i g m e n t - p i g m e n tp l a y 孤i m p o r t a n tr o l ei nr e a s o n a b l ya s s i g n i n gt h eu v ，ss p e c t r aa n d c r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) s p e c t r ao fp s r cf r o m 母魁v i r i d sa n dr b s p h a e r o i d e s b y c o m p a r i n gw i t l lt d d f tc a l c u l a t i o n , t h ea g r e e a b l ea s s i g n m e n to ft h ee x p e r i m e n t a l u v v i sa n dc d s p e c t r aw e r ea c h i e v e db yu s i n gt h ez i n d o m e t h o d i nc h a p t e rf i v e t h ee f f e c t so fb o t l ic = os u e t c ha n dh - c - i - is c i s s o rm o d d so nt h e p h o t o e l e c t r o ns p e c t r u mo ff o r m a l d e h y d eh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n ts i m u l t a n e o u s l y n 坞p o t e n t i a le n e r g ys u r f a c eo ft h eg r o u n ds t a t e ( 11 a j ) a n dt h ef i r s tt h r e 圮e x c i t e ds t a t 锚 ( 1 。岛，l 镭1 ，1 i ) o ff o r m a l d e h y d eh a v eb e e ns c a n n e da ts a c - c i - g r d 9 5 + l e v e l b y f i t t i n gt h ep o t e n t i a le n e r g ys u l f a o 器o f t h e es t a t e s ，t h ef i n es t r u c t x l r e $ o f t h ee x p e r i m e n t a l p h o t o e l e c t r o n $ p e c i u l l lo f f o r m a l d e h y d eh a v e b e e na c c u r a t e l ya s s i g n e db yu s i n ga bi n i t i o f r a n e k - c o n d o nf a c t o rp r o g r a m i v k e y w o r d s ：e l e c t r o ne x c i t e ds t a t e ；s a c c i ；t d d f t ；z i n d o ；i n d o s ；u v ，s s p e c t r u m ；c i r c u l a rd i c h r o i s ms p e c t r u m ；f r a n c k - e n n d o nf a c t o r 博士擘位论文 d o c t o r a l d i s s e r l ：i o n 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：4 互历秀日期：7 年m ，日 学拉论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：饪秀竞 日期：吁年，2 月，日 导师签名： 雪芝 日期：7 年，z 月日 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。固重途塞握銮厦迸压! 旦圭生；旦= 生 旦三堡筮鱼! 作者签名：7 壬彦知 日期：6 7 年i z b 日 导师签名： 多星 日期：d 7 年，z 月，日 本论文的主要创新点 1 采用t d d f t - p c m 理论模型，对t o p d c 和p o r p h y c e n e 分子的紫外吸收光谱进行了定量解 析归属。 2 以蓝藻捕光系统中的藻蓝蛋白为研究对象，运用含时密度泛函理论( t d d f t ) 方法，结合极 化连续介质模型m ) ，对藻蓝蛋白的三个藻蓝素分子( a - 8 4 、, 6 - 8 4 、p - 1 5 5 ) 在具有生理活性 时的分子状态，紫外吸收光谱和c d 光谱进行了深入系统的理论计算与定量归属研究。计 算结果支持了f o s t e r 的电子转移理论，阐明了在藻蓝蛋白中能量可以从肛1 5 5 和a 8 4 向卢8 4 传递的分子机制。 3 ，采用色素分子簇模型，运用含时的密度泛函理论( t d d r r ) 方法，对紫细菌( r p s v i r i d i s 和r 6 印 口如神光合反应中心的紫外吸收光谱和c d 光谱进行了定量解析归属a 从理论上解释 了实验氧化光谱的一些重要现象，从某种程度上解释了t 特殊对，p 被激发后电子只沿着l 分支向下传递的特异性。 4 同时考虑了。旬键长的伸缩振动和h - c - i - i 键角的弯曲振动对光电子能谱峰形的影响，在 s a c c i 母刚d 9 5 理论级别下对h 2 c o 分子的基态( 1 1 ) 和三个激发态( 1 碗，1 冶l ，1 1 ) 进 行了势能面扫描，并拟合得到势能函数，最后采用从头算f r a n c k - c o n d o n 因子计算程序对这 三个激发态的实验光电子能谱的精细结构进行了解析。 v 博士学位论文 d o ( 舶r a l d i s s e r j l o n 第一章文献综述 当今世界经济高速发展、人口数目急剧增多，传统的能源天一天在减少，环境污染日益 严峻，环境问题和能源问题成了人类所面临的最大的难题。这个时候全世界都把目光投向了可 再生能源，希望可再生能源能够改变当前的能源结构，长远可持续发展。太阳能以一种取之不 尽、用之不竭、蕴量巨大的绿色环保可再生能源，越来越为人们所重视，太阳能的开发利用更 是具有深远而现实的意义，它不仅可以解决我国优质能源少、长期以来以煤为主的能源结构， 而且可以大大缓解由于矿物燃料燃烧所释放的有害物质对环境所造成的负面效应，如大气污染、 酸雨、温室效应、生态平衡破坏等，保证我国可持续发展战略的实施。 光合作用是地球上最重要的化学反应之一，它是人类赖以生存的粮食、能源以及生态环境 的基础。地球上太阳光能的接收和利用是由植物、藻类以及光合细菌光合膜中的色素蛋白复合 体完成的，色素蛋白复合体是自然界经过数十亿年的演化而形成的，具有惊人的高效率。例如， 光合反应中心实现光电转换的光量子效率几乎达到1 0 0 。而到目前为止，各种人造太阳能器 件的光能量转换效率也只有3 0 左右。因此，研究光合作用体系捕光、能量传递和转换的分子 机制，揭示其结构与功能的关系，不仅对阐明自然界这一独特的高效吸能、传能和转能机理具 有重大的理论意义而且还具有深远的重大实践意义：可以为提高农作物的光能转化效率，为 我们设计基于光合系统的除草剂，为仿生模拟太阳能利用开辟新途径，为研制新一代的生物电 子元件和生物芯片提供理论依据、新途径和新技术。 光合作用原初能量传递和电子转移的高效率与光合作用色素蛋白复合体的特殊结构密切 相关。这种在光合作用中参与吸收、传递光能或引起原初光化学反应的色素分子叫做光合色素 分子。 1 1 光合色素 1 1 1 光合色素的结构和分类 光合色素主要分为三类： 一、类胡萝b 素类：普遍存在于高等植物、藻类和细菌中，主要包括胡萝h 素和叶黄素 两种。胡萝h 素是一种含有1 1 个双键的不饱和化合物，有1 2 个同分异构体，在自然界中主要 包括q 一胡萝h 素、卢一胡萝h 素和t 一胡萝h 素，它们是具有相同分子式的立体异构体，但最 常见的是户胡萝h 素，如f i g u r e1 - 1 ( a ) 所示。叶黄素是卜胡萝h 素衍生的二元醇，分子结构 如f i g u r e1 - 1 ) ；胡萝p 素和叶黄素总是与叶绿素口和b 一起存在于高等植物的叶绿体中，它 们吸收蓝光，并把吸收的光能传递给叶绿素a ，最终用于光合作用；除此之外，它们还起到保 护叶绿素的作用，可防止强光对叶绿素的破坏。 h 圆) l u t c i n f i g u r e1 - 1 t h es h - u c t u r c so f - c a r o t e n e ，l u t e i n ( b ) 二、藻胆素类：藻胆素是一种开环的四吡咯化合物，并以共价键硫醚键与多肽链相连接， 具有收集和传递光能的作用，广泛存在于红藻和蓝藻的光捕捉系统中。迄今己知的藻胆素主要 有四种【l 】，藻红素( p h y c o a y t h r o b i l i n ) 、藻蓝素( p h y c o c y a n o b i l i n ) 、藻脲素( p h y c o u r o b i l i n ) 和藻紫素 ( p h y c o b i l i v i o l i n ) ，这些藻胆素的基本化学结构相同，如f i g u r e1 - 2 所示在不同的藻胆蛋白中， 藻胆素的种类和含量均不同，对于游离的开链四毗咯环分子体系，晶体结构分析表明，其稳定 的立体化学结构为卷曲的螺旋环型结构1 2 】。由于藻胆素的构象较易受周围蛋白质环境的影响， 与其它光合色素相比显得较为柔顺 3 1 。因此表现出不同的光谱特征，在1 4 节中有更详细的关于 藻胆素的叙述。 ( a ) p c b p x b ( c ) s i n g l e - l i n k lp e b ( d ) d o u b l e - l i n k e dp u b f i g u r e1 - 2 t h ec h e m i c a ls t r u c t u r e so ff o u rc l a $ 8p h y c o b i l i n ：p h y c o c y a n o b i l i n ( p c s ) 0 3 ) p h y c o b i l i v i o l i n ( p x b ) ( c ) s i n g l e - l i n k e dp h y c o a y t h r o b i l i n ( p e b ) d o u b l e - l i n k e dp h y c o u r o b i l i n ( p u b ) 三、叶绿素类： 叶绿素是叶绿体的主要色素，也是光合作用过程中最重要的光合色素。绿 色植物的叶绿素至少可分为叶绿素a 、b 、c 和矶种，而能进行光合作用的光合细菌须含有细菌 2 叶绿素口或b 。叶绿素口广泛地存在于所有绿色植物的叶绿体中，是类囊体膜的主要色素；叶绿索 6 是另一种重要色素，它总是伴随叶绿素口存在于高等植物和绿藻中。而叶绿素c 存在于硅藻、鞭 毛藻和褐藻中，叶绿素d 存在于红藻中，这些藻类均含有叶绿素a ，但不含叶绿素b ，而蓝藻只含 叶绿素a 。 叶绿素和b 都是卟啉化合物，它们都有一个卟啉“头”和一长链的叶绿醇“尾巴”。卟啉“头” 由四个吡咯环组成，卟啉环的中心有一个镁( m g ) 原子，它与四个氮原子保持等距离。这个大 环中有一接套共轭双键，即有一个 【键，叶绿素之所咀呈绿色，是由卟啉中的电子和m g 决定的。 叶绿素a 和b 两种色素在结构上和分子量方面差别不大，仅在第1 1 个吡咯环的侧链上有所区别： 叶绿素a 的侧链上是甲基( - - c h 3 ) ，当一c h 3 被醛基( - - c h o ) 代替时便成为叶绿素b ，如f i g u r e1 - 3 所示。细菌时绿素与叶绿素只在侧链上有所不同。 c h h 一口p i i ，棚口 f i g u r e1 - 3 t h es n u c t i l r 鹊o f c h l o r o p h ：la n db a c t c r i o c h l o r o p h y l l 当卟啉环缺少中心部分的镁原子时，这种叶绿素便成为去镁叶绿素或去镁细菌叶绿素。在 光合器官中除含有叶绿素和6 外，还含有少量脱镁叶绿素，它们在光合作用中同样有着重要地 位。 除上述三类光合色素外，在嗜盐菌中有一种类似视紫质的色素l l 一顺视黄醛( i i c i 3 一 r e t i n a l ) ，其分子结构如f i g u r e1 - 1 ( c ) 所示。它的紫色细胞膜吸收绿色光线，反射红光和蓝紫光， 两者合并便形成了紫光。近来，美国马里兰大学的微生物遗传学家歇乐达萨马认为，这种用视 黄醛来吸收太阳光的原始微生物，可能统治了早期的地球。 c i o f i g u r e1 - 4 t h es m l c t i l r eo f11 一c i s w 血a l 3 博士学位论丈 d o c t o r a l d i s s e r 剐o n 1 i 2 光合色素的吸收光谱 f i g u r e1 - 5 t h es p e d a t u l lo f s t m l i g h ta n da b s o r p t i o ns p e c t r ao f s e v e r a lp h o t o p i g m e n t so ne a r t h 用分光光度计能精确测定光合色素的吸收光谱( f i g u r e1 - 5 ) 。叶绿素最强的在可见光区的吸 收有两处：波长6 4 0 - 6 6 0 的红光部分和4 3 0 - 4 5 0 n m 的蓝紫光部分。叶绿素对橙光、黄光吸上较少， 尤其对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。 叶绿素a 和叶绿素b 的吸收光谱很相似，但也稍有不同：叶绿素口在红光区的吸收峰比叶绿素 6 的高，而蓝光区的吸收峰则比叶绿素b 的低，也就是说，叶绿素b 吸收短波长蓝紫光的能力比叶 绿素a 强。类胡萝h 素的吸收带在4 0 0 5 0 0 n m 的蓝紫光区，它们基本不吸收红、橙、黄光，从而 呈现橙黄色或黄色。在藻类的吸收中，藻蓝蛋白的吸收光谱最大值是在橙红光部分，而藻红蛋 白则是在绿光部分。 光合色素对光波的选择吸收是植物在长期进化中形成的对生态环境的适应，这使植物可利 用各种不同波长的光进行光合作用。因此，在多数情况下，植物体内光合色素的光谱在很大程 度上受到光合膜中蛋白质的影响而有所不同f 4 j 。 f 1 3 f i g u r e1 - 5 中各色素分子吸收光谱可以发现，照射到地球的太阳光8 0 以上都被第二类和 第三类光合色素所吸收，这两类卟啉类光合色素分子主要存在于绿色植物，藻类和细菌中。在 下面章节将对含有卟啉类光合色素的两类光合反应系统( 光合系统l * n 光合系统) 以及含有卟 啉类光合色素的细菌和藻类的光谱研究进展进行介绍。 1 2 高等植物光合系统i i ( p s n ) 的结构及功能 高等植物进行光合作用的主要场所是光合系统，这些光合系统由镶嵌在类囊体膜中的多亚 基蛋白复合物组成，如f i g u r el - 6 所示。根据发现时问，光合系统可以分为光合系统i ( p s i ) 5 1 和光合系统i i ( p s h ) 嘲其中光合系统口s ) 主要利用吸收的光能使水裂解放出氧气和质 子，并从水分子中提取电子，电子通过质体醌库、c y t b 6 f 复合体和质体蓝素( p c 潆递到p s i 复 合体。而光合系统i ( p s d 主要负责将电子从p s n 还原的质体蓝素向外传递到铁氧还原蛋白( f d ) 。 4 博士学位论文 d o c t o r a ld l s s e r r 皿( 埘 目前，对高等植物完整光合系统最高分辨率的解析主要为n a t h a nn e l s o n 等人在2 0 0 3 年首次解 析出了豌豆( p s w n s a t i v u mv a r a l a s k a ) 的光合系统i ( p s i ) 4 4 a 解析度的x - r a y 晶体结构1 7 一。2 0 0 7 年n a t h a nn e l s o n 等人报道了具有3 4 a 高解析度的豌豆( p i s u ms a t i v u m ) 的光合系统i ( p s l ) 的完整 晶体结构 9 1 ，这是目前已知的对高等植物光合系统是完整的报道。但是相对于高等植物的p s i 而言，光合系统i i ( p s n ) 具有独特的催化光诱导水裂放氧的重要特性，又通常是研究生物体内 电子传递、转移途径的重要研究对象，因而倍受人们的关注。 f i g u r e1 - 6 t h ee l e c t r o nt r a n s p o r t p a t h w a yf r o mp s i it op s i 光合系统n ( p s l i ) 是一个多亚基的色素蛋白复合物，存在于高等植物、藻类和细菌的类囊 体膜中。它包括由核基因和叶绿体基因编码的大约2 5 个不同的蛋白质亚基。如f i g u r e1 - 7 所示， p s i i 可以分成结构和功能不同的两部分。第一部分是外周天线( l h c i d 。主要负责捕获光能；第 二部分是核心复合物，包括d 1 ，d 2 。c p 等复合物，核心复合物中间含有能够进行电子传递的去 镁叶绿素( p h e ) 和醌( q ) 等色素分子，这些辅助因子构成了光合反应中心。利用外周天线l h c i i 吸收的太阳能，反应中心可以将水中的电子提取出来了，释放出氧气，这一步就产生了电化学 势，为二氧化碳的固定和有机分子合成提供了能量【1 q 。如f i g u r e1 - 7 所示。 由于高等植物的光合系统i i ( p s i i ) 相对复杂，因此对其进行完整解析的x - r a y 晶体结构还 没有报道。但是通过电子显微镜，电子结晶等技术人们已经获得了高等植物p s i i 复合物的二维 或三维结构信息，这些结构信息正确归属和定位了大部分的亚基和生物跨膜螺旋等0 0 - 1 8 1 。 5 f i g u r e1 - 7 t h em t h u n i ta n dt h ee l e c t r o nt r a n s p o r ti np s i i 综上所述，高等植物光合系统i i o s 1 1 ) 特殊功能的实现主要靠其中的捕光系统和反应中心的 蛋白复合体来完成的，尽管目前对高等植物捕光系统【1 9 】和光合反应中心【”1 的晶体结构的研究已 经取得了一些进展，但是由于实验所报道晶体的分辨率较低，各种光谱实验数据相对较少，对 其电子转移机理与功能进行深入研究比较困难。藻类( 红藻或蓝藻) 是地球上最原始的生物， 其光合系统与高等植物的光合系统具有较高的同源性【”】，更重要的是蓝藻具有特殊的捕光系统 可以敏锐的捕捉到水下l 米以下较微弱的绿光因此藻类捕光系统一直以来都是最为理想的研 究捕光系统的模型。紫细菌只有一个光合系统o s ) ，其结构及功能与高等植物的光系统非常 接近i l m “1 。尽管紫细菌和高等植物在进化地位上相差很远，但它们的光化学反应机理却是相似 的，都是光合作用引起原初电子供体与受体间的原初电荷分离，并驱动电子在不同的色素和醌 类的分子之间传递。近年来，紫细菌的光合反应中, 6 , - - 直是研究光合作用原初电子转移过程的 理想模型。 1 3 藻类捕光系统 1 3 1 藻类捕光系统的结构和功能 藻类捕光系统主要是由藻胆蛋白口“2 2 妇成，由于其形状像天线通常也被称为天线蛋白，如 f i g u r e1 - 8 所示。在生物体内藻胆蛋白通常聚合成三聚体或六聚体，在低离子强度介质中，可能 解离为单体。 6 l i g h t 4 8 0 - s 7 0n ms 5 0 - 6 5 0r i m t h y l a k o i dm e m b r a n e f i g u r e1 4 t h e e l e c t r o nt r a n s p o r tb e t w p h y c o b i l i p r o t e i n si nl i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e mo f a l g a 根据不同的结构和光谱特征，藻胆蛋白可以分为藻红蛋白( p e ，可见光吸收范围在 4 8 0 - - 5 7 0 n m ) 、藻蓝蛋白( p c ，可见光的最大吸收约在6 2 0 n t o 左右) 及变藻蓝蛋t h ( a p c ，吸收范围 约为6 5 f f - , 6 8 0 n m ) ，另外还存在一种比少见的藻红蓝蛋i 刍( p e c ，最大吸收约在5 9 0 h m 附近) ，每一 类藻胆蛋白又因其所含发色团的种类和数量不同而使其光谱特征有所差异，可分为c 一藻蓝蛋白1 2 3 - 2 7 、b 藻红蛋i 刍 2 8 1 、r - 藻红蛋白陟蚓等。在藻体中它们规则地聚集和排列构成大分子复合物 藻胆体，藻胆体贴在膜表面上，整个藻胆体分成杆( r o d ) 和核( c o r e ) 两部分。在不同藻体中藻胆体- “ 的组成不同，并且会因所处的环境的不同而有所不同。藻胆体依据形态大致可分为四种：微管” 束形藻胆体、半盘状藻胆体、半椭球形藻胆体、双圆筒状藻胆体“。在红藻和蓝藻中，藻胆 体通常形成半盘或半椭圆状，半盘状藻胆体是最常见的一种藻胆体，也是迄今为止研究比较清t 楚的一种【3 q 。如f i g u r e1 - 8 所示，藻红蛋白( p e ) 位于藻胆体的最前端，将其捕捉到的光子依次传 给藻蓝蛋白( p c ) 、变藻蓝蛋白( a p ) 直至叶绿素a 组成的光合反应中心，其传递效率接近1 0 0 j 。 揭示这个高效传递的机理是一个极富挑战性的问题。 多年来，对藻类天线系统以及其中的藻胆蛋白的结构与组成有大量的研究工作，蓝藻和一 些红藻中各种藻胆蛋白的弧基组成、亚基中发色团的类型和数目以及他们的光谱性质p m ，海洋 高等红藻中藻胆蛋白的亚基组成以及初步晶体学研究工作【3 1 3 9 - 4 3 。这些工作使得对从低等蓝藻 到高等海洋红藻的基本结构和组成有了比较清楚的认识。 在已经开展的晶体结构研究中，藻蓝蛋白1 2 3 - 2 7 是目前开展的研究最多，也是结 构最为清楚一类藻胆蛋白。19 8 5 年，s c h i r m e r 等人首次舭l a s t i g o c l a d u sl a m i n o s u s 藻青菌中 解析出了具有3 a 分辨率的c 藻蓝蛋白的三维晶体结构1 2 4 1 。近来，n a t a l i al e r l l e r 组又从 s y n e c h o c o c c u s ，砌m 中提取出具有l ，6 a 分辨率的c 藻蓝蛋白( c p c ) 的晶体结构州。高分辨的 晶体结构显示，已报道的其它藻胆蛋白，如：别藻蓝蛋白( a p c ) m i ，藻红蓝蛋白( p e c ，、1 2 7 ，b 藻红蛋白p e ) 2 8 , 4 6 1 ，r - 藻红蛋白限p e ) 渺她4 4 - 4 9 等与藻蓝蛋白在结构上相似。这些藻胆蛋白 7 都包含有研卿吾个亚基，它们通常以l ：l 摩尔比出现。氨基酸的排列顺序测定结果表明：所有构 成藻胆蛋白的多肽链具有属于同族紧密相关的基因表达，这个研究结果表明所有藻胆蛋白可能 都是有同一样祖先蛋白进化而来的鲫。藻胆蛋白上的基本结构单位是单体( 哟，这些单体在一 定条件下可以形成( 哟 三聚体，两个三聚体也可以形成( 哟6 六聚体圆盘，如f i g u r e1 - 9 所示。 f i g u r e1 - 9 t h es c h e m a t i ca r r a n g e m e n to f c h r o m o p h o r e si nt h ep h y c o c y a n i nh e x a m e rf o r m 藻胆蛋白中的各种聚休态的存在与其自然的状态有关，在体外，藻胆蛋白的聚集态很大程度上 依赖于温度、溶剂、溶液的p h 值，离子强度和蛋白浓度等因素。 1 3 2 藻胆蛋白光谱性质及能量传递的研究进展 在藻胆蛋白中，光能的吸收和电子激发能的传递很大程度上是由藻胆素来完成的。藻胆素 是一种开环的四吡咯化合物，并以共价键硫醚键与多肽链相连接，如下f i g u r el - l o 所示。 f i g u r e1 - 1 0 p h y c o b i l i na n dt h d rp e p t i d el i n k a g e si np h y c o b i l i p r o t e i n s d i 】 迄今已知的藻胆素主要有4 种，即藻红素( p b y c o ，i l l i ；0 b i l 蛐、藻蓝素a p h 弦o c y o b i l i n ) 、藻腮素 y c 蛐) 和藻紫素y b i l i