（光学专业论文）菠菜类囊体膜之能量传递动力学过程研究.pdf

摘要 研究高等植物光合作用能量传递过程，对了解光合作用物理机制具有重要意 义。本文应用时间分辨荧光光谱技术配合光谱解叠方法对l h c i i ，这一高等植物 最重要的捕光复合物迸行了光谱探测和分析研究。主要研究内容归纳如下： 1 详细讨论类囊体膜的结构及其功能与结构之间的联系，同时明确类囊体膜光 合作用激发能传递的途径。 2 分析高等植物的捕光复合体l h c i i 晶体结构及重要的能量传递模型。 3 阐述时间分辨荧光光谱实验装置和实验分析基础。应用时间分辨荧光测量菠 菜的l h c i i 能量传递动力学，并将有关的实验数据进行解叠处理。透过多指 数荧光过程得到六个寿命组分，由d a s 图可知，短寿命组分5 p s 和2 0 p s 明 显参与能量传递过程。这意味着在l h c i i 能量传递十分快速，而且存在如此 快速的能量传递的荧光泄漏过程，这是以往的荧光分析中被忽略的一个方面。 4 讨论在不同实验条件下进行捕光复合物的时间分辨荧光光谱实验，如不同的 激发波长，实验温度和样品配备方法。 关键词：类囊体膜，捕光复合物，时间分辨荧光光谱，能量传递 a b s t r a c t s t u d i e so fe n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s e si np h o t o s y n t h e s i so fh i g h e rp l a n t sa r c i m p o r t a n tf o ru n d e r s t a n d i n gt h ep h y s i c a lm e c h a n i s m so fp h o t o s y n t h e s i s a st h e m o s ti m p o r t a n tl i g h t h a r v e s t i n gc o m p l e xi nh i g h e rp l a n t s ，l h c i ii si n v e s t i g a t e db y t h et i m e r e s o l v e df l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p ym e a s u r e da n dd e c o n v o l u t e di nt h i st h e s i s t h em a i ni n v e s t i g a t i o ns u b j e c t sa sf o l l o w s ： 1 t h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo ft h y l a k o i dm e m b r a n ea n dt h ef u n c t i o n - s t r u c t u r e r e l a t i o n s h i ph a v eb e e ns t u d i e da n da n a l y z e d ，w eh a v ea l s od i s c u s s e dt h ee x c i t a t i o n e n e r g yt r a n s f e rp a t h w a yo f p h o t o s y n t h e s i si nt h y l a k o i dm s m b r a n e 2 t h ec r y s t a ls t m c t t r eo fm a j o rl i g h t - h a r v e s t i n gc o m p l e xl h c i ia n dt h ei m p o r t a n t e n e r g yt r a n s f e rm o d e lh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l 3 t h ea r r a n g e m e n to ft i m e - r e s o l v e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o ni si l l u s t r a t e d t h e e n e r g yt r a n s f e rd y n a m i c so f l h c i io f s p i n a c hw a sm e a s u r e db yt h et i m e - r e s o l v e d f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p ya n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ah a v eb e e nd e c o n v o l u t e do n t h eb a s i so f f 6 r s t e re n e r g yt r a n s f e rm o d e ls i xl i f e t i m ec o m p o n e n t sw e r eo b t a i r l e d b ym u l t i - e x p o n e n t i a lm o d e l i ts h o w st h ef a s tc o m p o n e n t so f5 p sa n d2 0 p sa 地 s i g n i f i c a n t l yt a k e np a r ti nt h ee n e r g yt r a n s f e rp r o c e s sf t o mt h ea n a l y s i so fd a s s p e c t r a i tm e a n st h a tt h ee n e r g yt r a n s f e ro fl h c i ii sv e r yf a s ta n dh a v e f l u o r e s c e n c el e a k a g e 4 w eh a v ea l s or e s e a r c h e dt h et i m e - r e s o l v e df l u o r e s c e n c ed e c a ys p e c t r ao f l h c i ii n ad i f f e r e n t e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n , s u c ha s t h ed i f f e r e n c eo ft h ee x c h e d w a v e l e n g t h sa n dt h ee x p e r i m e n t a lt e n q ) c r a t u r e ，t h ed i f f e r e n c eo fs a m p l e s p r e p a r a t i o nh a sa l s ob e e nd i s c u s s e d k e yw o r d ：t h y l a k o i dm e m b r a n e , l i g h t - h a r v e s t i n gc o m p l e x , t i m e r e s o l v e d f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y , e n e r g yt r a n s f e r n 第1 章引言 1 1 光合作用的重要性 廿一世纪以前，人类发展所需的能源大量依赖于古代化石燃料，即煤和石油。 然而，这些以往看似源源不绝的地球资源，也将面l i 缶耗竭的危机，促使油价持续 上升，全世界的人类也开始为未来的能源供应而紧张。因此，人类对包括化石燃 料，饮用水资源等天然资源需求的增加，可能成为人类未来冲突的祸端。正因为 如此，寻找新的能源是迫在眉睫的任务。由于煤和石油等化石原料是地球远古以 前光合作用所积累的产物，因此了解光合作用的机制能为我们寻找新能源提供一 个很好的线索。与此同时，地球上的人口不断上升，对粮食需求将越来越大，如 何能提供足够粮食的重要性是显而易见的，研究光合作用的机理，对实现第二次 的绿色革命，提高农作物的产量带来契机。近几十年来，科学家们对光合作用的 认识有了很大程度的提高，但要达到人类研究光合作用的最终目的还有很长的路 要走。 光合作用是将太阳能转换为化学能，将水和二氧化碳合成为碳水化合物，同 时释放氧气的过程。光合作用的基本过程为： 1 2 马d + 6 c d 2 与c ：局2 d 6 + 6 d 2 + 6 马0 光合作用作为目前地球上唯一大规模地将太阳能转换成可储存化学能的巨 型能量转换站，光合作用的年同化太阳能相当于人类所需能源的1 0 0 倍。光合作 用每年吸收7 0 0 0 亿吨二氧化碳，合成5 0 0 0 亿吨有机物。这个数字己经很庞大， 但被有效利用的太阳能远远不到地球吸收总量的1 。只要在光合作用研究中取 得些许进步都可能获得相当大的效益。 光合作用是一个特殊而基本的生命过程，如果没有光合作用，除了某些自营 细菌外，大部分的生物，包括植物，动物以及人类都无法生存下去。故光合作用 可被认为是地球上最重要的化学反应【”。光合作用反应由原初反应，电子传递和 氧释放，光合磷酸化和二氧化碳同化阶段所组成。光合作用原初过程中，包括了 光量子的吸收，激发能传递和电荷分离，这些过程都是在很短的时间段内发生的。 原初过程所涉及的知识面较广，不单与物理学和化学有关，而且与生物化学和生 物学的知识亦是不可缺少的，这也可能是迄今对原初过程机制不完全清楚的原因 之一。 光合作用原初过程包括一系列能量传递，电荷转移等微观步骤。这些步骤是 在一定分子按特定方式排列堆砌而成的光合膜上相继进行的。在原仞过程中，捕 光天线系统吸收光能并以激发能的形式快速地传送至反应中心，在反应中心内发 生电荷分离使光能转化成化学能，这过程约在1 0 0 皮秒内完成，能量传递效率在 9 8 以上，故捕光天线系统及反应中心是整个原初过程中最藿耍且最具研究价值 的系统，了解天线系统与反应中心对我们掌握原初过程中能量传递和电荷分离的 机制具有战略性意义。 光合作用原初过程的电荷分离和能量传递过程一直是科学界关注的研究课 题，历年共有1 0 项有关光合作用的研究荣获诺贝尔奖金( 表1 1 ) ，可见有关研 究项目对科学界乃至人类历史，均具有举足轻重的地位。我国近年亦己进行了有 关光合作用的研究的9 7 3 中大研究项目，主要集中于生化过程及结构的研究， 对原初过程中的电荷分离及能量传递等生物物理过程的研究，则较为忽略。了解 光合作用原初过程的整体运作程序，将成为人工模拟光合作用的关键。 表1 - 1 光合作用有关研究的诺贝尔奖得奖名单【2 1 年份获奖者研究课题 1 9 1 5w i l s t t e r r mp l a n tp i g m e n t s , e s p e c i a l l yc h l o r o p h y l l 1 9 3 0f i s c h e rh c h l o r o p h y l lc o n s t i t u t i o na n dh a e m i ns y n t h e s i s 1 9 3 7k a r r e r pc a r o t c n o i ds t r u c t u r e 1 9 3 8k u l m rc a r o t c n o i d sa n dv i t a m i n s 1 9 6 1c a l v i n mc a r b o na s s i m i l a t i o ni np l a n tp h o t o s y n t h e s i s 1 9 6 5w b o d w a r d r bt o t a ls y n t h e s i so f c h l o r o p h y l l 1 9 7 8m i t e h e l l p d c h e m i o s m o t i ct h e o r ya b o u tp h o s p h o r y l a t i o n 1 9 8 8 d c i s c n b o f e rj ，h e b e r d e t e r m i n a t i o no f t h e3 ds t r u c t u r eo f b a c t e r i a l m i c h c l h d 茂i c t i o nc e n t e r 1 9 9 2m a r c u sr ae l e c t r o nt r a n s f e rt h e o r y 1 9 9 7 b o y e r p d ，w a l k e rj e e l u c i d a t i o no f t h ee n z y m a t i cm e c h a n i s mo f a t p s k o u j c d i s c o v e r yo f n a * ，i c - a t p a s e 3 1 2 生物膜介绍 生物膜不是像塑料薄膜一类的非生物膜，而是伴随细胞存在的一种结构。无 论是动物细胞还是植物细胞，外面都有一层细胞膜，叫做细胞外周膜，也叫质膜。 不仅如此，细胞内部的各种细胞器，无论是细胞核、高尔基体、线粒体，还是内 质网、溶酶体、液泡等等都包含膜的结构，这些叫做内膜。生物膜就是质膜和内 膜系统的统称。这两个膜系统也有交流，有时甚至连在一起。由此可见，如果认 为生物膜就是细胞外周那一层膜是不全面的。生物膜是细胞的基本结构，假如没 有膜，就不成为细胞。细胞内的各种反应都是有序的，生物膜为生物大分子和各 种小分子的有序反应提供结构基础，由于膜的存在，细胞内形成大小不一的小单 元，细胞器和亚细胞结构，它们既相对独立，具有各自的组成与内环境，又相互 联系，相互协调。【3 l 生物膜是由膜脂、蛋白质和糖等组成的超分子体系。膜脂的双层结构是生物 膜的支撑，生物膜的功能主要由膜蛋自来体现，从膜中伸出的糖分子与蛋白质或 膜脂相结合。1 9 7 2 年，美国s i n g e r 和n i c o l s o n 提出了一个生物膜模型，称为流 体镶嵌模型。他们认为，无论是膜脂还是膜蛋白都不是静止的，它们都在流动。 膜蛋白有的镶在膜的表面，有的嵌入膜中甚至跨膜分布。生物膜功能很广泛，也 非常重要。凡是生命过程中的重要环节，比如能量转换、物质运送、信息识别与 传递、神经传导、代谢调控、激素与药物作用以及疾病发生等等，研究到最后无 不与生物膜有关。生物膜这些重要的功能主要通过膜蛋白来体现，随着对膜蛋白 功能的研究逐步深入，人们都希望了解它们的高级结构。上世纪8 0 年代，h m i c h e l 等三位科学家因首次获得膜蛋白紫色光合细菌的光合作用反应中心的结 晶，并成功地解析其三维结构，从而荣获1 9 8 8 年诺贝尔化学奖。2 0 0 4 年，中国 科学院生物物理所常文瑞教授等的研究小组，解析了定位于叶绿素膜上与光合作 用密切相关的膜蛋白，菠菜主要捕光复合物i i 的三维结构，从而解释了它能够 高效进行光能吸收和传递的原因。 4 1 3 光合作用中的重要色素 光合生物在光合作用的反应中吸收光能的色素称为光合色素，光合作用原初 光物理过程起始于太阳能被光合色素所吸收。光合色素主要有3 种类型：叶绿素、 类胡萝卜素和藻胆素1 4 。 叶绿素( c h l o r o p h y l l ) 是包含在光合器官中最典型的色素嘲绿色植物的叶 绿素至少可分为叶绿素a 、b 、c 和d ，其中叶绿素a 广泛地分布于光合件用器官 中，是类囊体膜的主要色素成分，而叶绿素b 总是伴随叶绿素a 同时存在，在高 等植物中的含量约为叶绿素a 的三分之一。叶绿素分子属于卟啉化合物，含有一 个极性的亲水卟啉头，一条非极性亲脂性强的叶醇尾巴，插入类囊体的脂质双层 膜中，使叶绿素分子定向排列成单分子层，有利于叶绿素对光能的吸收和光能在 它们之间的高速传递。卟啉头由四个吡咯环与一个镁原子所组成。 图1 1 叶绿素a 和叶绿素b 的结构 1 6 1 类胡萝1 - 素( c a r o t e n o i d ) 为长条多聚异戊二烯分子，可分为胡萝卜素和叶 黄素。类胡萝卜素能吸收波长较短，能量较高的蓝光，并把所吸收的光能传递给 叶绿素a ，同时可保护叶绿素分子，避免在高光强中产生过多的光氧化。藻胆素 与叶绿素结构相似，存在于红藻及蓝藻，而不存在于高等植物。川 5 1 4 色素间的主要能量传递机制 由于叶绿素会发出特定的荧光，并且所有捕光天线都会把收集到的能量传至 叶绿素，故可透过探测叶绿素所发出的荧光，研究有关能量传递的过程。叶绿素 之所以发出荧光，主要是由于叶绿素处于一个高能的状态，即处于其激发态。我 们在研究光合作用时，就是使样品达到激发态( 即制备激发态) 后进行分析。激 发态是物质的高能和不稳定的状态，很容易会失去被激发时所获得的能量，重新 回到稳定的基态。由激发态回到基态的过程，叫做退激发过程，这个过程可以自 发地产生，而外界的因素可影响这过程的速率。退激发可分为物理退激发和化学 退激发，物理退激发是激发态分子回到基态后，其结构未发生任何改变，仍是激 发前的化合物；化学退激发是在退激发过程中发生了化学反应，当该分子重新回 到基态时，己不是原来的物质，而是由于化学反应而形成新的一种物质。物理退 激发亦可分为分子间和分子内退激发两种情况，分子内的退激发有辐射退激发 ( 如荧光和磷光) 和无辐射退激发( 如内转换和系间窜越) ；而分子闻的退激发 包括了能量转移和电子转移嘲。 1 4 1 偶极偶极共振能量传递模型 处于激发态的电子在跃迁至基态时必然引起电荷重新分布，邻近分子在此分 子的电偶极场作用下可以产生诱导共振并跃迁到激发态，这过程可表示为 s + h v 一s s + 4 s + 4 s 表示为传递过程中的给体，而a 则为传递过程中的受体，其机理就像音叉之间 所引起的能量传递，故称为共振传递，它是偶极一偶极相互作用而引起的长距离 能量传递。该距离的长度长到可忽略偶极矩的形状以及偶极矩的空间分布，只是 6 关心偶极矩的大小以及空间取向。 f 6 r s t e r 能量传递速率公式可以写为： k = 丢( 笥 n ， 旬为荧光的寿命，r 为相互作用分子间的距离，r 0 为f 6 r s t e r 临界距离，与供体的 发射光谱及受体的吸收光谱相互重迭程度成正比，并与受体的吸收截面，介电常 数等因素有关。由上式可以知道，能量给体分子的荧光光谱与能量受体分子的吸 收光谱有明显的交盖，其传递速率与r o r 的六次方成正比，故传递速率主要是 与r 。及r 的值相关。一般来说，异种分子的重迭面积大，故异种分子的传递速 率比同种分子间要快，即传递效率高些。 当r r o 时，y 4 旬，这表明共振传递时间丘比荧光还长，能量还没有来得及 传递，激发态就以发射荧光的途径退激发。而当r r o 时，t t 则与类脂相连，其中分布着许 多电子递体和酶类。利用机械方法分离叶绿体，证实分离的间质膜具有高的p s i 的活力，而基粒膜则具有高的p s i i 活力，具体情况于本章2 6 节部分再作详细讨 论。 1 6 2 4类囊体膜的膜脂组成 构成类囊体的主要脂类化合物是糖脂、硫脂和磷脂。它们对维持膜的流动性 及植物的抗寒性具有重要作用。研究表明，高等植物类囊体膜脂主要有五种，分 别是：单半乳糖基甘油二酯( m o n o g a l a e t o s y ld i a c y l g l y c e r o l , m g d g ) 、双半乳糖 基甘油二酯( d i g a l a c t o s y ld i a e y l g l y c e r o l , d g d g ) 、硫代异鼠李糖基甘油二酯 ( s u l p h o q u i n o v o s y l d i a c y l g l y e e r o l , s q d g ) 、磷脂酰甘油( p h o s p h a t i d y l g l y c e r o l , p g ) 和磷脂酰胆碱( p h o s p h a t i d y l c h o l i n e ，p c ) 。而其中m g d g 和d g d g 占膜脂总量 的7 5 。不同类型植物类囊体膜内的各种脂类含量不同。表2 - 2 是菠菜类囊体膜 不同膜脂所占的比例f 1 7 】 表2 一1 菠菜的五种不同膜脂的分布 坞国 l 南黔 f l b o d - q # b d h = ，i 曲酬 x 嚣 a 垆珏 a 嘎 9 管似翦删雠蝴 m m 曜蝴a c i ，t d i a c y l g l y t a - o l 册g d 回 功g 幽n o 刚 酬g # c a d l g ! d o ) 鼬i 缸p 衄刚 a i a c y l g l y c 玎o l f , s q d o 飘m 曲埘蛳磺r 嘲 o o 。 x 2 争帆琢嘲哪嘞 c h o l i m 0 图2 7 五种膜脂结构的化学表示式 嗡一咤一晦 2 5类囊体膜内的电子传输过程 光合作用过程中，把光能转换为化学能实际上是涉及两个光系统的光反应， 水的裂解，两个光系统及其之间的电子传递过程，形成a t p ( 三磷酸腺甘) 的光 合磷酸化，而且还包括n a d p h ( 还原型辅酶i i ) 的形成。 高等植物的叶绿体中含有两个光系统( 光系统i 和光系统i i ) ，它们有其各 自的捕光色素蛋白复合物和反应中心，两个光系统的提出，是由于e m e r s o n 效应 的结果。e m e r s o n 在观测不同波长的光对小球藻光合放氧的量子效率的影响时发 现，波长大于6 8 0 n m 的红光所产生的量子效率很低，若在同时加上6 5 0 6 7 0 n m 的短波红光照射植物，则量子效率大增，比这两种波长的光单独照射时的总和还 要多，这现象称为e m e r s o n 效应或双光增益效应【1 8 1 。e m e r s o n 在此基础上提出， 绿色植物的光合作用是由两个系统合作进行的。同时，这亦为同后z 图解提供 了一个很好的理论背景。 h i l l 和b e n d a u 在t 9 6 0 年根据电子传递的氧化还原电位岛低次序，提出z 字 图形排列【1 9 1 ( 如图2 8 所示) ，当光系统i i 反应中心每获得一个光量子时，因受 光激发发生电荷分离，相应地发射出一个电子，并把该电子传递至光系统i i 的 原初电子受体，立刻把接受的电子传递给光系统i l 的原仞电予受体q 醌分子， 随后电子再由q 经一系列电子传递至光系统i ，最后把电子输送到n a d p ，而 n a d p 则被还原为n a d p h 。n a d p h 是一种很强的还原剂，配合a t p 中特殊酶 的催化作用，把c 0 2 还原为碳水化合物。由于这一电子传递过程中，各电子受 体是按它们的电位高低顺序排列，其形状就像z 字，故该非环式电子传递模型 称为z 一图模型，图2 8 的上图是根据光合器件在类囊体中的位置所绘出的z 图 模型；而图2 8 的下图是根据电势的高低所绘出的z 图模型。 3 文 图2 8 电子在类囊体膜内的传递过程模型( z 图) 上图：类囊体膜中五个主要复合物的电子及质子传递模型 下图：根据电势高低得到所对应的z 图1 2 0 】 1 9 2 6 类囊体膜超分子蛋白复合体 类囊体中的各种化学成分在膜内的分布并非是杂乱无章的，而是与蛋白质相 结合、组成不同的超分子蛋白质复合体有序地排列并镶嵌在这种脂双层膜上。高 等植物类囊体上的超分子蛋白质复合体主要包括：光系统i i ( p s i i ) 、光系统i i 的外周补光复合物( l h c i i ) 、光系统i ( p s i ) 、细胞色素b 6 f 蛋白复合体( c t y b 6 d 和c f o ，c f l a t p 合酶五大类。 图2 - 9 各种光合器件于类囊体膜的分布j 隋况【2 0 】 各光合器件在类囊体膜上分配的模型如图2 - 9 所示，光系统i i ( p s i i ) 复合 体、捕光复合体l h c i i 大部分存在于基粒( g t a n a ) ，即类囊体膜的垛叠区内， 而光系统i 复合体则大部分存在于非垛叠的间质类囊体膜上。另外，细胞色素b 6 f 蛋白复合体( c t y b 6 f ) 于垛叠区及非垛叠区的分布几乎相等，c i = o c f l a t p 合酶复 合体只分布于间质类囊体膜部分。二十多年前，m i l l e r 及s t a e h e l i n l 2 1 】发现a t p 合酶复合体是棒棒糖状的，从类囊体膜的非垛叠区突出圆头。这五个重要的复合 体于垛叠及非垛叠区之间具体分布大小如表2 2 所示。 表2 2 五种重要复合体于类囊体膜垛叠及非垛叠区的分布情况 复合体基质( 垛叠区)间质( 非垛叠区) p s 8 5 1 5 p s i 8 5 c y t b 6 f 5 0 5 0 l h c i i8 0 2 0 a t ps y n t h a s e o 1 0 0 第3 章高等植物捕光复合物l h c i i 在高等植物中，捕光色素复合物( l i g h th a r v e s t i n gc o m p l e x ) 是一类捕获光 能，并将其迅速传至光合反应中心引起光化学反应的色素蛋白系统。其天然生理 状态是以三聚体的形式存在。高等植物体内含有两个光系统，即p s i 和p s i i ，它 们部有各自的捕光色素复合物l h c 。由于光系统i i 的捕光色素复合物( l h c i i ) 占有类囊体膜中近5 0 的色素和约三分之一的蛋白质，其生理功能非常复杂， 且易被大量分离和纯化而备受研究者所关注。l h c i i 在类囊体膜中除能进行光能 的吸收和传递之外，对维持类囊体膜的结构，调节激发能在两个光系统之间的分 配，光保护以及对各种环境的适应等过程中都起着非常重要的作用。 3 1l h c i i 的晶体结构及功能 3 1 1l h c i i 的简单结构 1 9 8 7 年，k f i h l b r a n d t l 2 2 l 成功制备了二维l h c i i 晶体，及后k n h l b r a n d t 和 w a n g 2 3 1 应用新的结晶学技术得到分辩率为6 a 的l h c i i 结构。这工作解释了三 个横跨膜a 螺旋状物的存在；其构图如图2 1 所示，其中a 螺旋状物长约4 6 a ， b 螺旋状物长约4 9 a ，分别对应约3 1 及约3 3 个氨基酸残基；而c 螺旋状物较 短，长约3 0 a ，对应约2 0 个氨基酸残基，这个模型的提出为日后在更高精度上 提出的模型提供可靠的依据。 h 8 t t o m a 图3 - 1 类囊体膜中l h c i i 多肽简单示意图幽l 3 1 2l h c i i 的不同聚集态 天然生理状态是以三聚体的形式存在，其形成的过程大致是：由核基因编码， 在质体核糖体上先合成带转运肽的l h c i i 脱辅基蛋白质的前体，然后转运至类 囊体膜上加工为成熟的脱辅基蛋白，并与色素结合形成l h c i i 单体，最后在膜 脂的参与下由不同的l h c i i 单体随机聚集成不同的异质或同质三聚体【2 5 1 1 2 6 1 。在 此过程中色素，包括c h la 、c h lb 和叶黄素的参与是为蛋白质的正确折迭和装配 所必需，而膜脂的参与则可能涉及到l h c 单体的组装、三聚体的形成以及它在 膜上三维结构的稳定等方面鲫。由此可见，在随机聚集成三聚体的过程中不可 避免地亦会发生不同二聚体和多聚体形式的随机组合。l h c i i 不同聚集态的存在 是否意味着，这些聚集体在体内的相互作用对光能的吸收与传递可能产生重大的 影响，这是一个非常敏感的问题，已引起广泛的关注【2 s 1 【2 9 l 。 s h e v i e wt r i m e rv i e w 糕 黪 图3 - 2 l h c i i 单体结构图( 上) ；l h c i i 三聚体侧面图及俯视图( 下) 【3 0 】 3 1 3 高等植物的l h c i i 高等植物中l h c i i 的天然生理活性状态主要是以其三聚体的形式存在，其 主要的生理功能除了增加捕光吸收截面与传递光能之外，还有调节激发能在两个 光系统之间的分配和维持光合膜的正常结构免受强光等破坏作用。在l h c i i 中， 不同的c h l a 、c h l b 和类胡萝h 素分子之间存在着非常复杂的激子相瓦作用，研 究它们之间的能量传递过程时间常数对于揭示捕光色素蛋白复合物的结构和功 能具有非常重要的意义。在类囊体膜上，l h c i i 在进行光能吸收和传递的同时， 对类囊体结构的维持，尤其是基粒的垛叠也起着非常重要的作用。 a r g y r o u d i - a k o y u n o g n o u o n 、a x n t z c n p 2 1 和t a n g t 3 3 瞎先后证明了蚕豆、豌豆和小麦 发育不完善的叶绿体膜缺乏l h c i i ，也缺乏垛叠的基粒结构，l h c i i 的存在是基 粒形成的主导因素。 图3 - 3 类囊体膜中环绕光系统i i ( p s i i ) 反应中心捕光复合物模型1 3 4 l 3 1 4l h c i i 内的叶黄素循环 叶黄素循环是指植物体内，紫黄素在其脱环氧化酶的催他下经中间产物环氧 玉米黄素( a n t h e r x a n t h i n ) 形成玉米黄素( z e a x a n t h i n ) ，而玉米黄质经其环氧化 酶的作用又可形成紫黄质的过程。 在1 9 5 7 年，s a p o z h n i k o v 等就发现植物叶片在照光和暗处理下生长的植物叶 片中类胡萝卜素含量的变化，发现在强光下环氧玉米黄质含量下降，而玉米黄质 含量增加，并发生脱环氧化作用；而在暗中，玉米黄质含量降低，而环氧玉米黄 质开始增加，因而他们首次证明了在植物中存在叶黄素循环，并通过温度实验证 明这些反应是酶促反应。叶黄素循环是植物保护其光合器免受过剩光能伤害的主 要保护机制p s i 。 。资k a k a 下椒洲 a n l h e r a x a n t h i n l w l u lll w # 1 a h 枷h t 嘞e 村芒p a 氐k a l v 纠卸锄一i h i c h l q h ll e v e 渺a 太a r 期洲 图3 - 4 叶黄素循环示意图1 3 6 l e曲l 吣 b 3 2 菠菜l h c i i 的晶体结构 菠菜作为研究光合作用过程中被广泛应用高等植物，其主要捕光复合物 l h c i i 的内部结构备受关注。其中，由中国科学院生物物理所常文瑞教授等的研 究小组，于2 0 0 4 年解析了定位于叶绿素膜上与光合作用密切相关的膜蛋白，得 到目前最清晰的有关菠菜主要捕光复合物i l 的三维结构 3 7 1 。这将有助进一步研 究当中的能量高效传递及光能吸收的过程。 l h c i i 是位于叶绿体内最丰富及完整膜蛋白，以三聚体存在并结合于类囊 体。每个单体l h c i i 组成包含约2 3 2 氨基酸残基多肽，1 3 1 5 个叶绿素a 和叶绿 素b 分予1 3 8 】，3 - 4 个胡萝卜素 3 9 1 及磷脂 4 0 l 。除了捕光功能外，l h c i i 同时作为在 强光下过剩激发能的非辐射耗散功能，这主要是运作于减少过剩光破坏的光保护 机制。而且，l h c i i 同时参与调节二光合系统中的激