（生物物理学专业论文）依赖于ph的光系统i的光合特性.pdf

中文摘要 从菠菜叶绿体中分离纯化了光系统i ( p s i ) 颗粒，并研究了p s i 颗粒和脂质环 境中的p s i 颗粒( 重组在磷脂p g 脂质体中) 在不同酸碱度条件下的一些光台特性。 所得主要结果如下： l 、测定了p s i 颗粒在不同p h 条件下的室温吸收光谱，发现强酸( p h l 2 ) 处 理使p s i 颗粒在蓝区的最大吸收峰出现明显的蓝移现象，而红区的最大吸收峰出现 小的红移现象：在强碱性( p i l l 3 1 4 ) 条件下，p s i 颗粒在蓝区和红区的吸收峰均出 现明显的蓝移现象。说明在强酸和强碱性条件下，c h l 分子所处的微环境均发生了 改变。除此之外，强酸和强碱主要造成吸收波长较长的6 8 3 n m 状态c h ln 分子的破 坏：另外，在强碱性条件下，4 7 3 n m 状态的c h lb 分子的吸收消失，同时伴随着6 4 7 n m 状态的c h lb 分子吸收峰的出现。而在p h 3 1 2 的范围内，p s i 颗粒的吸收光谱无明 显变化。 2 、测定了p s i 颗粒在不同p h 条件下的低温( 7 7 k ) 荧光发射光谱，发现强酸 和强碱处理均使p s i 颗粒的低温荧光产量呈现下降的趋势，f 7 2 0 7 4 0 f 6 8 0 的比值 也随之下降，而且p s i 颗粒的特征长波长荧光峰位出现蓝移现象，说明强酸和强碱 主要影响了能量向长波长c h lo 分子的传递过程。另外，p i l l 4 时于6 8 0 n m 左右出 现了一个新的荧光发射峰，说明强碱处理使部分l h c i 6 8 0 组分从p s i c c 上解离下 来，从而抑制了能量由l h c i 6 8 0 向l h c i 7 3 0 的传递，以及向p 7 0 0 反应中心的传 递。在磷脂p g 环境中，p s i 颗粒的低温荧光发射峰发生了更为明显的蓝移，强碱 性条件下6 8 0 n m 处的荧光峰更加明显，而且强酸处理也使p s i 颗粒出现了6 8 0 n m 新的荧光蜂，说明在脂质环境中，p s i 中的l h c i 6 8 0 组分更容易受到盯和o r 的 影响。 3 、测定了不同p h 条件下p s i 颗粒的相对耗氧速率，发现p h 9 时p s i 颗粒有最 大的电子传递活性，低于或高于这个p h 值均使p s i 的活性下降，说明p s i 颗粒的 光化学活性对p h 有一定的依赖性；而在p g 存在的条件下，p s i 颗粒的最大耗氧活 性出现在p i l l 0 处。同时发现，在p g 环境中，各种p h 条件下p s i 颗粒的电子传递 活性均有所提高。 4 、测定了p s i 颗粒在8 3 0 n m 处吸收值的变化情况，以探讨p s i 颗粒征不同p h 条件下氧化还原状态的改变。结果显示，相比于对照，弱碱性条件( p h 8 1 2 ) 下p s i 反应中心p 7 0 0 的氧化还原电势增加，而在酸性( p h i 6 ) 和强碱性( p h l 3 1 4 ) 条 件下，p 7 0 0 反应中心的氧化还原能力下降。这说明p 7 0 0 反应中心对弱碱性条件有 一定的耐受能力，而对酸处理却非常敏感，少量的h 。即使p 7 0 0 的氧化还原能力受 到明显的影响。在p g 存在的情况下，p s i 颗粒8 3 0 n m 处吸收值在各种p h 条件下 均出现增大的趋势，说明p g 的存在普遍提高了p 7 0 0 反应中心的氧化还原能力。 5 、c d 光谱测定的结果显示，重组p s i 颗粒在远紫外区( 2 0 0 2 5 0 n m ) 约2 2 6 n m 处的负信号在一定p h 范围内( p h 4 11 ) 要大于重组前的p s i 颗粒。说明p g 的存 在提高了p s i 蛋白亚基二级结构中a 螺旋的含量，使p s i 颗粒处于更加有序和折叠 的状态。 6 、多肽组分的s d s p a g e 分析结果表明，非强酸和强碱( p h 4 1 1 ) 条件并没 有造成p s i 蛋白亚基的降解或解离。 关键词：光系统i ，能量吸收，能量传递，光化学活性，蛋白质二级结构 i i i a b s t r a c t t h ep s ip a r t i c l e sw e r ee x t r a c t e df r o mt h ef r e s hl e a v e so fh i g hp l a n ts p i n a c h ，a n d s o m ep h o t o s y n t h e t i cc h a r a c t e r i s t i c so f p s ip a r t i c l e sa n d p s ip a r t i c l e sr e c o m b i n a t e dw i t h p gm o l e c u l e sw e r es t u d i e d t h em a i nr e s u l t sw e r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 t h ea b s o r b a n c es p e c t r ao fp s ip a r t i c l e sw e r em e a s u r e d u n d e rd i f f e r e n tp h c o n d i t i o n s i tw a sf o u n dt h a ts t r o n ga c i dt r e a t m e n t s ( p i l l 2 ) c a u s e de v i d e n tb l u e - s h i f to f t h ea b s o r b a n c ep e a k si nt h eb l u er e g i o n , a n dw e a kr e d s h i f ti nt h er e db a n di nc o n t r a s t ， s e v e r eb a s i ci n c u b a t i o n s ( p i l l 3 t 4 ) l e dt oc l e a rb l u e - s h i ro fp e a k sb o t hi nt h eb l u ea n d r e dr e g i o n s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h em o d i f i c a t i o no ft h em i c r o e n v i r o n m e n ts u r r o u n d i n g c h lm o l e c u l e sb o t hu n d e rs t r o n ga c i d i f i c a t i o na n db a s i f l c a t i o nc o n d i t i o n s i na d d i t i o n ， s t r o n ga c i da n da l k a l it r e a t m e n t sm a i n l yc a u s e dt h ed a m a g eo ft h o s ec h lam o l e c u l e s w i t hl o n g e rw a v e l e n g t ha ta b o u t6 8 3 n m f u r t h e r m o r e ，s e v e r eb a s i ct r e a t m e n t sl e dt ot h e d i s a p p e a r a n c eo ft h ea b s o r p t i o no f4 7 3 n mc h lbm o l e u l e s ，a n dt h ea p p e a r a n c eo ft h e a b s o r b a n c ep e a ko f6 4 7 n mc h lbm o l e c u l e s p h 3 1 2i n c u b a t i o n ss h o w e dn oe v i d e n t c h a n g eo f t h ea b s o r b a n c es p e c t r a 2 t h e7 f l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r ao f p s ip a r t i c l e sw e r er e c o r d e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a ts t r o n ga c i da n da l k a l it r e a t m e n t sc a u s e dt h ed e c l i n eo ft h el o wt e m p e r a t u r e f l u o r e s c e n c ey i e l d s ，t h ed e c r e a s eo f t h er a t i oo f f 7 2 0 7 4 0 1 7 6 8 0 ，a n dt h eb l u e s h i f to f t h e c h a r a c t e r i s t i cl o n g - w a v e l e n g t hf l u o r e s c e n c ep e a k , i n d i c a t i n gt h ei n h i b i t i o no fe n e r g y t r a n s f e rp r o c e s sf r o m4 4 0 n mc h lam o l e c u l e st ot h el o n g - w a v e l e n g t hc h lam o l e c u l e si n a d d i t i o n , an e wf l u o r e s c e n c ep e a ko f6 8 0 n ma p p e a r e da tp i l l 4 ，d e m o n s t r a t i n gt h e d i s s o c i a t i o no fs o m el h c i 一6 8 0c o m p o n e n t sf r o mt h ep s ic o r ec o m p l e x e s ，w h i c h r e s u l t i n gi nt h ei n h i b i t i o no fe n e r g yt r a n s f e rf r o ml h c i - - 6 8 0t ol h c i - 7 3 0a n dt op 7 0 0 r e a c t i o nc e n t e r w h e np gw a sa d d e di n t op s is o l u f i o n s ，m o r ee v i d e n tb l u e s h i f to c c u r e d t ot h e7 31 r i mf l u o r e s c e n c ep e a ko fp s ip a r t i c l e s f u r t h e r m o r e ，t h en e wp e a ko f6 8 0 n m a p p e a r e du n d e re i t h e rs t r o n ga l k a l io rs t r o n ga c i dc o n d i t i o n s ，i n d i c a t i n gt h a tt h ea d d i t i o n o fp ga g g r a v a t e dt h ed a m a g eo fl h c i - 6 8 0c a u s e db y 盯a n do h i o n s a n dm o r e l h c i - 6 8 0c o m p o n e n t sb r o k ea w a yf r o mt h ep s ic o r ec o m p l e x e s i v 3 t h er e l a t i v e o x y g e n u p t a k e r a t e so fp s lw e r e m e a s u r e d u n d e rd i f f e r e n tp h c o n d i t i o n s ，a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tp h 9 - t r e a t e dp s ip a r t i c l e se x h i b i t e da m a x i m a le l e c t r o nt r a n s f e ra c t i v i t i e s ，w h i l et h el o w e ro rh i g h e rp hc a u s e dt h ed e c l i n eo f p s ip h o t o c h e m i c a la c t i v i t i e s ，i n d i c a t i n gt h ed e p e n d e n c eo fp s ia c t i v i t i e so nt h ep h v a l u e si nc o n t r a s t ，t h ee x i g e n c eo f p gl e dt os o m ec h a n g e ss u c ha st h eo p t i m a lp hv a l u e w a sa tp i l l 0r a t h e rt h a na tp h 9 a tt h es a m et i m e ，t h ei n c r e a s eo fp s ia c t i v i t i e sw a s f o u n d u n d e ra l lk i n d so f p hc o n d t i o n sa f t e rt h ea d d i t i o no f p g 4 t h er e s u l t so f c h a n g e si na b s o r b a n c ea t8 3 0 h mm e a s u r e m e n t ss h o w e dt h ei n c r e a s e o ft h er e d o xp o t e n t i a l so fp s ir e a c t i o nc e n t e rp 7 0 0u p o np h 8 1 2i n c u b a t i o n s ，a n dt h e d e c l i n eo f t h er e d o xc a p a c i t i e so f p 7 0 0u n d e ra c i d ( p h i - 6 ) a n ds t r o n ga l k a l i ( p i l l 3 - 1 4 ) c o n d i t i o n s ，d e m o n s t r a t i n gt h a t p 7 0 0r e a c t i o nc e n t e rw a ss t a b l eu n d e rm i l da l k a l i c o n d i t i o n s , b u tw a ss e n s k i v et oa c i dt r e a t m e n t s a n ds m a l la m o u n to f i o n sa f f e c t e d c l e a r l yt h er e d o xc a p a c i t yo f p 7 0 0 a f t e rt h ea d d i t i o no f p g ，t h ea b s o r b a n c ea t8 3 0 h mo f p s ii n c r e s e du n d e ra l ll ( i n d so fp hc o n d t i o n s i n d i c a t i n gt h ei m p r o v e m e n to fp 7 0 0r e d o x c a p a c i t yc a u s e db yt h ee x i s t e n c eo f p g 5t h er e s u l t so ft h e 缸一u l t r a v i o l e t ( 2 0 0 2 5 0 n m ) c ds p e c t r am e a s u r e m e n t s d e m o n s t r a t e dt h a tp s ip a r t i c l e sr e c o m b i n a t e dw i t hp gh a ds t r o n g e rn e g a t i v es i g n a lo f a b o u t2 2 6 n mu n d e rac e r t a i np hr a n g e ( i e p h 4 1 1 ) t h a np s ip a r t i c l e sw i t h o u tp g , i n d i c a t i n gt h a tp gc o u l di m p r o v e t h ec o n t e n to fa - h e l i x , a n dm a k et h ep s ip a r t i c l e ss t a y i nam o r ef o l d i n gs t a t e 6 t h eo u t c o m e so fs d s - p a g ea n a l y s i ss h o w e dt h a tn o n s e v e r ea c i da n da l k a l i ( p h 3 - 1 2 ) t r e a t m e n t sc a u s e dn oe v i d e n td a m a g eo f p s ip r o t e i ns u b u n i t s k e y w o r d s ：p h o t o s y s t e m1 ，e n e r g ya b s o r b a n c e ，e n e r g yt r a n s f e r ，p h o t o c h e m i c a la c t i v i t i e s ，p r o t e i n s e c o n ds t r u c t a r e v 缩写 c a r c d c h l d c p d g d g l c h i l c h m g d g m v p 7 0 0 p g p s i p s i c c p s i i s d s p a g e s q d g 缩略词 a b b r e v j a t i o n s 英文全称 c a r o t e n o i d s c i r c u l a rd i c h r o i s m c h l o r o p h y l l d i c h l o r o p h e n o li n d o p h e n o l d i g a l a c t o s y l d y c e r i d e l i g h th a r v e s t i n gc o m p l e xi l i g h th a r v e s t i n gc o m p l e xi i m o n o g a l a c t o s y l d i g l y c e r i d e m e t h y lv i o l o g e n p s ir e a c t i o nc e n t e r p h o s p h a t i d y l g l y c e r o l p h o t o s y s t e mi p s i c o r ec o m p l e x e s p h o t o s y s t e m i i s o d i u md o d e e y ls u l f a t e p o l y a c r y l a m i d eg e le l e c t r o p h o r e s i s s u l p h o q u i n o v o s y l d i g l y c e r i d e 巾文名称 类胡萝h 素 圆二色光谱 叶绿素 2 ，6 一二氯酚靛酚 双半乳糖甘油二酯 光系统i 捕光天线复合物 光系统捕光天线复合物 单半乳糖甘油二酯 甲基紫精 光系统i 反应中心 磷脂酰甘油 光系统i p s i 核心复合物 光系统i i 十二烷基磺酸钠一聚丙烯酰胺凝 胶电泳 硫代异鼠李糖甘油二酯 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 扬 霞 时间：2 0 0 5 年4 月2 0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 扬巍 时间：2 0 0 5 年4 月2 0 日 导师签名 时间：年月日 l 、引言 光合作用是在高度组装的色素蛋白复合物的类囊体膜上进行的，类囊体膜又叫 光合膜。与动物细胞膜、植物细胞质膜以及其他细胞器膜相比，光合膜膜脂的组成 具有以卜一些特点：【1 ) 主要由卅j 带电荷的糖脂组成，包括m g d g 和d g d g ，曲 者约占总膜脂的7 5 8 0 ，且两者均含高比例的不饱和脂肪酸( 主要是亚麻酸和十 六碳三烯酸) ；( 2 ) 主要的磷脂组分是阴离子型的p g ，约占总膜脂的5 - 1 5 ，且 叶绿体p g 含有一种特殊的脂肪酸一反式十六碳烯酸( t r a n s 31 6 ：1 ) ； ( 3 ) 含 有特有的带负电荷的硫脂s q d g ，其含量约为1 0 ：( 4 ) 主要膜脂m g d g 是非双 层结构脂h 卅，在生理温度下单独分散到水相中时形成非双层结构。 尽管p g 在类囊体膜中的含量相对较少，然而越来越多的证据表明p g 是光合 膜不可缺少的组分之一，它在高等植物和蓝细菌的有氧光合作用中发挥着重要的作 用。例如，p g 尤其是高等植物的t r a n s a 31 6 ：l - - p g 分子，在维持l h c h 的三聚 体结构方面发挥着重要的作用即i 。研究发现缺失p g 的p g s a 突变株抑制了p s i i 核 心复合物的二聚体化过程 9 1 ，表明p g 在维持光合作用装置的结构方面发挥着作用。 p g 对于p s l i 的正常功能发挥也是不可缺少的l l o l ，它能促进p s i 的放氧活性1 1 1 l ，且 与高等植物的冷敏感性有关1 1 2 , 1 3 1 。另外，p g 对于维持s y n e c h o c y s t i ss p p c c 6 8 0 3 的 p g 突变株的正常生长是必须的1 1 4 1 ，对于p s h 核心复合物的生物发生也是有作用的 【阁。 除此之外，p g 在p s i 复合物中也发挥着重要作用。研究表明体外制各的p s i 颗粒含有m g d g 和p g ，两者之比为2 ：i t l 6 t ，且p g 比m g d g 更加牢固的结合于 p s i c c 上。p s i 颗粒2 5 a 分辨率的x 射线晶体结构【1 7 i 显示蓝细菌s y n e c h o c o c c u s e l o n g a t u s 的p s i 包含1 2 个蛋白，9 6 个c h l a 分子，2 2 个t 3 c a r 分子，3 个 4 f e - 4 s 】 簇，2 个叶绿醌分子，4 个脂分子以及一个推断的c a + 离子。在这4 个脂分子中，1 个是m g d g ，另外3 个为p g ，所有这些脂分子均位于p s a a p 懿x b 核心上。研究发 现，p g 对于蓝细菌p s i 的寡聚体化是必需的【1 8 1 引，一定量的p g 对于p s i 的活性维 持也是有作用的i 。 吸收光谱测量的是样品对电磁波( 光) 吸收值的大小。当入射光与样品分子相互 作用并产生对入射光的吸收时，测量到的透射光强度与入射光强度之差即为样品对 入射光的吸收。吸收光谱是一种电子光谱，可用于对样品进行定性和定量分析，例 如可用来检测一种生物分子中所含另一种生物分子的情况，甚至对样品分子中的基 团进行粗略的分析和鉴定：可用来测定样品的浓度。多数情况下，吸收光子产生电 子激发是在一个较小的范围，称之为生色团即对光产生选择性吸收的基团i 。 生色团吸收光子后其电子由基态跃迁到激发态，处于激发态的分子可通过多种 途径耗散能量而回到稳定的基态。多数情况下，分子回到基态时能量通过热量等形 式散失。但在某些情况下，能量能以光子的形式释放出来，这种由激发态分子回到 基态时发射的光称为荧光。荧光光谱包括激发光谱和发射光谱。激发光谱是荧光物 质在不同波长的激发光作用下测得的某一波长处的荧光强度的变化情况，也就是不 同波长的激发光的相对效率；发射光谱则是在某一固定波长的激发光作用下荧光强 度在不同波长处的分布情况，也就是荧光中不同波长的光成分的相对强度。光合生 物含有各种色素和辅助色素分子，它们都含有荧光生色团，其荧光激发和发射光谱 可用来鉴定色素的存在及含量，也可用来分析光合作用过程中能量的吸收与传递过 程。光合系统色素内源荧光是研究光合作用的一个非常重要的信息来源1 2 1 1 。 当一个分子含不对称原子时，它呈“内源性”( 螺旋性) 。如果用偏振光照射这 种分子，它对左手圆偏振光和右手圆偏振光的吸收率不同。在各个不同波长下的这 个吸收差a a = a l a r 就叫做圆二色光谱( c d ) 。因为可以旋转入射偏振光的平面， 所以这种分子也称为是具有旋光性的。叶绿素分子的吡咯环和叶绿醇上都有不对称 碳原子，在有机溶剂里它在每个吸收带处都显示圆二色光谱。除了这种内源性圆二 色光谱，假如一个不含不对称原子的分子处于一个不对称的环境里，结果也可产生 诱导的不对称性或诱导旋光性。染料分子吸附在核酸或蛋白质分子上即可诱导前者 产生c d 谱。另一种诱导产生的c d 谱是由于临近分子之间的激子相互作用，此种 c d 谱显示多重带，且其幅度通常比内源性c d 谱大。光合膜上的色素分子显示这 种c d 谱。叶绿索二聚体的c d 谱是平衡的，所以应该显示两个幅度相等但反向的 谱带。假如叶绿素二聚体激发到单线态或三重线激发态，激子相互作用消失，则 c d 谱的两个反向谱消失1 2 “。 生物大分子的光学活性来源于其特有的空间结构。在远紫外区( 1 9 0 _ 2 4 0 n n n ，主 要的生色团是肽链，这一范围的c d 谱包含着生物大分子主链构象的信息。在多肽 中a - 螺旋构象的c d 谱在2 2 2 n m 和2 0 8 n m 处呈负峰，在1 9 0 n m 附近有一正峰。无 2 规卷曲构象的c d 谱在1 9 8 n m 附近有个负峰，在2 2 0 n m 附近有一个小而宽的正峰。 b 折叠的椭圆值不像a 一螺旋那样恒定i “i 。 c d 光谱是对生物系统进行结构分析的强有力的技术，可用于洞察光合天线系 统的分子结构2 3 1 。远紫外区c d 光谱广泛用于定量分析蛋白质次级结构的含量1 2 4 郐i ， 其中2 2 2 n m 的椭圆性用于估计旺一螺旋的含量1 2 6 1 。 在光合作用过程中，p s i 和p s i i 利用捕获的光能沿着电子传递链传递电子时， 产生一个跨膜的氧化还原电势梯度以及质子梯度，用以催化a t p 的合成以及 n a d p h 的形成”i 。从这个意义上说，类囊体膜上的矿浓度不断的发生改变从而使 类囊体膜中的各种色素蛋白经常处于变化的p h 环境中，因此研究p h 对光合作用 以及类囊体膜结构和功能的影响具有重要意义。 研究表明，p h 在光合作用过程中发挥着重要作用，在类囊体膜中扮演着重要 的角色。通常，类囊体膜内的p h 处在6 ，5 8 5 的变化范围内i ，这对于光合生物的 正常生长是必须的1 2 8 】。p h 与耦联因子( c o u p l i n gf a c t o r s ，c f ) 的活化f 2 9 l 和a t p 的 形成速率也有关1 3 0 i 。 d h 对光合生物的生长以及p s u 复合物的影响已得到广泛关注和研究p 1 1 。研究 发现，p h 影响蓝细菌n o s t o cs p s w a i nu a m 2 0 6 的生长状态或速度，但不伴随着c h l 口含量的降低1 2 川。然而，s t r m n 等p 2 i 发现，c h l 口作为一种不稳定的天线色素，很容 易被酸和碱破坏而分别形成去镁叶绿素口( p h e o 口) 和叶绿素酸酯( c h l o r o p h y l l i d e ) 。 郭书奎等m i 研究了p h 对p s h 中c p 4 3 和c p 4 7 蛋白亚基的影响，其结果也证实了 这一观点。研究发现，p h 65 75 对于p s h 复合物的电子传递活性是最佳的i 刈，而 更低或更高的p h 均抑制了氧气的释放。s c h i l l e r 和d a u p 5 i 进一步将最适p h 限定在 63 ，认为这个p h 值是菠菜p s i i 颗粒的水裂解活性的最适条件。然而，关于p h 对 p s i 颗粒的光合特性的影响却尚未见到报道。 本研究利用离体的菠菜p s i 颗粒为材料，通过各种光谱学分析手段以及生化技 术研究p s i 颗粒在不同p h 条件下的结构和功能变化情况。测定p s i 颗粒以及重组 在p g 脂质体中的p s i 颗粒在不同p h 条件下的相对耗氧速率，8 3 0 n m 处光吸收值 的变化，低温( 7 7 k ) _ j = “室温荧光光谱以及c d 光谱等，并从分子生物学角度初步 研究缺失p g 的蓝藻突变株的生长及生理功能的变化情况，目的在于了解p h 对p s i 的光化学活性和光谱学特征的影响，揭示p g 在p s i 复合物中所发挥的作用，并从 分子水平上揭示p g 对光合生物的生长及光合特性的作用，探讨p g 结构和功能的 本质关系及相关的机理。 4 2 、文献综述 绿色植物、藻类和光合细菌等利用太阳能，将二氧化碳和水等无机物转变成有 机物，将光能转交为亿学能同刚释放氧气的过程称为光合作用。在此过程中，三 个膜蛋白复合体即p s i i 、细胞色素b 6 f ( c y t b 6 f ) 并f ip s i 协同作用，经过电子传递及其 耦联的氧化磷酸化作用，将光能转变为化学能储存在a t p 和n a d p h 中。 p s i 复合物是一个整合在高等植物、绿藻和蓝细菌类囊体膜上的色素蛋白复合 体，多分布于光合膜的非垛叠区p “。它作为光驱动的质体蓝素( p l a s t o c y a n i n ，简称 p c ) ：铁硫蛋白( f e r r e d o x i n ，简称f d ) 氧化还原酶催化电子从p c 经过一系列电 子传递体到f d 的传递p 7 瑚i 。还原的f d 最后在f d - n a d p + 氧化还原酶的作用下生成 n a d p h 。因此，p s i 在光合作用过程中发挥着重要的作用，其产生的还原力可用于 各种生化反应。此外，它还参与了环式电子传递和跨膜质子梯度的形成1 3 7 瑚1 。 2 1p s i 核心复合物各蛋白亚基的结构与功能 通常，高等植物和绿藻的p s i 复合物分为p s i c c 和l h c i ，而在蓝细菌中则没有发 图1 p s i 的蛋白组成 现l h c i 。 在光合生物中所有己知的编码p s i 结构蛋白的基因都已经被克隆，这些基因以 p s a x 韵形式命名，相应的蛋白质则称为p s a x 。真核生物p s i 蛋白是由叶绿体基因组或 核基因组编码的。p s i 蛋白组分的一级结构在蓝细菌、绿藻和高等植物中都是相当保 守的。在p s i 的蛋白亚基中，p s a a 和p s a b 形成异源二聚体，构成了p s i 的反应中心。 p s i c c 中还包括4 个外周蛋白( p s a c 、p s a d 、p s a e 和p s a n ) 以及5 个膜内周蛋白( p s a f 、。 p s a i 、p s a l 、p s a j 和p s a k ) ，其中p s a n 为真核生物特有。p s a m 只存在于蓝细菌的p s i 中：而在绿藻和高等植物中还发现有p s a g 和p s a h 。 2 1 1 反应中一i ：, , p s a a p s a b 在真核光合生物中，反应中一亡, p s a a p s a b 是由叶绿体基因组上的p s a a 和p s a b 基因 编码的。这两个高度疏水的蛋白具有很高的同源性和保守性p 9 i ：p s a a 并d p s a b 约有4 5 的氢基酸残基是相同的，且1 0 的残基是保守替换；不同植物的p s a a 和p s a b 氨基酸序 列有大约9 5 的同源性。p s a a 和p s a b 的氨基酸顺序具有以下几个特点：1p s 啦和p s a b 分别含有1 1 个长度为1 9 2 5 个氨基酸残基的疏水区，这些疏水区在膜上形成跨膜螺旋 1 4 0 l ；2 大多数带电荷的氨基酸残基位于类囊体膜的基质侧且与一些小亚基结合，如 p s a c 、p s a d 和p s a e ；3 在跨膜螺旋中存在着大量的组氨酸残基，它们可能参与了与c h l 分子的相互作用l 删：4 p s a a 和p s a b 分别有两个保守的半胱氨酸残基，可能参与了与f x 的结合；5 p s a a 和p s a b 有亮氨酸拉链结构域，这种结构通常参与蛋白质和d n a 的相互 作用，可能与p 髓a 和p s a b 的结合有关。 s m a r t 等【4 l 发现p 训或p s a b 基因的缺失都会导致p s i 复合体在类囊体中的缺失， 表明p s a a 或p s a b 不能单独形成同源二聚体，而是以异源二聚体的形式存在。p s a a 和 p s a b 上半胱氨酸残基( 可能是f x 的结合位点) 的定点突变研究表明，这些残基的替换 影响f x 的功能并造成p s i 含量的减少，因此p s a a ，p s a b 上的保守半胱氨酸残基连接f x 从而使p s i 稳定组装。 2 1 2p s a c 蛋白 p s a c 是由8 1 个氨基酸残基组成的位于类囊体膜基质侧的酸性亲水蛋白，分子量为 8 9 k d a ，它也是由叶绿体基因组编码的。p s a c 的保守性非常强，高等植物、真核藻类 和蓝细菌的p s a c 氨基酸序列的比对结果显示，除在n 末端和中段有一些替换外，绝大 多数残基在进化中保守1 “i 。p s a c 最大的特点是具有9 个保守的半胱氨酸残基，其中的 8 个半胱氨酸形成两个c x x c x x c ) ( c p 区域结合电子传递链的f a 和f b 。蓝细菌 s y n e c h o c o c c u ss p p c c 7 0 0 2 的愚吠瑾因在大肠杆菌e c o l i q b 的表达产物与p s i 其它制各 物体外重组的研究显示，c y s 2 1 、4 8 、5 和5 4 具有结合f a 的配体，丽c y s i l 、1 4 、1 7 和5 8 盟r 1 参与结合f b 4 3 1 。p s a c 的一级结构与细菌f d 的相似，都包括两个 4 f e 4 s 簇， 细菌p e p t o c o c c u sa e r o g e n e s 的f d 的x 射线衍射晶体结构模型已经提出，根据p s a c 与它 6 的相似性，提出了 p s a c 构象的模型i 。蓝细菌p s i 的晶体结构( 25 a ) 显示，p s a c 包 括两个舡螺旋( c 。，c b ) ，p s a c 结合的f a 和f b 之间的距离为1 2 n m t 4 5 堋。 2 1 3 其它膜外周蛋白 除p s a c 步l - ，外周蛋白还包括位于类囊体膜基质侧的p s a d 、p s a e 以及囊腔侧的 p s a n 。一般认为p s a d 通过与带负电荷的f d 之间的静电相互作用为f d 提供必要的结合 位点，同时，p s a d 电是p s a c 和p s a e 正确组装进p s i 所必需的m i 。目前认为p s a e 参与了 f d 的锚定，此外y u 等发现p s a e 还是p s i 循环式电子传递所必需的。m a y e r 等用核磁 共振( n m 吸) 方法获得了不同来源的p s a e 溶液三维构象，它们都含有5 个反平行片层 结构形成的s i - 1 3 结构域【4 9 i 。p s a e 的保守性也很高( 7 0 ) 。 2 1 4 其它膜内周蛋白 p s i 还包括几个膜内周蛋白：p s a f 、p s a i 、p s a j 、p s a k 和p s a l ，它们的分子量小 于2 0 k d 。原核生物的p s i 还包括p s a m ，真核生物则还有p s a g 和p s a h 。p s a f 在真核光 合生物和蓝细菌中的功能有所不同，衣藻的p s a f 缺失后) , p c 到p s i 的电子传递受到严 重影响，而在蓝细菌中p s a f 的缺失并不影响其生长。有人认为，真核生物p s a f 的卜卜 末端一段氨基酸序列参与了p s i 与p c 的结合。研究显示，p s a l 是蓝细菌p s i 形成三聚 体的必需成分，缺失p s a l 的蓝细菌突变体中不能分离出三聚体形式的p s i ；p s a l 在p s i 单体中易被蛋白酶降解，而在三聚体中则稳定的多即1 。p s a k 和p s a g 蛋臼的一级结构 具有一定的相似性，它们在化学交联反应中可以和l h c i 蛋白亚基交联，因此，它们 在p 7 0 0 反应中心和l h c i 的连接中可能起一定的作用。p s a g 可能参与调节真核p 7 0 0 反 应中- 巳, c h l 和外周天线c h l 之间的激发能传递p 7 l 。缺失p s a i 和p s a j 的s y n e c h o c y s t i s s p p c c 6 8 0 3 突变体研究显示它们分别参与p s a l 和p s a f 的组装1 5 1 1 。 2 2p s i 复合物的外周天线系统( l h c l ) 高等植物的p s i 核心天线系统包含约1 0 0 个c b ja 分子，此外，外周天线系统l h c i 结合了大约1 0 0 个c h la 分子以扩大摘光面积。l h c i 是由核基因组编码的，它们现被归 于一个大的l h c 家族中，包括u c i i 、c p 2 4 、c p 2 9 等。l h c 蛋白有两个相似区域，分 别是第一和第三个跨膜螺旋以及暴露在基质中的前导序列恤l 。 l h c ! 经从豌豆 矧、菠菜i s 4 1 、大麦阁中分离出来，其分子量为2 0 2 5 k d a 。用表 面活性荆处理菠菜l h c l ，可将其分为两个复合物：其中一个包含2 3 k d a 和2 5 k d a 的蛋 白，7 7 k 荧光发射峰位于6 8 0 n m ，称为l h c i 6 8 0 ；另一个包含2 1 k d a 和2 2 k d a 的蛋白， 7 7 7 k 荧光发射峰位于7 3 0 n m ，称为l h c i 7 3 0 1 轴i 。与此相似，大麦l h c i 也可分为 l h c i 6 8 0 和l h c i 7 3 0 两个组分郾l 。k u a n g 等用不同方法分离鉴定了豌豆_ l h c i 复合物 并认为l h c i 中的2 1 k d a 蛋白是p s i 长波荧光的来源惭i 。现在普遍认为，l h c i 中的l h c a l 和l h c a 4 结合形成l h c i 7 3 0 ，而l h c a 2 和l h c a 3 结合形成l h c i 6 8 0 。b a s s i 等峰5 嗵过重组 实验认为，在能量i z h l h c i i 传递虱 p s i 的过程中必须有l h c i a ( 6 8 0 ) 的存在，所以他们提 出p s i 中激发能的传递途径为l h c 一l h c i a ( 6 8 0 ) 一l h c i b ( 7 3 0 ) - - p t o o c h la 。 b o c k e m a 等f 5 7 i 根据电镜研究结果，发现p s i 核心外被单层8 个作辐射状排列的l h c i 蛋 白，因为四种l h c i 蛋白的量大约相等，因此推测p s i 中每种l h c i 蛋白存在两个拷贝。 2 3p s i 中的能量传递 p s i 天线色素系统中有多种c h la 分子，它们的最大吸收峰位于6 6 6 6 9 3 n m 。其中， 有些c h la 分子的吸收波长比反应中, 已, p 7 0 0 的还要长，而其激发态能级低