（光学专业论文）飞秒激光诱导叶绿素、类胡萝卜素分子在光系统Ⅱ中能量传递研究.pdf

a b s t r a e t 摘要 “光合作用是地球上最重要的化学反应”，是绿色植物大规模地利用太阳能， 把廉价的c 0 2 和h 2 0 合成为富能的有机化合物，并释放出0 2 ，同时将太阳能转化 为化学能贮藏在光合产物中的过程。它与地球上绝大多数生命过程和人类持续文 明生产及生活所需的食物、能源、资源和环境息息相关，是一个令人瞩目的研究 领域。 本论文选题来自国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目光合作用高效转 能机理及其在农业中的应用中“光合系统高效传能、转能超快过程微观机理” 的专题研究。该研究旨在为提高光合作用效率提供理论依据。论文中首先全面的 概括综述了函内外对p s i i 各功能单元的结构和其中色素分子的吸能、传能特性的 研究进展。其次简单介绍了我们组建的具备国际先进水平的瞬态稳态荧光光谱及 瞬态差异吸收光谱装置情况，并利用这两套设备对光合作用光系统i i 的一些单元 一p s l i 颗粒复合物，核心复合物，外周天线l h c i i 中的超快能量传递过程进行了 较为全面的分析。 一论文主要结论 1 不同波长光激发p si i 颗粒复合物及核心复合物，虽然首先受到激发的色素分子 种类不问，但各种色素分子都在能量传递过程中发挥作用，并都将能量传递到达 c h l a 分子的最低激发态。 2 通过对稳态及瞬念荧光发射谱进行高斯解析分析，发现在p s i i 颗粒复合物中至 少存在具有以下1 1 种特征吸收和发射峰的c h l 分子：c h l b 6 嚣( c h l a b ：口代表吸收 峰，e 代表发射峰) ，c h l b 盏；，c h l a 器胛，c h l a 6 6 6 6 ；，c h l “b 嚣6 7 0 ，c h l a ；7 7 ；，c h l a 霈“2 ， c h l a 6 嚣s 2 0 ，6 8 i ，c h l a 6 6 1 1 ：6 8 6 8 5 9 ，c h l a6 6 9 s ；，c h l a 6 6 9 s ：。而在p s i i 核心复合物中至少存在以下 这几种具有特征吸收峰的c h l a 分子，c p 4 3 - c h l a 6 6 0 6 6 l 、c h l a 6 6 9 , c h l a 6 7 l 和c h l a 6 8 2 ，6 8 3 ； c p 4 7 ：c h l a 6 6 0 6 6 1 、c h l a 6 6 9 、c h l a 6 7 1 1 6 7 2 、c h l a 6 s s 和c h l a 6 s o lr c ：c h l a 6 8 0 、c h l a 6 7 0 、 b 秒激光诱导叶绿素、类胡萝h 素分子在光系统中能量传递研究 c h l a 6 8 4 ，c h l a 6 7 3 6 7 4 、c h l a 6 8 2 6 8 3 和c h l a 6 6 0 。 3 2 0 。c 、4 2 、4 8 三种温度下核心复合物的瞬态荧光光谱研究发现，当温度升 高到4 8 时，核心复合物中反应中心受损，能量传递受影响，而对核心天线影响 不大。 4 对瞬念荧光发射谱的时间衰减曲线进行拟合分析，得到p s i i 中传能寿命，确认： l h c i i 中c a r 分子将吸收到的光能在1 6 6 p s 内传递给c h l a 分子，在由c h l a 分子 进一步传递到r c ，共需2 1 7 2 4 9p s 时间：而l h c i i 中c h l 分子只需3 0 4 0 p s 时间就将能量传递到r c ；核心天线中的一c a r 分子吸收能量后在8 4 0 p s 时间 内传递给c h l a 分子，再传递到r c 共需8 5 1 8 3 p s 时间；2 0 1 p s 1 8 1 3 n s 反应了 由于电子传递链缺失造成的p 6 8 0 + p h e o 。电荷重组时间。 5 实验得到l h ci i 三聚体中三组能量传递时间常数：7 4 7 f s ，3 2 8 p s ，3 2 1 p s 。 其中7 4 7 f s 反应了从吸收6 4 9 n m 的c h l b 分子向吸收6 6 5 n m 的c h l a 分子的传能过 程，中间可能经过吸收6 5 7 n m 的c h l b 分子；3 2 8 p s 时间常数反映了能量从吸收 在6 7 7 n m 附近的c h l a 向吸收更长波长的c h l a 分子的传递，以及吸收6 4 3 、6 5 8 n m 的c h l b 分子，6 6 8 6 7 0 n m 之间的c h l a 分子获得能量的过程。3 2 1 5 p s 的时间常 数与三聚体的单体帕 的平衡有关。 二论文创新之处 1 首次在国内采用调谐飞秒光泵浦，信息量极其丰富的白光探测，进行飞秒分辨 差异吸收测量，对以后研究光合作用反应机理有重要意义。 2 采用我们研制的有弥散补偿的飞秒激光可变光学延时系统及超高速p i n 光电 转换同步触发系统及其同步延时装置，将买来的英国光谱仪基本装置和美国的 激光源集成组建起来，获得国内领先的稳态，瞬态荧光光谱仪。 3 p si i 颗粒及核心复合物荧光发射谱通过高斯解析发现其中有1 1 种特征c h l 分 子，在核心天线c p 4 3 中存在4 种具特征吸收峰的c h l a 分子；c p 4 7 中有5 种： 而在r c 中有6 种。 4 在不同温度下，对p s i i 颗粒飞秒分辨荧光动力学研究，获得了完整的实验曲 线积分谱、高斯解析谱及传能寿命等大量数据，为进一步研究p s i i 功能单元 摘要 特性、结构、传能机理提供了重要的依据。 5 对p s i i 颗粒二聚体中c a r 分子吸能、传能寿命进行了分析，丰富了p s l i 颗粒 中c a r 向r c 传能数据，对研究辅助色素分子辅助捕获光能、调节激发能分配 及光保护机理有很高的参考价值。 6 获得在2 0 。c ，4 2 。c ，4 8 水浴热处理的p si i 核心复合物光谱参数，为与温度 有关的传能分析提供了依据。 关键词：光合作用，p s i i 颗粒复合物。核心复合物，外周天线l i t c i i ，荧光光谱，差异吸 收光谱，能量传递 a b s t r a c t a b s t r a c t l i ex t a o ( o p t i c s ) d i r e c t e db yw a n gs h u i c a ip r o f e s s o r p h o t o s y n t h e s i si st h em o s ti m p o r t a n tc h e m i c a lr e a c t i o no ne a r t h ”i ti st h ep r o c e s s i ng r e e np l a n t sa n dc e r t a i no t h e ro r g a n i s m sb yw h i c hc a r b o h y d r a t e sa r es y n t h e s i z e d f r o mc a r b o nd i o x i d ea n dw a t e ru s i n gl i g h ta sa ne n e r g ys o u r c e ；o x y g e ni sr e l e a s e da t t h es a m et i i n e i th a sc l o s er e l a t i o n s h i pw i t hf o o d ，e n e r g ya n d e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ， w h i c hi se s s e n t i a lt oh u m a n i ti sa c o m p e l l i n gf i e l d t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yas u b s u b j e c to f p h o t o s y n t h e s i sh i g h e f f i c i e n c yl i g h te n e r g yt r a n s f o r mm e c h a n i s m a n di t sa p p l i c a t i o ni na g r i c u l t u r e ”，w h i c h i st h es t a t ek e yb a s i cr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp l a n to f p r c h i n a ( 9 7 3 ) t h ea i mo f t h i sp l a ni st op r o v i d ea c a d e m i cp r o v eo f i n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo fp h o t o s y n t h e s i s i nd i s s e r t a t i o n ，t h es t u d yo ns t r u c t u r eo fp si ia n de x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e ro f i t s p i g m e n t s i ni n t e r n a t i o n a li s s u m m a r i z e d m o r e o v e r , t w o s e r i e so fi n s t r u m e n t s ： s t e a d y t r a n s i e n t f l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y a n dt r a n s i e n t d i f f e r e n c e a b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p ya s s e m b l e db yu si s i n t r o d u c e ds i m p l y w ea n a l y s et h eu l t r a f a s te n e r g y t r a n s f e r p r o c e s s o fp s 】ip a r t i c l e c o m p l e x c o r ec o m p l e x a n d l i g h t - h a r v e s t i n g c o m p l e x ( l h ci i ) w i t ht h i st w os e r i e ss p e c t r o s c o p e sc o m p r e h e n s i v e l y b e l o wa r et h em a i nr e s u l t so ft h ed i s s e r t a t i o n ： 1e x c i t e dw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t h s ，t h o u g ht h ep i g m e n t sa c c e p t i n ge n e r g ya tt h e f i r s tt i m ew a sv a r i o u s ，t h e ya l lt a k er o l ei nt h ee n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s ，a n dt h e e n e r g yw a st r a n s f e r r e d t ol o w e s te x c i t a t i o ns t a t eo fc h l am o l e c u l e 2 a n a l y s i n gf l u o r e s c e n c e e m i s s i o ns p e c t r aw i t hg a u s s - f i t t i n g ，w ef o u n dt h e r ew e r e s e v e r a lc h a r a c t e r i s t i cc h lm o l e c u l e si nt h e p h o t o s y s t e mi ip a r t i c l ec o m p l e x ： c h l b 6 6 1 ：( c h l a b ：口r e p r e s e n t st h ep e a ko fa b s o r p t i o n ，pr e p r e s e n t st h ep e a ko f + b 秒激光诱导叶绿素、类胡萝h 索分子在光系统中能量传递研究 e m i s s i o n ) ，c h l b 6 搿，c h l a 6 6 嚣娜3 ，c h l a 嚣；，c h l a b 器翮，c h l a 6 6 ；，c h l a , 嚣4 ”，c m a 怒6 s l c h l c , ：脚6 8 5 9 ，c h l a ：嚣，c h l a 嚣s 8 w h i l e i nc o r ea n t e n n a ec p 4 3 ，t h e r ea r c f o l l o w i n g ： c h l a 6 6 0 6 6 j ，c h l a 6 6 9 ，c h l a 6 7 i a n d c h l a 6 s 2 6 s 3 ：a n d c p 4 7 ：c h l a 6 6 0 ，6 6 l ，c h l a 6 6 9 ， c h l a 6 7 1 6 7 2 ，c h l a 6 s sa n dc h l a 6 8 0 ；r e ：c h l a 6 8 0 ，c h l a 6 7 0 ，c h l a 6 8 4 ，c h l a 6 7 3 ，6 7 4 ，c h l a 6 8 2 ，6 8 3 a n dc h l a 6 6 0 3r e s e a r c hc o r e c o m p l e xa t t h r e ed i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ：2 0 c ，4 2 c a n d4 8 c b y t r a n s i e n tf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y ，w ef o u n dr e a c t i o nc e n t r eh a d b e e n d e s t r o y e da t 4 8 ，h o w e v e r ，c o r ea n t e n n a ec p4 3a n dc p4 7i ss t i l lf u n c t i o n a l 4 w h e nw ef i t t e dt h ed e c a yc u r v eo ff l u o r e s c e n c ee m i s s i o n ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n w e r ea c h i e v e d ：c a ri nl h ci it r a n s f e re n e r g yt oc h l am o l e c u l ew i t h i n l 6 6p s a n d t h e nt r a n s f e re n e r g yt or e a c t i o nc e n t r eb yc h l a ，t h ew h o l e p r o c e s sh a p p e n e di nt h e t i m er a n g eo f217 2 4 9p s w h i l ec h l ai nl h c i it r a n s f e re n e r g yt or e a c t i o nc e n t r e j u s t n e e d3 0 4 0 p s b - - c a ri n c o r ea n t e n n a e c o m p l e xt r a n s f e r i t s e n e r g y t o r e a c t i o nc e n t e ri n8 5 一1 8 3p s a n dt h ec o m p o n e n to f 2 0 1 p s 一1 8 1 3 n sr e f l e c t st h e p r o g r e s so fc h a r g er e c o m b i n a t i o no fp r i m a r yp a i r 5t h e r ew e r et h r e et i m ec o m p o n e n t so f e n e r g yt r a n s f e ri nl h c i it r i m m e r ：7 4 7 f s ， 3 2 8 p s ，3 2 1 p s 7 4 7 f sl i f e t i m ec o m p o n e n t i sa s s i g n e d t oc h l b6 4 9 t oc h l a6 6 5e n e r g y t r a n s f e rv i ac h l b 6 5 7 3 2 8 p sr e f l e c te n e r g yt r a n s f e rf r o mc h l a 6 7 7t oc h l aa b s o r b i n g l o n g e rw a v e l e n g t h 3 2 15 p sr e l a t e dt oe q u i l i b r i u mb e t w e e nm o n o m e r so ft r i m m e r t h ei n n o v a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e db e l o w ： 1 u s ew h i t el i g h ta sp r o b ep u l s eo ft r a n s i e n td i f f e r e n c ea b s o r p t i o nt e c h n o l o g y ；i t s t h ef i r s tt i m ei nt h ec o u n t r y i tw i l lb es i g n i f i c a t i v ef o ro u rs t u d y i n gt h em e c h a n i s m o f p h o t o s y n t h e s i si nt h ef u t u r e 2 c o m b i n e d s p e c t r o s c o p em a d ei n e n g l a n da n dl a s e rs o u r c eo f a m e r i c a nw i t ht u n i n g d e l a ys y s t e ma n du l t r a h i g h s p e e d p i nd e t e c t o r ，w eo b t a i n e de x c e l l e n t s t e a d y t r a n s i e n tf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y a b s t r a c t 3 a n a l y s i n gt h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o nf i t t i n gb yg u e s s - f i t t i n g ，w eo b t a i n e d11 k i n d s o fc h a r a c t e r i s t i cc h lm o l e c u l e si n p h o t o s y s t e mi ip a r t i c l ec o m p l e x a n dc o r e c o m p l e x ，a m o n gt h e s ec h lm o l e c u l e s ，f o u rk i n d so fc h lb e l o n g st o c p4 3 ，f i v e b e l o n g t oc p4 7a n ds i xb e l o n gt or e a c t i o nc e n t r e 4 m a n yd a t a ，s u c ha si n t a c tc u r v eo fi n t e g r a t e ds p e c t r a ，g u e s ss p e c t r aa n dl i f e t i m eo f e n e r g y t r a n s f e ri n p h o t o s y s t e mi ip a r t i c l ec o m p l e x w e r eo b t a i n e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ，i tp r o v i d e di m p o r t a n tp r o v e sf o rs t u d yt h ec h a r a c t e r ，s t r u c t u r e a n d e n e r g y t r a n s f e rm e c h a n i s mo fs u b u n i t si np si i 5 t h e a b s o r p t i o n a n d e n e r g y t r a n s f e rt a k e b y c a ri n p h o t o s y s t e m 1 1w e r e s t u d i e d ，w h i c he n r i c h e dt h ed a t ao fe n e r g yt r a n s f e rf r o mc a r t or e a c t i o nc e n t r e ，i t w a sh e l p f u lf o ru st ou n d e r s t a n dt h el i g h t h a r v e s t i n g ，a d j u s t m e n to fe x c i t a t i o n e n e r g y d i s t r i b u t i o na n d o p t i c p r o t e c tm e c h a n i s m o fa s s i s t a n tp i g m e n t s 6 c o r ec o m p l e xa t2 0 c ，4 2 c ，4 8 cw e r ea n a l y s e d ，b yw h i c hw es t u d i e dt h ee n e r g y t r a n s f e rd e p e n d e n c eo nt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：p h o t o s y n t h e s i s ，p h o t o s y s t e m i ip a r t i c l e c o m p l e x ，c o r ec o m p l e x ，l i g h t h a r v e s t i n gc o m p l e x l h c i i ，f l u o r e s c e n c es p e c t r u m ，d i f f e r e n c ea b s o r p t i o n s p e c t r u m ，e n e r g yt r a n s f e r 科研道德声明 y6 8 3 1 4 5 乘承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声| j j j 所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究l 作及取得的研究成果。论文巾所引用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一同l 作的同志对奉研究所做的任何贡献均已在论文 巾作r 明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处 论文作者签名 刘盘 本人承担一切相关责任。 i t 期：迎笠兰； 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院函安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生 作的论文或使用本论文： 作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：三啦导师签名：二曼盘一 【! _ i 期：型挫互丛 r ；1 期：型缒乡 第一章前言 第一章前言 光合作用及其研究意义 光合作用( p h o t o s y n t h e s i s ) 是一个多年来备受瞩目的过程。诺贝尔奖金委员 会在1 9 8 8 年宣布光合作用获奖的评语中，称之为“地球上最重要的化学反应”， 这不仅因为地球大气的演化与之有关，而且所有动物用来维持生命的能量也都与 太阳通过光合作用提供给植物的能量有关。据估计，在地球上出现生物以来，由 绿色植物产生的有机物质大约占到这个星球总质量的1 左右，通过光合作用每 年从太阳中获取的能量相当于人类所消耗能量的1 0 倍。由这两个数字可以看出光 合作用和人类的生存、发展以及与整个自然界的关系。 光合作用可简单的概述为含光合色素的植物细胞和细菌，在日光下利用无机 物质( c 0 2 、h 2 0 、h 2 s ) 合成有机化合物( c 6 h 1 2 0 6 ) 并释放氧气( 0 2 ) 或其它物 质( 如s 等) 的过程【1 1 。而对于植物而言，即绿色植物吸收太阳光的能量，将二 氧化碳和水同化制造有机物并释放氧的过程。可以简单的用下面的式子表示： c 0 2 + h 2 0 + hy ( c h z o ) + o zf 光合作用的重要性可以简单的归纳为：把无机物变成有机物、畜积太阳能和 环境保护【2 1 。它不单单是一个规模巨大的能量转换过程，其所合成的有机物质不 仅是人类生命活动的物质基础，而且是农业、林业和其他一切种植业、畜牧业及 水产养殖业的物质基础；而反应过程中释放的0 2 则是和如今维持大气中0 2 浓度 平衡的主要来源。所以说，光合作用是维持地球上生命活动的最根本的反应，是 地球上一切生命的存在、繁荣和发展的根本源泉! 特别是在人类面临矿产资源日 益枯竭的时刻。努力增加和充分利用光合作用所形成的初级生产力，是发展可再 生能源和资源的有效途径。为此，光合作用现象一被发现，就成为一个世界瞩目 的研究课题，吸收着广大的自然科学工作者。人们研究光合作用的目的，不仅在 于揭示自然界这一特异的生命活动规律，而且企图模拟这一过程，提高它的光能 转换效率，使人类获取更大的经济效益。 飞秒激光诱导叶绿素、类胡萝 素分子在光系统中能量传递研究 二光合色素 植物进行光合作用的主要器官是叶片，而其中的叶绿体是进行光合作用的重 要细胞器。高等植物的叶绿体在显徽镜下大多数呈椭圆形，观察器纵切面显示， 叶绿体具有许多片层组成的片层结构，每个片层由自身闭合的双层薄片组成，呈 压扁了的包囊状，称“类囊体”( t h y l a k o i d ) 。有的两个以上类囊体垛迭在起形 成“基粒类囊体”。有的较大的类囊体贯穿在两基粒之间的间质中，形成“间质类 囊体”。光合作用的能量转化功能是在类囊体膜上进行的。研究表明类囊体膜的垛 迭意味着捕获光能的机构高度密集，能有效的收集光能，加速光反应。类囊体由 色素、脂类和蛋白质组成。一般认为，类囊体由两层蛋白质分子夹着两层脂类分 子构成，而光合作用中一种重要的色素分子一叶绿索呈单分子层排列在蛋白质和 类脂之间。下面介绍一下光合作用中的色素分子。 在光合作用中。光合色素对光能的吸收和利用起着极其重要的作用。植物体中 光合色素主要有三大类，叶绿素( 主要包括叶绿索a 和叶绿素b ) ，类胡萝h 素( 有 。”“”“。”：釜：“- c ”1 1 c h l o r o p h y l i：d 回： ， c h l o r o p h y l l6 2 一c h o p o r p h y n n h e a d 翻l ，叶绿岽分了结拗酗 胡萝卜素和升黄素) 以及藻胆素( 是藻类进行光 合作用的主要色素) 。由于我们的实验材料是菠 菜，其主要含有叶绿素和类胡萝h 素，以下重点 c h v c h ： h 介绍叶绿素a 、叶绿素b 及胡萝h 素。 c h ， 1 叶绿素( c h l o r o p h y l l ) 1 1 叶绿素概况 叶绿素代表了与光合作用中光吸收有关的色 素中最重要的种类，它在所有光合生物中都能看 到。叶绿素中主要有叶绿素a ( c h l a ) 和叶绿素b ( c h l b ) 两种。他们不溶于水，但可溶于酒精、 丙酮和石油醚等有机溶剂。叶绿素a 呈蓝绿色， 叶绿素b 里黄绿色。其化学结构：时绿素a ： c s s h 7 2 0 s n 4 m g 叶绿素b ：c 5 5 h v 0 0 6 n 4 m g 。叶绿 。拌蝴呲眺眦眺汕洲叽 第一章前言 素是叶绿酸的脂。含4 个毗咯环，它们与4 个甲烯基连接成一个大环，口q “卧啉”， 镁原子位于卟啉环的中央。另外有一个含羰基和羧基的副环。羧基以酯键和甲醇 结合。叶绿醇则以酯键与在第1 v 吡咯环侧链上的丙基结合( 见图1 ) 。c h l a 和c h l b 的基本结构相同。都具有一个卟咻环的“头部”和一条叶绿醇链的“尾部”，c h l a 分子中的一c h o 为一c h 3 所代替，即为c h l b 。叶绿素分子是一个庞大的共轭系统， 吸光形成激发态后，由于配对键结构的共振，其中一个双键的还原或双键结构丢 失一个电子等，都会改变它的能量含量。其分子中的共轭体系又使其吸收处在可 见区，这是在近地处太阳光强最强的波长区。同时，其中的卟啉结构的稳定性保 证了吸收光子后不是发生光解，而是继之以能量转移或辐射衰变过程【3j 。叶绿索 只以电子传递( 即电子得失引起的氧化还原) 及共振( 直接传递能量) 的方法， 参与能量的传递反应。叶绿素由于金属卟啉环及叶绿醇链而具有亲水性及亲酯性。 叶绿素吸收光的能力较强，其吸收光谱的最强区有两个，一个在波长为6 4 0 6 6 0 n m 的红光部分，另一个波长在4 3 0 4 5 0 n m 的蓝紫光部分。此外，在光谱的 橙光。黄光和绿光部分只有不明显的吸收带，其中尤以对蓝光的吸收最少。叶绿 素a 的吸收光谱在红光部分的吸收带宽些，在蓝光部分窄些；而叶绿素b 在红光 部分的吸收带窄些，在蓝紫光部分宽些，其次，与叶绿素b 相比，叶绿素a 在红 光部分的吸收带偏向长波长方面，而在蓝紫光部分则偏向短光波方面。 1 2 在光合作用中的功能及其作用机理 光合系统中的叶绿素分子以共价键与蛋白质结合在一起发挥功能。光合作用中 的大多数c h l 分子仅承担着捕获并传递激发能，将激发能以最高的效率向反应中 心传递的作用。捕获光能并将光能迅速传递到反应中心的作用，故称为“捕光 色素分子”或“天线色素分子”。叶绿素分子广泛分布于各个光合单元中，仅光系 统l i 的外周天线( l h c l l ) 中就键接了约5 0 的叶绿素分子。 而在高等植物光合膜的各种色素分子中，只有极少数c h l a 分子具有光敏化性 质，能在光推动下引起光化学反应，人们称其为“反应中心色素分子”，像在高等 植物p si i 的反应中心中由c h l a 分子的二聚体组成的p 6 8 0 ，在成为激发态后夺取 水中的电子发生电荷分离，从而将光能转化为电能。 飞秒激光诱导叶绿素、类胡萝 素分子在光系统h 中能量传递研究 ! 墨田e 墨e 墨量母田置曩! 暑詈掌等寡e 量皇皇岛墨墨鼍量鼻詈墨置量鼍皇e s 麻田曼墨拦衄皇瞄墨鼍宣量置詈皇墨i ii 篁鼍 光合系统中的c h l 分子间能量传递机制一般认为主要有以下三种：分子间距小 于7 n m 在2 - 6 r i m 之间，产生弱耦合。以f i j s t e r 共振机制传能：分子间距2 n m ， 在相同分子间激发态发生线性重叠，以激子转移传能：分子间距为0 9 1 4 n m ，发 生电子云重叠，以d e x t e r 电子交换机制传能。 2 类胡萝卜素( c a r o t e n o i d ) 2 1 类胡萝卜素概况 光合器官中除了含有叶绿素分子外，还含有辅助色素，辅助色素分子的存在 是光合生物适应环境的一种方式，这类分子可以辅助叶绿素分子吸收他们本身不 1 c o 茬 。 盖 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 c h l a 、c h l b 、b c a r 分子吸收光讲 能吸收的波长区域的光能。例如在海水或湖 水中，随着深度的增加，大部分红光被吸收， 但剩下的绿色光不能被叶绿素吸收，在此情 况下，能吸收绿光的辅助色素分子可以吸收 绿色光，然后将它传递给叶绿素分子。类 胡萝h 素分子就是一类辅助色素分子。类胡 萝b 素存在于大部分的植物及光合细菌中， 包括胡萝h 素( c a r o t e n e ) 和叶黄素 ( x a n t h o p h y l l ) 两大类。胡萝卜素这个名 字来源于其首先被发现存在于胡萝b 的根中，呈现出橙黄色，而叶黄素首先在藻 类中被发现，它又被称作“胡萝h 醇”是由于它是胡萝h 素衍生的醇类，呈现黄 色甜。 从1 9 0 6 年俄国植物学家t s w e t t 用色谱法分离并纯化了胡萝b 素和叶黄素开 始，人们对类胡萝h 素的兴趣就越发的浓郁了。经研究得知，类胡萝b 素不溶于 水，但可溶于有机溶剂。其中胡萝h 素是不饱和的碳氢化合物，分子式为c 4 0 h 5 6 ， 它有三种同分异构体：a 一，1 3 一及y 一胡萝h 素。叶子中常见的是1 3 一胡萝h 素，它由两个具有一个对称排列的紫罗兰酮环，中间以共轭双键相连，其结构式 如下： 第一章前言 而叶黄素是由胡萝b 素衍生的醇类，分子式为c 4 0 h 5 6 0 2 ，结构式为( 1 】 h。一；三：i：?；，一tb、，；，一t鲁。，一t氇tt鼍硼、。h 2 2 类胡萝b 素在光合作用中的功能及其作用机理 类胡萝h 素在光合作用中主要有两大功能：辅助捕获光能，调节激发能的分 配以及作为光保护剂使光合器官免受强光损伤。以下我们将进行较为详细的说明。 2 2 1 辅助捕获光能，调节激发能分配 从18 8 3 年的e n g e l m a n 至今，许多研究者们用各种方法验证了类胡萝b 素的 辅助捕获光能，调节激发能分配功能。在1 9 4 1 年，d u t t o n 和m a n n i n g 首次发现硅 藻属的n i t z s c h i ac l o s t e r i u m 体内的一种类胡萝b 素一岩藻黄素吸收的光能被有效 的用于光合作用【5 】。对c h l a 及其辅助色素的吸收光谱研究也证明了类胡萝h 素的 辅助捕光作用。研究显示，在4 0 0 5 5 0 n m 的光谱范围内，c h l a 分子的吸收很少， 而类胡萝b 素分子恰好在此波段有强的吸收，从而拓宽了光合作用的吸收光谱范 围，起辅助吸收光能的作用。从叶绿素分子和辅助色素分子的吸收光谱图( 见图 2 ) 可以看出，他们在光合作用中是具有互补性的：辅助色素分子所吸收的光能证 好与叶绿素的互补，叶绿素a 的红吸收带最长，因此辅助色素分子所吸收的光能 可传递给叶绿素分子，辅助集光色素分子需具有辅助集光的功能，它们的发射谱 必须与叶绿素分子的吸收光谱彼此交替，再就是他们在类囊体膜中有适当的距离 和排列，它们的高浓度排列可自然满足所需的条件。 在对光合作用进一步的研究的过程中，人们开始产生一个疑问：类胡萝h 素 激发光合作用的过程与叶绿素a 激发光合作用的过程是不是两个独立的过程。直 到1 9 4 3 年，d u t t o n 和m a n n i n g 等人测量了硅藻用单色光激发后产生的c h l a 荧光 产量，发现入射光被岩藻黄醇( 一种类胡萝卜素) 吸收后得到的荧光产量同入射 光被c h l a 吸收后产生的荧光产量几乎相等【6 】。从而第一个明确的验证了类胡萝h 飞秒激光诱导叶绿素、类胡萝h 素分子在光系统中能量传递研究 素能将捕获的光能传递给c h l a 分子以用于光合作用【7 1 。 越来越多的工作者用实验验证了类胡萝h 素将所吸收的能量传递给c h l 以用 于光合作用。如d u y s e n s 在1 9 5 1 年和1 9 5 2 年的工作中发现，在c h r o m a t i u m s t r a i n d 的b 8 9 0 复合物中的类胡萝h 素分子将所吸收能量的3 5 4 0 传递给了细菌叶绿 素a ，而在r h o d o s p i r i l l u mm o l i s c h i a n u m d 的b 8 9 0 复合物中为5 0 ；绿藻中类 胡萝h 素分子将起吸收的光能的4 0 传递给了c h l a ：硅藻属和褐藻属中则为7 0 1 8 1 1 9 1 。2 0 0 1 年，r o b e r t ac r o c e 等对不同种类胡萝 素分子的重组复合物研究指 出大约5 0 类胡萝h 素吸收的能量被直接传递给c h l b 分子而剩余的传递给 c h l a 们。 面对众多的试验结果科学家们开始思考：激发能是如何从一个分子传递到 另一个分子的? 有关激发能传递主要有两种理论：f 6 r s t e r 共振能量传递和d e x t e r 电子交换机制。1 9 3 5 年j a b l o n s k i 研究认为，类胡萝h 素分子的激发能是以d e x t e r 电子交换机制进行的】。1 9 9 9 年，d a m j 。a n o v i c 等指出，类胡萝h 素向c h l 分子的 能量传递最有可能是通过f 6 r s t e r 共振能量传递机制，f t j r s t e r 机制也比d e x t e r 电子 交换机制有效。而2 0 0 3 年，王水才等人理论证明p s 捕光天线中类胡萝b 素分 子和叶绿素分子吸收光能后，各以不同的机制把能量通过核心天线传递到反应中 心，进行稳定的光化学反应。类胡萝h 素分子将接收到的能量以f s r s t e r 共振或 d e x t e r 电子交换机制传递给邻近的类胡萝 素分子。而以最大的几率以d e x t e r 电子交换机制传能给c h l a 1 2 i ，【l 3 1 。 2 2 2 光保护剂 类胡萝卜素的另一个功能就是保护反应中心，天线色素蛋白复合物以及组织， 细胞免受强光的损伤。1 9 5 5 年，g r i f f i t h s 等人发现一种无硫紫细菌的蓝绿突变体 r h o d o s p e n d o m o n a s ( 现称r h o d o b a c t e r ) s p a e r o i d e s ，它们缺乏类胡萝h 素，当它们 暴露在空气中时对光十分敏感，这种缺乏类胡萝h 素的突变是致死的。于是，他 们提出“光合细菌体内的类胡萝h 素的主要功能是：当c h l a 或细菌c h l a 所引起 的光致氧化产生伤害时，类胡萝h 素起化学缓冲剂的作f l l t l 4 】。”1 9 9 5 年，m i m u r o 等人利用荧光及线二色谱法研究发现，光系统i i ( p s i i ) 的反应中心有两个具有不 第一章前言 i i i 同光谱特性的b - - c a r 分子向c h l a 传递激发能，在7 7 k 时，一个1 3 一c a r 分子在 4 8 9 n m 处有吸收条带，而另一个1 3 - - c a r 分子在5 0 6 和4 6 7 n m 处有吸收。从而推 测b c a r 分子保护反应中心的c h l 分子免受损伤【l 5 1 。t r e b s c t 和d e p k a 在1 9 9 7 年 又指出b c a r 分子对于p s i i 中d i 蛋白功能的正常行使是必需的【1 6 1 。关于类胡萝 h 素分子的光保护机理现在已基本明确：当过强的光照射到光合系统上时，c h l a 分子在强光下易形成三线态3 c h l a ，而三线态c h l a 分子极易与氧气结合生成单线 态的氧，单线态的氧对光合器官会造成伤害，类胡萝t - 素分子则可以通过淬灭 3 c h l a ，或迅速将单线态的氧衰退回到基态( 三线态) ，从而起到保护作用。 三光系统 1 9 5 7 年，爱默生发现，在远红光( 大于6 8 5 n m ) 条件下，如果补充以红光( 约 6 5 0 n m ) ，则光合效率( 量子产额) 增大的比这两种波长单独照射的总和还要多。 后来进一步证实了光合作用是有两个光系统来协同完成。它们分别是光系统i ( p h o t o s y s t e mi ，简称p si ) ，和光系统i i ( p h o t o s y s t e m i i ，简称p s i i ) 。 p si i 是高等植物、藻类以及蓝色细菌中位于类囊体膜上的膜蛋白复合物，它 翻3p s l l 结构图 利用太阳能进行光合作用的原初反应：