（遗传学专业论文）植物psⅡ颗粒的特性和活性研究.pdf

摘要 摘要 光系统i i ( p s l i ) 是存在于类囊体膜上的多亚基色素蛋白复合物，是吸收光能、催 化光诱导水裂解释放氧气、质子和电子的重要机构。它在体内的基本单位是由外周天线 蛋白( l h c i i ) 与p s l i 核心复合物结合形成的p s i i - l h c 超分子复合物，这一结构 保证了l h c 吸收的能量能够快速有效的传递到p s i i 反应中心( r c ) ，进行原初光化 学反应。p s 是光合作用中放氧的来源，又是光化学反应中电子传递链的开始，因此对 p si i 的研究很有意义。本论文以白桦、菠菜、桑树等植物叶片为主要材料，通过s d s 聚丙烯酰胺凝胶电泳和叶绿素荧光分析技术相结合的办法，研究了高等植物p si i 颗粒 多肽组分的特点及其放氧活性。另外，还对白桦进行了干旱、高温、高温强光等逆境处 理，研究了其p si i 颗粒多肽组分在逆境下的变化特点。主要结果如下： ( 1 ) 随着高温、干旱、高温强光等逆境处理时间的延长，相同质量植物叶片制得的 类囊体膜和p si i 颗粒质量明显减少。高温4 0 处理3 6h 后，制得类囊体膜和p si i 颗 粒的质量分别下降了6 5 和7 1 ，而高温强光逆境对类囊体膜和p si i 颗粒的制备量影 响较小，推测是由于白桦的光合机构对光胁迫不敏感所致。进一步延长高温强光处理的 时间，会出现类囊体膜和p sn 颗粒的制备量的减少，有待进一步实验进行验证。 ( 2 ) 干旱、高温、高温强光等逆境处理后，白桦叶片p si i 颗粒的多肽组分发生不同 程度的降解，d 1 、d 2 、2 9k d 、c p 4 7 、c p 4 3 等蛋白多肽的含量显著下降。分析表明， 受逆境胁迫的植物叶片叶绿体中负责捕获和吸收光能的p s i i 捕光色素蛋白复合体 ( l h c i i ) 和内周天线色素蛋白复合体的含量明显降低，一些吸收和传递光能的重要蛋白 发生严重降解，而且随着逆境条件的加剧，这些成分随之进一步减少，部分完全被破 坏。l h c l l 含量的减少会降低两个光系统间激发能分配的调节能力，使两个光系统问的 激发能难以迅速达到平衡分配。因此，在逆境胁迫下，激发能的不均衡分配使得维持高 的光合速率所必需的内部微环境发生紊乱，光合速率受到抑制。 ( 3 ) 不同逆境条件下，植物p si l 的f v f m 、f v 、q p 、o p si i 有不同程度的降低。 干旱处理1 3d 后f v f m ，f v 、q p 、o p s1 1 分别下降了6 8 、4 1 7 、6 6 5 、7 1 ，说 明干旱使白桦叶片p s i i 质子醌库容量减小，p s i i 原初光能转换效率、p s 潜在活性受 到降低，直接影响到光合作用的电子传递和c 0 2 同化过程，阻断了放氧复合物到p s l i 的第二个电子供体( 即质子醌和p 7 0 0 ) 之间的电子传递，导致了整个电子传递活性的 降低。高温强光处理1 2h 后，q p 下降5 0 8 ，说明p s i l 的电子传递活性降低，从p s 氧化侧向p s i i 反应中心的电子流动受到抑制，降低了p s i l 天线色素吸收的光能用于光 化学电子传递的份额。 ( 4 ) 在质量相同的情况下，红松针叶制得的类囊体膜和p si i 颗粒要比桑树、菠菜、 白桦叶片多6 0 7 9 。红松p si i 颗粒分别含有1 5k d 、1 7k d 、2 4k d 、d l 、0 2 、c p 4 3 、 c p 4 7 、9 8k d 等8 条蛋白多肽；桑树p s 颗粒分别含有1 5k d 、1 7k d 、1 9k d 、2 4 东北林业大学硕t 学位论文 k d 、2 6k d 、2 9k d 、d l 、d 2 、c p 4 3 、c p 4 7 、6 7 k d 等1 l 条蛋白多肽。从植物的光合放 氧演化的角度上分析，桑树的演化地位较高，其参与光合放氧多肽的组分较复杂，大分 子量多肽数目较少。同时，在制备高放氧活性的p s i i 颗粒过程中，对各种植物进行增 溶处理时所用t r i t o nx - 1 0 0 的量也不同，表明桑树、菠菜等被子植物的p s 复合物在类 囊体膜上结合的紧密程度及结构组分分化程度要比裸子植物高。 关键词p s 颗粒；s d s 聚丙烯酰胺凝胶电泳；叶绿素荧光技术 a b s t r a c t p h o t o s y s t e mi i ( p si i ) w a sc o m p o u n d so fc h r o m o p r o t e i ni nt h et h y l a k o i dm e m b r a n e p sua b s o r b e dl i g h t , c a t s l y s e dp h o t o i n d u c t i o na n dw a t e rs p l i t t i n g t h eb a s a lu n i t so fp s1 1 w e r ep si i - l h ci is u p r a m o l e c u l a rc o m p o u n d sw h i c hw e r em a d eu po fo u t e ra n t e f l l l ap r o t e i n s ( l h ci i ) a n dp si i r ec o m p l e x t h i sk i n do f 刚烈k 由】e n 飘l r e dt h ef a s ta n de f f e c t i v et r a n s f e r o ft h ee n e r g yw h i c hw a sa b s o r b e db yt h el h cl i w h i c hw a ss o u 雠o fo x y g e ne v o l v i n gi n p h o t o s y n t h e s i s 勰w e l la sb e g i n n i n go fe l e c t r o nt r a n s p o r tc h a i n t h e r e f o r e ，i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et os t u d yo i lp si i i n t h i sp a p e r ，s p i n a c i ao l e r a c e al ，b e t u l a p l a t y p h l l a , m o r u s 讹e ta lw e r ec h o s e n 勰m a t e r i a l s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da c t i v a t i o no fp h o t o s y s t e mi i p a r t i c l e si nh i g h e rp l a n t sw e r ei n v e s t i g a t e db ys d s - p a g ea n dc h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e a n a l y s i st e c h n i q u e o nt h eo t h e rb a n d , u s i n gb e t u l ap l a t y p h l l aa se x p e r i m e n t a lm a t e r i a lt r e a t e d w i t hd r o u g h t ，h i g ht c m p c 艴t t l r ea n dh i g hl i g h ts t r e s sr e s p e c t i v e l y , t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f p h o t o s y s t e m i i p a r t i c l e si nh i g h e rp l a n t su n d e rs t r e s sw e r ei n v e s t i g a t e da n da n a l y z e dt o e l u c i d a t ep h o t o s y n t h e t i cm e c h a n i s m f r o mp si i t h er e s u l t sa 托a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eq u a n t i t yo ft h y l a k o i dm 锄b r a n ea n dp si ip a r t i c l e st h a tc o u l db ep f e p a r e d d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h et i m eo fh i g ht e m p e r a t u r e ，d r o u g h to rh i g hl i g h ts t r e s s a f t e r e x p o s u r es u d d e nt oh i g ht e m p e r a t u r es t r e s sf o r3 6h o u r s , t h eq u a n t i t yo ft h y l a k o i dm e m b r a n e a n dp si i p a r t i c l e sw e r er e d u c e db y6 5 a n d7 1 r e s p e c t i v e l y a tt h es a m et i m e , t h e p r e p a r a t i o no ft h y l a k o i dm e m b r a n ea n dp s l ip a r t i c l e sw a t el e s sa f f e c t e db yh i g ht e m p e r a t u r e a n dh i g hl i g h ts t r e s s i ts u g g e s t e dt h a tt h i sr e s u l tw a sp o s s i b l yc a u s e db yn o n s e m i t i v i t yo f o u t e r a n t e m mp r o t e i n s ( l h cl i ) a n dp si ic o r ec o m p l e xi nl e a v e so fb e t u l ap l a t y p h l l at ot h el i g h t s t r e s s i fd u r a t i o no fs t r e s st i m ew a sl e n g t h e n e d ，t h eq u a n t i t yo fp r e p a r e dt h y l a k o i dm e m b r a n e a n dp si ip a r t i c l e sw i l ld e c r e a s e ，w h i c hi sp r o v e di nt h ef u t u r e ( 2 ) t h ep o l y p e p t i d ec o m p o s i t i o n so fp si io o r ec o m p l e xw e r ed e g r a d e dt od i f f e r e n te x t e n t u n d e rd r o u g h t , h i g ht e m p e r a t u r e ，o rh i g hl i g h ts t r e s s t h ec o n t e n t so fd t ，d 2 ，2 9k d ，c p 4 3 ， c p 4 7d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r e ，c o n t e n t so fl h ci ia n di n n e ra n t e n n ac h r o m o p r o t e i n c o m p l e xi nt h ec h l o r o p l a s tc a p t u r i n ga n da b s o r b i n gl i g h ti nt h ep l a n t su n d e rs t r e s sc o u l d d e c r e a s e d ，a n ds o m ep r o t e i n so fa b s o r b i n ga n dt r a n s f e r r i n gl i g h th a p p e n e dt od e g r a d e t h e m o r ed u r a t i o no fs t r e s st i m el e n g t h e n e d t h em o r et h e s ec o m p o n e n t sd e g r a d e d s oa st od e s t r o y p r o t e i nc o m p o s i o n sd r a s t i c a l l y t h ed e c r e a s eo fl h c 1 1w i l li n f l u e n c e 删u s t m e ma b i l i t yo f e x c i t e de n e r g yd i s t r i b u t i o nb e t w e , e nt w op h o t o s y s t e m s t h eb a l a n c ed i s t r i b u t i o nw a sn e c e s s a r y i n n e rm i c r o e n v i r o n m e n tf o rp l a n t st om a i n t a i nh i g hp h o t o s y n t h e s i se f f i c i e n c y s ot h e p h o t o i n h i b i t i o nh a p p e n e dt oac e r t a i n t yu n d e rt h es t r e s s ( 3 ) t h ef v f m , f v , q p , o p si ii nl e a v e so fp l a n t sw e r er e d u c e db y6 8 ，4 1 7 ，6 6 5 1 1 1 东北林业大学硕士学位论文 a n d7 1 0 o , r e s p e c t i v e l yu n d e r1 3dd r o u g h ts l l c s s t b ec a p a c i t yo f t h ep sl ip l a s t o q u i n o n ep o o l d i m i n i s h e du n d e rd r o u g h ts t r e s s , s op si ip o t e n t i a la c t i v i t yw a sr e s t r a i n e d d r o u g h td i r e c t l y i n f l u e n c e dt h ee l e c t r o nt r a n s p o r ta n dc o za s s i m i l a t i o np r o g r e s s d r o u g h ti n t e r d i c t e dt h e e l e c t r o nt r a n s p o r tf i o mp l a s t o q u i n o n et op 7 0 0 ，s ot h ea c t i v a t i o no ft h ew h o l ee l e c t r o nl x a n s f e r f e l l e d q pr e d u c e db y5 0 8 a f t e rb e i n gt r e a t e db yh i g ht e m p e r a t u r ea nh i 曲l i g h ts t r e s s t h e f a s tr e d u c t i o no f q ps h o w e dt h ei n h i b i t i o no f e l e c t r o nc u r r e n tt ot h ep si ir e a c t i o nc e n t e r 1 1 1 e h i g ht e m p e r a t u r er e d u c e dt h eq u o t i e n to fl i g h ta b s o r b e db yt h ea n t e r l n ap i g m e n tt op r o c e s s p h o t o c h e m i s t r ye l e c t r o n t r a n s f e r ( 4 ) m p i n u sk o r e a i e n s i sc o u l dp r e p a r em u c hm o r ep si ip a r t i c l e st h a nm o r u sa l b aa n d s p i n a c i ao l e r a c e al o rb e t u l ap l a t y p h l l a 1 1 p si l p a r t i c l e so fp i n u sk o r e a i e n s i sw e c o m p o s e do f p r o t e i n s1 5k d , 1 7k d ，2 4k d ，d l ，d 2 ，c p 4 3 ，c p 4 7 ，9 8k d ；mp si ip a r t i c l e so f m o r u sa l b ac o m p o s e do fp r o t e i n s1 5l 【d ，1 7k d ，1 9l 【d ，2 4l 【d ，2 6l 【d ，2 9 ，d l ，d 2 ，c p 4 3 ， c p 4 7a n d6 7 k d w i t hae v o l v e m e n ta n g l eo fv i e w , t h eh i g h e re v o l u t i o n a r ys t a t u sm e a n s , t h e m o r ec o m p l i c a t e do x y g e ne v o l u t i o nm e c h a n i s ma n dl e s sh i g hm o l e c u l a rp o l y p e p t i d e s a tt h e $ a t n et i m e , d u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fp si ip a r t i c l e s ，t h ed i f f e r e n tp a n t sn e e d st h ed i f f e r e n t q u a n t i t yo ft r i t o nx - t 0 0 i ts h o w e dt h a tp si ic o m p l e xw i t ht h ed i f f e r e n te v o l u t i o ns t a t u sh a d t h ed i s s i m i l a rc o m b i n a t i o nw i t ht h y l a k o i dm e m b r a n ea n dp o l a r i z a t i o ne x t e n t k e y w o r d s p si | p a r t i c l e s ；s d s - p a g e ；c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c et e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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，也不包含为获得壅些盐些盘鲎或其他教育 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谢意。 学位论文作者签名：萧淑趁 签字日期：瑚年6 月，弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盎韭盎些盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权盎韭盎些盘堂可以将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、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：舜淑醺 导师签 签字日期：础7 年6 月，弓日 签字目 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： f 万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。 电话： 邮编： i 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 早在2 0 0 多年前，人们就已经通过实验认识到了植物具有光合作用功能，接着又从 多方面去努力了解它的生理特性。光合作用是指高等植物、藻类和光合细菌利用光能固 定二氧化碳，生成有机物并释放出氧气的过程，是使太阳能转变成化学能和碳水化合物 作为能量存储的反应。在1 9 8 8 年诺贝尔奖评选的结语中，光合作用被评为“地球上最 重要的化学反应，因为它涵养了所有的生命体”。光合作用是地球上一个规模巨大的生 命活动过程，其直接或问接产物是人类和其他动物的食物与能量来源，是一切生命生 存、繁衍和发展的根本源泉。光合作用具有环境保护作用，它是地球大气层，生物圈的 水循环、碳循环和大气循环的主要推动力之一1 1 ) 。此外，我们现在正在利用的为人类提 供能源的化石燃料也是远古时代的生物进行光合作用的产物。概括地说，光合作用是维 持地球上所有生命活动最根本的反应，对于一切生命生存、繁衍和发展起着非常重要的 作用。因此，光合作用一直是自然科学研究的核心课题之一。 1 1 1 光合作用的研究历史 2 0 世纪对光合作用的探讨，向着物理学和化学两个方面不断深入。1 9 0 5 年，英国 植物学家f eb l a e k m a n 提出光合作用包括需要光照的“光反应”和不需光照的“暗反 应”。2 0 年代，o h w a r b u r g 进一步提出在光反应中不是温度而是光的强度起作用。 1 9 2 9 - - 1 9 3 1 年，荷兰微生物学家c b v a nn e i l 通过比较生化研究，发现光合硫细菌与绿 色植物一样，也进行光合作用，只是绿色植物的供氢体是水，而光合硫细菌的供氢体是 硫化氢或其他还原性有机物。c b v a nn e i l 的工作改变了长期以来认为光合作用一定要 放氧的看法，扩大了光合作用的概念，对以后有深远影响。 1 9 1 3 年，德国化学家r m w i l l s t a t e r 阐明了叶绿素的化学组成，另一位德国化学家 h f i s h e r 于1 9 4 0 年确定了它的结构。2 0 世纪4 0 年代初，英国植物生理学家i lh i l l 用 离体叶绿体作实验，测到放氧反应，这是绿色植物进行光合作用的标志，但是否代表光 合作用未能肯定，i lh i l l 称它为叶绿体的放氧作用，亦被称为“希氏反应”。这一工作 直到1 9 5 1 年才被证实是光合作用的一部分。1 9 5 4 , - - 1 9 5 5 年，美国生物化学家d i a r n o n 和美国微生物学家m b a l l e n 又证明离体叶绿体不仅能放氧，而且也能同化二氧化碳。 这也就证实了叶绿体确实是光合作用的部位。 2 0 世纪5 0 年代中期，美国伯克利加州大学的m c a l v i n 、a a b e n s o n 、j a b a s h a m 等，利用劳伦斯实验室制备的同位素的和其他新的生化技术，阐明了“光合碳循环”或 称“卡尔文循环”的过程。他们证明，在叶绿体内一种五碳糖起了二氧化碳接收器的作 用，经过一系列的酶促反应，不断地循环同化二氧化碳，形成一个一个的六碳糖，再聚 东北林业大学硕b 学位论文 合成蔗糖或淀粉阳1 。 光合磷酸化是光合作用中的重要的能量传递过程。1 9 5 4 年，d i a r l l o n 在用菠菜叶 绿体研究二氧化碳同化的同时，发现叶绿素受光的激发产生电子，在传递过程中与磷酸 化偶联，产生a t p ，电子仍回到叶绿素分子上，继续上述过程，这一过程被称为循环光 合磷酸化。几乎同时有研究者证明，细菌中也存在着类似的过程。1 9 5 7 年，d i a l n o n 等又发现另一类型的光合磷酸化。在这个过程中，光使叶绿素从水中得到电子，电子传 递过程中与希尔反应偶联，还原辅酶i i ，放氧，同时产生a t p ，这一过程称为非循环光 合磷酸化。 1 1 2 光系统的发现 光合作用中两个光反应系统的发现推动了光合磷酸化研究的不断深入。1 9 4 3 年，美 国植物生理学家凡e m e r s o n 及其合作者发现红光波段中，短波( 约6 5 0a m ) 区比长波区 ( 约7 0 0n m ) 的光合效率高。1 9 5 7 年，他们又发现两者同时照射比单一照射所产生的光合 效率高。根据他们的工作以及其他人的工作，r h i l l 等提出可能存在着两个光反应系 统：系统i 由远红光( 约7 0 0n m ) 激发，系统i i 则依赖于较高能的红光( 约6 5 0 h m ) ，非 循环光合磷酸化对此就是一个有力的支持事例。根据这一设想及大量实验结果，设计出 一个“z 图解”，表达两个光反应系统的协同作用，得到了广泛的支持。由此掀起了研 究两个光反应系统结构与功能的热潮，推动了光合作用的核心问题一原初反应和水的 光解问题的研究1 4 。 进入8 0 年代，光合反应中心的结构研究取得了重要突破。1 9 8 2 年，西德生化学家 h m i s h e l l 成功地分离提取出生物膜上的色素复合体，即光合反应中心。德国的蛋白质 晶体结构分析专家r h u b e r 和j d a v i s s o n 经过4 年的努力，用x 射线衍射分析的方 法，测定出这个复合体具有复杂的蛋白质结构。这一成果在光合作用研究上是一个飞 跃，有力地促进了太阳光能转变为植物能的瞬间变化原理的研究。 1 2 光合作用机理 2 0 世纪5 0 年代末，e m e r s o n 的双光增益效应和b l i n k s 的光色瞬变效应的发现导致 了人们认识到光合作用中存在两种光化学反应，接着就从叶绿体分离出两种光系统。现 在已经达成共识，光合作用( p h o t o s y n t h e s i s ) 由两个光系统协同完成，即光系统 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 mi i ，简称p sl i ) 卯。在高等植物体 内，捕光色素蛋白复合体( l h c ) 是一类捕获光能，并把能量迅速传至反应中心引起光化 学反应的色素蛋白复合体。虽然高等植物体内的p s i 和p s i i 都含有各自的 l h c ( l h ci ，l h ci i ) ，但由于l h ci i 占光合膜中近5 0 的色素和约1 ，3 的蛋白质、生 理功能复杂、且易被大量提取而倍受研究者的关注。在高等植物的诸多色素蛋白复合体 中，l h c i i 是目前研究最多也是结构较清楚的一类膜蛋白。 i 绪论 1 2 1p s i i 的结构 p s 是高等植物、藻类以及蓝细菌中位于类囊体膜上的膜蛋白复合物，它利用太阳 能进行光合作用的原初反应：电荷分离，质体醌的还原以及氧化水生成氧气。p s n 是光 合作用中放氧的来源，又是光化学反应中电子传递链的开始，因此对p s 的研究很有 意义。因检测技术和制备方法两方面的原因，人们对p s ，特别是水裂解放氧反应的 研究直到本世纪七十年代后期，还处于用动力学方式研究的阶段嘲。最近十多年来，由 于电子顺磁共振波谱、付立叶变换红外光谱、核磁共振和激光莱曼等现代分析测试技术 的发展及在生物学中的应用，加之实验样品制备技术的完善【7 8 1 ，人们对p si i 的结构和 功能有了进一步了解，对p s 反应中心的研究取得了突破性的进展l ”川。近年国内也陆 续开展此方面的研究工作1 1 1 , 1 2 | ，但由于条件限制，植物材料多购自市场，用之制备的 p sn 制剂的水裂解活性相对较低。 图i - 1 植物类囊体膜结构示意图i ”l p s i i 是镶嵌在绿色植物、绿藻和蓝藻类囊体膜中的一个大的多亚基色素蛋白复合 体。按照结构和功能的不同，p si i 由两个部分组成：p si i 核心复合体和外周天线。核心 复合体包括d l 、d 2 蛋白的光化学反应中心和两个序列相关的捕光复合体c p 4 3 、c p 4 7 ( 核心天线) 组成。外周天线由大量结合叶绿素a ( c h l a ) 、叶绿素b ( c h l b ) 、类胡萝卜素 ( c 神等大量色素蛋白复合体组成。按照组成成份和色素分子所起的作用，可将p s1 1 分 为集光系统和反应中心。集光系统主要用来吸收光能，并将能量向反应中心传递，进行 的是光物理反应；反应中心是用来捕获从集光系统传递来的能量，并进行电荷分离，将 光能以化学能形式储存起来，进行的是光化学反应。p si i 的结构如图1 2 所示 1 3 - 1 6 1 。 东北林业丈学硕一 学位论文 图1 - 2p s 复合体结构酬嘲 1 2 2 天线色素与反应中心各组分的作用 外周天线l h c i i 主要以三聚体形式存在，l h c i i b 是外周天线的主要复合物，次要 复合物有c p 2 9 、c p 2 6 、c p 2 4 ，而次要复合物以单体形式存在。外周天线l h ci ib 主要 复合物在光合作用中主要是吸收光能，通过次要复合物c p 2 9 、c p 2 6 、c p 2 4 传递光能到 内周天线c p 4 3 或c p 4 7 中，再分别传递能量到p s i i 反应中心。c p 4 3 和c p 4 7 也称为 p s i i 的核心天线，是构成光合生物内周天线的两个重要的色素蛋白复合物，除了将外周 天线叶绿素a b 蛋白复合体( l h c i i ) 捕获的激发能汇集给反应中心外，还具有维持p s i i 放氧核心复合物的结构，参与水裂解放氧功能i l “。除此以外，v i r g i n 等( 1 9 9 0 ) 指出，光 抑制时受损的d l 蛋白的降解与p s i i 中存在的蛋白酶有关【1 8 1 。s a l t e r 和a n d e r s o n ( 1 9 9 2 ) 进一步研究证明，外加丝氨酸类蛋白酶抑制剂二异丙基氟磷酸( d f p ) 可抑制d l 蛋白的降解，而同位素标记的d f p 可结合到p s1 1 的c p 4 3 ，这暗示c p 4 3 还可能具有蛋 白酶的作用【1 9 1 。因此，c p 4 3 和c p 4 7 的分离、纯化及其结构与功能的研究已受到人们 的极大关注。a l f o n s o ( 1 9 9 4 ) 等首次从甜菜( b e t av u l g a r i s ) 和大_ 豆( g l y c i a em a x ) q a 分离纯 化了c p 4 7 和c p 4 3 z 0 1 。近年来，中国科学院植物研究所光合作用研究中心也从高等植 物菠菜( s p i n i c ao l e r a c e a ) 中纯化了这两种蛋白复合物，测定了它们的色素种类及含量， 并对它们的光谱学特性进行了研究f 2 。但迄今为止，对这两种色素蛋白复合物的结构和 功能尚未形成完整的认识，许多问题还有待于进一步澄清。 p si i 光化学反应中心至少由2 5 种亚单位构成，由两个跨膜蛋白d i 和d 2 邻接，是 p si i 反应中心的基本骨架，各种与原初电荷分离及电子传递有关的辅助因子有序地结合 i 绪论 p h o t o s y s t e mlp h o t o s y s t e mi i 图1 3p si i 捕光天线结构图 1 3 1 在这个框架上，包括反应中心叶绿素a ( p 6 8 0 ) 、原初电子受体去镁叶绿素( p h e o ) 、次级 电子受体醌q a 和q b 、p - c a r 分子、放氧复合物和细胞色素b 5 5 9 。m g d g ( 单半乳糖二 酰基甘油) 、d g d g ( 双半乳糖二酰基甘油) 、p g ( 磷脂酰甘油) 是l h ci i 活性形式的重要组 分，d g d g 能保持p si i 在高温下的放氧活性 2 2 1 。光合膜中存在着p g 与蛋白质之间的 特异结合，p g 的结合位点存在于d l 蛋白，p g 分子的作用就在于使d l 蛋白保持适宜的 结构得以完成正常的功能i 捌。因为p g 会引起p s l i 中蛋白质二级结构的改变，导致小 螺旋、b 折叠组分的增加和无卷曲结构的减少。这暗示d l 蛋白的活性依赖于p g 。由此 不难理解，这会进一步影响到与d l 蛋白结合的锰簇或一些芳香簇氨基酸残基以及反应 中心色素分子如p 6 8 0 、p h e oa 等。 表1 1 光系统i i 核心复合体的蛋白亚基 蛋白多肽基因基因的位置分子鼍d a功能 d l p s b a叶绿体 3 2 0 0 0 反应中心多肽 d 2 p s b b叶绿体 3 4 0 0 0 反应中心多肽 c p 4 3 p s b c 叶绿体5 1 0 0 0 结合天线色素 c p 4 7 p s b d叶绿体4 3 0 0 0结合天线色素 细胞色素b 5 5 9 p s b e ，f 叶绿体 9 0 0 0 、4 0 0 0 未知 p s b h p s b n p s b h p s b n 叶绿体 3 8 0 0 - 1 0 0 0 0 未知 2 2k d p s b s 细胞核 2 2 0 0 0 光保护 3 3k d p s b o 细胞核 3 3 0 0 0 放氧 2 3k d p s b p 细胞核2 3 0 0 0 放氧 1 7 k d p s b q细胞核 1 7 0 0 0 放氧 1 0k d p s b r 细胞核 l 0 0 0 0 未知 在上世纪5 0 年代末人们证实光合机构中的确存在两种光反应中心后，天线色素和 反应中心的复杂关系引起人们的高度重视，许多实验室竞相加以大力研究。2 0 世纪7 0 年代末，集光色素蛋白复合体磷酸化反应的发现为两种光系统间能量分配调节机理的研 究开辟了道路。2 0 世纪8 0 年代末，d e i s e n h o f e r 等( 1 9 8 8 ) 测定了光合细菌反应中心结 构。这是了解膜蛋白复合体细节及光合原初反应研究的突出进展。在高等植物叶绿体的 天线色素中叶绿素b 是非常重要的，它吸收的光能几乎可以1 0 0 有效的传递给叶绿素 a 。在阴生植物中，它的数量显著增加，因而叶绿素a 与b 被当作其适应性的重要指 标。 1 3p si i 的光抑制与光破坏的分子机理及其研究进展 植物光合机构接收的光能超过光合作用所能利用的数量时，光合功能便降低，表现 为量子效率和光能转换效率的降低，这就是所谓的光合作用的光抑制。早在2 0 世纪 初，光抑制与光破坏现象就引起了人们的注意，但是直到近二十几年来，对光抑制和光 破坏才有了真正的认识。2 0 世纪8 0 年代中期，对光抑制的原初部位及主要部位在p si i 已经达成共识瞰l 。p si i 作为光驱动的分子机器调节中心，在逆境条件下，不可避免要发 生光失活。强光下，无论是在体内，还是在分离的类囊体膜、p si i 颗粒及p si i 放氧中 心复合物中，均能发现p s i i 活性受到破坏及d l 蛋白降解的现象。由于叶绿体内色素和 蛋白分子很多，其中含有许多与光破坏不直接相关的组分，因此很难从微观上分辨出光 破坏的具体部位和特定的反应，确定具体哪个分子受到破坏。 1 9 8 7 年，n a n b a 和s a t o h 首次从菠菜叶绿体中纯化得到由4 6 个c h l a 、2 个b 胡萝 卜素、2 个p h e oa 等色素分子及d t 多肽、d 2 多肽和c y t b 5 5 9 的旺、b 亚基组成的p s i i 反应中心d 1 d 2 - c ”b 5 5 9 复合物【2 5 , 2 6 1 。此复合物具有光化学电荷分离功能，且能形成 1 6 8 0 的自旋极化三线态，其它实验室也得到类似的结果f 2 7 1 。但过去得到的三线态复合 物未检测出醌和锰，其光化学活性也只限于能形成随电荷重组成衰减的p 6 8 0 + p h e o 带 电基团对，而无d p c 到d c i p ( 2 , 6 二氯酚靛酚) 光还原活性，推测其原因是在制备过程 中醌被丢失了。1 9 9 1 年，王俊等口7 l 等首次从蚕豆叶绿体中分化出具有d c i p 光还原活性 的含锰d 1 d 2 c , b 5 5 9 三肽复合物。p si i 反应中心复合物的获得，大大推动了光破坏机 理的研究。 1 。3 1d 1 蛋白的破坏及其机理 d l 蛋白对光照十分敏感，在强光和弱光下均存在d l 蛋白的降解。无论在供体侧还 是受体侧都受到抑制，甚至长时间的弱光都可以导致d l 蛋白的伤害。d l 蛋白一旦受伤 害就会发生构象变化，使d i 蛋白成为蛋白酶的底物，在蛋白酶的催化下发生降解田j 。 有报道认为这是一种自我催化过程1 2 9 ，有人认为c p 4 3 可能具有蛋白酶活性i 1 9 】，但也有 与此相反的报道1 2 s 1 。郭连旺等认为，d l 蛋白的光破坏是以活性氧的作用为基础的。 p s 中q a 的双还原抑制了通过q a 的电子传递，导致电荷对的重组，形成三线态叶绿 l 绪论 素( 3 p 6 8 0 ) ，3 p 6 8 0 与附近0 2 发生反应生成单线态氧( 0 2 ) ，( 1 0 2 ) 使d l 蛋白降解和色素 蛋白分解【3 0 l 。另外，d t 蛋白的光破坏可能与p g 有关。因为p g 的结合位点存在于d l 蛋白。但是，后来发现，d l 蛋白的降解不是光破坏的原因，而是光破坏的结果。证明在 d 1 蛋白降解之前有其它部位受到破坏，寻找这个部位无疑是光破坏作用研究的新问题， 而且也是认识光破坏以及由此而引起的光合作用受抑制的机理的基础。 1 3 2p 胡萝i 、素的破坏及其机理 当存在电子受体的情况下，反应中心内部的弘胡萝卜素也会发生破坏。t e l f e r 等 ( 1 9 9 0 ) 发现当有s i m o ( 硅钼复合体) 或质体醌类人工电子受体存在时，豌豆p si i 反应 中心d 1 d 2 - c y t b 5 5 9 复合物在强光照射下，p 胡萝卜素吸收区的吸光度值下降，推测p 胡萝h 素受到光照破坏【3 t 1 。1 9 9 4 年，唐崇钦、匡廷云等用质体醌重组d 1 d 2 c y t b 5 5 9 复 合物，充分肯定了p 胡萝卜素受到光照破坏，并推测p 胡萝卜素可能具有光能的传递和 对反应中心的保护作用f 3 2 i 。其机制可能是当水光解受阻时，光合链不能很快把电子传递 给p 6 8 0 + ，延长了p 6 8 0 + 的寿命，被称为p s i i 供体侧电子传递受阻，这时具强氧化性的 p 6 8 0 + 将氧化 c 缸成1 3 - c 矿，造成p c a r 分子结构的破坏。 1 3 3 组氨酸残基的光照破坏 1 9 9 3 年，匡廷云等将未受光照破坏或光破坏的p si i 反应中心d i d 2 - c y t b 5 5 9 复合 物进行氨基酸组分分析，发现光破坏的p s l i 反应中心复合物组氨酸残基( h i s ) 含量下降 大约2 6 ，而其它氨基酸含量基本不变，说明在光照过程中h i s 残基受到破坏【3 3 】。但具 体是哪个残基受到破坏，目前仍不清楚，推测可能是p 6 8 0 结合的h i s 残基，因为这些 h i s 残基离原初电子供体p 6 8 0 最近，最有可能受到电荷分离及重组过程产生的中间体及 活性氧的破坏。所以，高度活泼的单线态氧是氨基酸残基破坏的分子基础。 1 3 4p h e oa 的光照破坏 1 9 9 5 年，匡廷云等采用高效液相色谱( h p l c ) 技术，首次发现了p h e oa 的光照破 坏。侯建敏等采用h p l c 的方法，仔细研究光照破坏p si i 反应中心的过程中，p h e oa 含量的变化规律，发现被破坏的p h e oa 与反应中心的光化学活性无关，从而提供了高等 植物p s 反应中心存在两条电子传递支路的第一个实验证据，并推测被破坏的p h e oa 分子是结合在d 2 蛋白上。当p 6 8 0 接收光能后，把电子传递给d l 蛋白上的p h e oa ，形 成离子对p 6 8 0 + p h e oa ，p h e oa 电子把电子再传递给q a 、q b ，。形成正常p s 电子唧j 。 1 3 5p si i 反应中心d l - d 2 - c y t b 5 5 9 复合物的光照破坏 只具有电荷分离活性而不具备放氧活性的p s 反应中心d 1 1 ) 2 - c y t b 5 5 9 复合物对光 照十分敏感，容易受到光破坏，这种光破坏可分别由p si