（植物学专业论文）高温条件下拟南芥degp蛋白酶在光系统Ⅱ修复循环中的作用机制.pdf

原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导f 独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名础日期：2 严 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大 学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向 国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权兰州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 以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 糙峭翩群缈眺 掣 兰州大学博士学位论文 摘要 在叶绿体中，光系统i i ( p s i i ) 是类囊体膜上的一个大的色素蛋白质复合物，利用光能 催化水的氧化以及质体醌的还原。p s i i 的内周和外周蛋白质有2 0 多个。p s i i 反应中心复合 物由d 1 和d 2 蛋白质，细胞色素b 5 5 9 的a 和b 亚基和p s b i 蛋白质组成。d 1 和d 2 异二聚体结合 j p s i i 中所有参与将电子从水氧化复合物的锰簇转移到质体醌库的关键的氧化还原成分。 对环境胁迫非常敏感是p s i i 的一个明确的特征，在p s i i 的蛋白质中受环境胁迫诱导破 坏的主要目标是反应中心的d l 蛋白质。破坏的蛋白质被降解随后由新合成的蛋白质来替 换。这个有效的修复机制对维持p s i i 处于功能状态是非常重要的，d 1 蛋白质的周转已经被 广泛的研究，但是在蛋白酶对破坏的d 1 蛋白质的降解的机制还不很清楚。 广泛分布的d e g p 蛋白酶在降解破坏了的或者错误折叠的蛋白质中起着重要作用。拟 南芥中含有1 6 个d e g p 类似的蛋白酶，其中有4 个是定位在叶绿体。我们研究发现在类囊体 膜腔侧的d e g 5 和d e g 8 形成6 聚体，重组的d e g 8 对于模式底物( 干酪素) 和光破坏了的光 系统i i 中的d l 蛋白质都有蛋白酶解活性，可以将d 1 蛋白质剪切成n - 末端1 6 k d 和c 末端 1 8 k d 的片段。 为了进一步研究d e g 5 和d e g 8 在拟南芥体内的生理功能，我们从s a l i ：拟南芥突变体 库中筛选n y 它们的t - d n a 插入突变体，分别命名为d e 9 5 和d e 9 8 。对突变体的研究发现， 拟南芥中d e g 5 和d e g 8 的失活导致对热胁迫的敏感性增强。突变体中破坏的d 1 蛋白的降解 速度比野生型要慢。经检测发现，在高温处理之后，突变体和野生型植株中其它的p s i i 反 应中心蛋白的水平保持相对稳定。因此，d e g 5 和d e g 8 对于d 1 蛋白质的有效周转以及保护 免受热胁迫的破坏中是非常重要的。相对于单突变体d e 9 5 和d e 9 8 ，双突变体d e g s d e 9 8 对热 胁迫的敏感性更高，d 1 的降解速率更低。在光抑制处理之后，野生型植物中可以检测到1 6 k d 的n 末端d 1 降解片段，但是在双突变体中检测不到。 综上所述，我们的结果表明d e g 5 和d e g 8 协同作用参与p s i i 反应中, l , d 1 蛋白质在 c d 1 0 0 p 上的初级剪切，从而维持热胁迫条件下p s i i 的有效周转。 关键词：p s i i 反应中心，d e g 蛋白酶，热胁迫，d 1 蛋白，降解，拟南芥 兰州大学博士学位论文 p h o t o s y s t e m i i ( p s i i ) ，w h i c hc a t a l y z e s l i g h t - d e p e n d e n t w a t e r o x i d a t i o n a n d p l a s t o q u i n o n e r e d u c t i o ni nc h l o r o p l a s t s ，i sal a r g ep i g m e n t - p r o t e i nc o m p l e xi nt h et h y l a k o i dm e m b r a n e p s i i c o n s i s t so f 2 0i n t r i n s i ca n de x t r i n s i cp r o t e i n s t h ep s i ir e a c t i o nc e n t e rc o m p l e xi sc o m p o s e do f t h ed 1a n dd 2p r o t e i n s ，t h ea - a n db - s n b u n i t so f c y t o c h r o m eb 5 5 9 ，a n dt h ep s b ip r o t e i n t h ed i a n dd 2h e t e r o d i m e rb i n d sa l lt h ee s s e n t i a lr e d o xc o m p o n e n t so f p s i ir e q u i r e dt ot r a n s f e r e l e c t r o n sf r o mt h em a n g a n e s ec l u s t e ro f t h ew a t e r - o x i d i z i n g c o m p l e xt ot h ep l a s t o q u i n o n ep 0 0 1 ad i s t i n c tf e a t u r eo f p s i ii st h a ti ti sv e r ys e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t , t h ep s i ir e a c t i o nc e n t e r d ip r o t e i nb e i n gt h em a i nt a r g e tf o re n v i r o n m e n ts t r e s si n d u c e d d a m a g ea m o n gp s i ip r o t e i n s d a m a g e dd 1p r o t e i n sa r ed e g r a d e da n ds u b s e q u e n t l yr e p l a c e dw i t hn e w l ys y n t h e s i z e dc o p i e s t h i se f f i c i e n tr e p a i rm e c h a n i s mm u s tb ee s s e n t i a lt om a i n t a i np s i ii naf u n c t i o n a ls t a t e a l t h o u g ht u r n o v e ro f t h ed 1p r o t e i nh a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e d ，i tw a sn o tc l e a ra b o u tt h e m e t h a n i s mo f p r o t c a s e sr e s p o n s i b l ef o rt h ed e g r a d a t i o no f t h ed a m a g e dd 1p r o t e i nu n t i ln o w t h ew i d e l yd i s t r i b u t e dd e g pp r o m s p l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h ed e g r a d a t i o no f d a m a g e d a n dm i s f o l d e dp r o t e i n s a r a b i d o p s i st h a l i a n ac o n t a i n s1 6d e g p - l i k ep r o t e a s e s , f o u ro f w h i c ha r e l o c a t e di nt h ec h l o r o p l a s t h e r e ，w es h o wt h a td e 0 5a n dd e g 8f o r mah e x a m e ri nt h et h y l a k o i d l u m e na n dt h a tr e c o m b i n a n td e g 8i sp r o t e o l y t i c a l l ya c t i v et o w a r db o t ham o d e ls u b s t r a t e ( 1 3 - c a s e i n ) a n dp h o t o d a m a g e dd ip r o t e i no f p h o t o s y s t e mi i ( p s i i ) p r o d u c i n g1 6 - k d n t e r m i n a la n d1 8 - k dc - t e r m i n a lf r a g m e n t s t o s t u d yt h ei nv i v of u n c t i o no f d e g 5 a n dd e g 8 ，w eo b t a i n e da r a b i d o p s i sl i n e sf r o mt h e s a l kc o l l e c t i o n si nw h i c ht - d n aw a si n s e r t e di n t od e g 5a n dd e g 8 ，t h em u t a n t sw e r e n a m e dd e 9 5a n dd e 9 8 ，r e s p e c t i v e l y i n a c t i v a t i o no f d e g 5a n dd e g 8r e s u l t e di ni n c r e a s e d s e n s i t i v i t yt oh e a ts t r e s s ，t h ed e g r a d a t i o no f t h ed 1p r o t e i nw a ss l o w e ri n t h em u t a n t st h a ni nt h e 叮p l a n t s f u r t h e r m o r e ，t h el e v e l so f o t b e rp s i ir e a c t i o nc e n t e rp r o t e i n st e s t e dr e m a i n e d r e l a t i v e l ys t a b l ei nt h em u t a n ta n d 、耵p l a n t sf o l l o w i n gh i g h - t c m p e r a t u r et r e a t m e n t t h u s d e g 5 a n dd e g 8a r ci m p o r t a n tf o re f f i c i e n tt u r n o v e ro f t b ed 1p r o t e i na n df o rp r o t e c t i o na g a i n s th e a t s t r e s si nv i v o t h ed e g s d e 9 8d o u b l em u t a n ts h o w e di n c r e a s e dh e a ts e n s i t i v i t ya n dr e d u c e dr a t e s o f d ld e g r a d a t i o nc o m p a r e dw i t hs i n g l em u t a n t so f d e 9 5a n dd e 9 8 a1 6 - k dn - t e r m i n a l d e g r a d a t i o nf r a g m e n to f t h ed 1p r o t e i nw a sd e t e c t e di nw i l d - t y p ep l a n t sb u tn o t i nt h ed e g s d e 9 8 2 兰州大学博士学位论文 m u t a n tf o l l o w i n gi nv i v op h o t o i n h i b i t i o n 。 t h e r e f o r e , 0 1 1 rr e s u l t ss u g g e s tt h a td e g 5a n dd e g 8h a v eas y n e r g i s t i cf u n c t i o ni nt h e p r i m a r yc l e a v a g eo f t h ec dl o o po f t _ h ep s i ir e a c t i o nc e n t e rp r o t e i nd 1 ，t h u s t h e yr a 戚n t h e e f f i c i e n tt i l m o v 盯o f p s l l k e y w o r d s ：p s i ir e a c t i o nc e n t e r , d e gp r o t e a s e s ，h e a ts t r e s s ，d ip r o t e i n , d e g r a d a t i o n , 3 兰州大学博士学位论文 缩写词( a b b r e v i a t i o nw o r d s ) 缩写词 英文名称 中文名称 p s i i p h o t o s y s t e mi i 光系统i i l h c i i l i g h th a r v e s t i n gc o m p l e xi i捕光复合物i i s r hs e c o n dr e g i o no f h o m o l o g y 第二同源区域 a a a +a t p a s e sa s s o c i a t e dd o r a a i n a t p 酶结合结构域 k d a k i l o d a l t o n 千道尔顿 0 e c o x y g e ne v o l v i n gc o m p l e x 放氧复合物 c l l l c h l o r o p h y l l 时绿素 b n g e l b l u en a t i v eg e l 蓝绿温和胶 s d ss o d i u md o d e c y ls u l f a t e 十二烷基璜酸钠 p a g e p o l y a e r y l a m i d eg e le l e c t r o p h o r e s i s 聚丙稀酰胺凝聚电泳 p c r p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n 聚合酶链式反应 r t - p c rr e v e r s et r a n s c r i p tp c r 反转录p c r c y t e y t o c h r o m e 细胞色素 e d t a e t h y l e n e d i a m i n e t e t r a a c e t i ca c i d乙二胺四乙酸 p 6 8 0 c h l o r o p h y l lp r i m a r ye l e c t r o nd o n o ri np s i i光系统i i 的原初电子供体 p h e o p h e o p h y t i n 去镁叶绿素 q a t i g h t l yb o u n dp l a s t o q u i n o n ei np s i i 光系统i i 原初醌电子受体 q 8e x c h a n g e a b l ep l a s t o q u i n o n ei np s i i 光系统1 1 次级醌电子受体 y d t y r o s i n1 6 0o f t h ed 2p r o t e i nd 2蛋白1 6 0 位酪氨酸 y z t y r o s i n16 1o f t h ed 1p r o t e i n d 1 蛋白1 6 t 位酪氨酸 m a x i m u ml e v e lo f c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e 最大叶绿素荧光 尼 i n i t i a ll e v e lo f c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e 最小叶绿素荧光 h e p e s n ( 2 一h y d r o x y e t h y l ) p i p e r a z i n e - n - ( 2 - e t h a n e n - 2 羟乙基碾嗪- n 2 乙 s u l f o n i ca c i d ) 璜酸 d c ：g pd e g r a d a t i o no f p e r i p l a s m i cp r o t e i n s 周质蛋白降解 t e m e d n ，n n ，n - t e t r a m e t h ) ，l e n e d i a m i n e 四甲基乙二胺 t r i t o n t - o c t y l p h e n o x y p o l y - e t h x o ye t h a n o l 聚乙二醇辛基苯基醚( 曲 x 1 0 0拉通x 一1 0 0 ) t w e e n 2 0 p o l y o x y e t h y l e n es o r b i t a nm o n o l a u r a t e 聚氧乙烯( 2 0 ) 山梨聚糖 酐单月桂酸( 吐温2 0 ) d e p c d i e t h y l p y r o e a r b o n a t e 焦磷酸二乙酯 d m d e c y l - b d m a l t o s i d e - 1 - 二航垂夏牙话甘 e t re l e c t r o nt r a n s p o r tr a t e 电子传递速率 s e p h a d e x 葡聚糖凝聚( 3 - 7 5 g7 5 c t a b c e t y l t r i m e t h y la m m o n i u mb r o m i d e 溃代十六烷基2 甲基胺 兰州大学博士学位论文 第一章前言 光合作用是地球上最重要的化学反应，是绿色植物( 包括藻类) 大规模的利用太阳能 把二氧化碳和水转换成有机物质并释放氧气的过程。光合作用为地球上其它生物提供了赖 以生存的物质基础一一有机物质和氧气。光合作用不仅是食物链的初级生产者，而且也是 最初产生和如今维持大气中的0 2 的制造者。所以，没有光合作用，地球上就不会有生物 丰富多彩的演化和繁荣，也不会有人类社会的生存和繁荣发展。光合作用不仅是生命科学 的重大理论问题，而且与当今人类所面临的粮食、能源、资源和环境等问题密切相关。因 此，自1 7 7 2 年美国化学家p r i e s t l y 发现光合作用以来，它就一直是倍受人们关注和探索的 重大科学问题。 1 叶绿体是光合作用的主要场所 1 9 3 4 年英国学者r h i l l 发现叶绿体是光合作用发生的主要场所。叶绿体存在于植物的 绿色细胞中。成熟的叶绿体其表明有一层双层膜包裹，在其内部，可以明显的分为两个不 图1 类囊体膜上光合作用4 类复合物的分布及关系( c o p yf r o md r r o g e r l i e s f e l dl a b ) f i g 1t h el o c a t i o na n dr e l a t i o no f f o u rt y p e sp i n i nc o m p l e xi nt h y l a k o i dm e m b r a n e ( c o p y f r o md r r o g e rm i e s f e l dl a b l 同的区域，间质和类囊体。类囊体是叶绿体中进行光能吸收和转换的场所。类囊体也是膜 系统，因此又称为类囊体膜。在间质中类囊体成不对称分布，表现为不同的两种形态结 构一一基粒和基质。在类囊体膜上分布着进行光合作用的大分子蛋白质复合体：光系统 s 兰州大学博士学位论文 ( p s f l ) ，细胞色素b 6 f 蛋白复合体( c ”b 6 f ) ，光系统i ( p s i ) ，和a t p 合酶四大类( 图1 ) 。 这4 大类蛋白复合物依次排列，承担了对光能的吸收，传递，以及化学能的转化。 图2 高等植物和绿藻主要的亚基组成和发生在由d i 和d 2 蛋白组成的反应中心( 1 屺) 上的 原初与次级电子传递步骤。在图例中的次级天线是由叶绿素a b 结合蛋白组成。y z 是 d l r ”1 6 1 ，1 是d 2 的1 b 1 6 0 ，y d 能够被p 6 8 0 + 所氧化，尽管它没有参与来自于水的电子流。 p 6 8 0 是原初的电子供体，p h e 是去镁叶绿素它与d 1 蛋白结合，作为原初电子受体。q 和q h 是质体醌分子。尽管在腔侧表面的外周蛋白有助于稳定承的裂解反应。但是它们可能没有直 接定位于锰簇上，对水的裂解不是绝对必要的。尽管四个锰原子看上去和d l 以及d 2 蛋白结 合，但是在与金属簇形成配位体上。c p 4 7 和c p 4 3 的外周l o o p 可能也起了关键作用( 摘自j b w b e r ) 。 f i g2 ac a t o o no fp s l lo fh i g h e ro a m sa n dg r e e n 啦即e m p h a s 魄s u b 啪i tc o i n p o s i t i a n d p r i m a r ya n d n d a r ye l e c t r o nt r a n s f e rs t e p sw h i c h c wi nl l l er e a c t i o nc e n e r ( r c ) c o m p o s e do f t h ed 1a n dd 2p r o t e i m t h es e c o o d 越y 釉t g n n ai l lt h i sc a i sm m el j po ft h ac h l o r o p h y ha b b m d i n g l h c bp r o t e i n y zi s d ir l y l 6 1w h i l ey di si ) 2t y r l 6 0 y dc a nb eo m d i z e db yp 6 8 0 + , a l m o u g hi ti sn o ti n v o l v e di ne l e c t r o nf l o w 咖w a t e r , p 6 靳i st h ep r i m a r ye l e c l r o nd o n o ra n dp l l e i st h ep h p h y t i nb o u 砌t ot h ed ip r o t e i nw h i c ha c t s t h ep d m a r ye l e c t r o na g c q l l o r q aa n dq b a 卵p l a s t o q u i n o n em o l e c u j 嚣a l t h o u g ht h ee x t r i n s i cp m w i mo nt h el u m e n a ls u r f a c ep a ya ki n o p t i m 试n gt h ew a l 觑 s p l i n i n gl - e a g t i t h e y 玳n o ta b s o l u t e l yn e c e s s a l ya n dm a yn o tb cl o c a t e d d i 旭c t l vo v e rt l l em nc l u s t e r t h ef o 叫m na t o m ss mt ob eb o dt ot h ed ia n dd 2p r o t e i n s ，b u t t h et w ol a r g ee x a i 哪i cl o o p sf r o mc p 4 7a n dc p 4 3m a ya l s op l a yas i g n i f i c a n tr o l ej nf o r m i n g l i g a n 幽w i t h n 峙m e t a le l m t e r ( c o p y f r o mj b 盯b e f ) 6 兰州大学博士学位论文 其中光系统i i ( p s i i ) 担负着吸收光能并利用光能来裂解水分子( i - 1 2 0 ) ，产生质子 和释放氧气( 0 2 ) 的重要任务。由于p s i i 不仅是光合作用电子传递的起始步骤，并且也是 非常容易受到强光，高温。冷害，盐胁迫等环境胁迫因子破坏的复合物，所以对其的结构 功能以及环境适应性的研究倍受关注。 2 光系统i i ( p h o t o s y s t e mh - p s l l ) 的结构和功能 光系统i i ( p s i i ) 位于高等植物，藻类和蓝细菌的类囊体膜上，催化依赖于光的水的 氧化和质体醌的还原。是一个多亚基的复合物，它有超过2 5 个不同的蛋白亚基组成( 图2 ) 。 如图2 所示，复合物的核心是反应中心( r c ) ，由d i 和d 2 蛋白组成。这两个相互联系的 反应中心亚基结合所有的辅助因子引发原初和次级电子传递。原初的电子供体是p 6 8 0 ，原 初的电子受体是褐藻素( p h e ) ，p 6 9 0 + p h e - 状态是原初电子对。接受电子的p h e 随着电子 流将电子传递给质体醌分子q a ，这个辅助因子和i ) 2 蛋白紧密结合，它的功能只是携带电 子没有经历正常的质子化。与d l 蛋白紧密结会的质体醌q b 能接受两个电子和两个质子。 当q b 被完全还原后可以从d 1 蛋白的结合位点上释放出来进入膜的磷脂相中。p s i i 的氧化 侧是由四个锰原子形成的锰簇。锰簇位于p s i i 的腔侧表面与d l 和d 2 蛋白紧密接触。这 个催化中心的精确定位和组织模式还没有被完全的了解。根据x 射线和共震荡技术证明， 锰簇由两个双氧桥双核锰原子通过氧桥和一对提供羟基桥的氨基酸相连接( b r i t te ta 1 1 9 9 6 ) 。这个结构模型为假设的水氧化的反应机制提供了基础。位于锰簇和p 6 8 0 之间的次 级电子供体是y z ( d 1 t y r l 6 1 ) ，电子通过y z 由锰簇传递给p 6 8 0 。i ) 2 蛋白上有一个与y - z 对应的酪氨酸y d ( d 2 1 碲1 6 0 ) ，y d 和y z 对称的分布于p s i i 原初电子供体的两侧。两个 色素结合蛋白c p 4 3 和c p 4 7 与d l 和d 2 紧密结合。它们的功能之一是作为一个内周摘光 天线系统，在腔侧表面它们有一个大的亲水l o o p s ( b r i e k e r e ta 1 1 9 9 0 ) 。这些l o o p s 含有 大约1 5 0 ( c p 4 3 ) 和2 0 0 ( c p 4 7 ) 个氨基酸，表观的多肽分子量大约分别为1 6 k d a 和2 2 k d a 。 这样的结构使我们相信这些l o o p s 中的一个或者两个含有整合m n 簇的结构。比如，分离 的缺少c p 4 3 和c p 4 7 的p s i i 复合物将不能放氧。除此之外，在所有类型的放氧生物中都 含有一个亲水的3 3 k d a 蛋白，它可能不直接与锰结合而是作用于锰簇的稳定性，因为在 兰细菌中编码这个组分的p s b o 基因被删除并没有阻止水的氧化过程( m a y e se ta 1 1 9 9 1 ； p h i l b r i c ke ta 1 1 9 9 1 ) 。这也可能是3 3 k d a 蛋白，以及p s i i 的其它外周蛋白，它们通过对 c p 4 3 和c p 4 7 的外在l o o p s 的构型的影响而非直接与锰簇相互作用来稳定锰簇。目前有2 5 个编码p s i i 核心蛋白的基因被鉴定出，在高等植物和藻类中，这些基因的大多数是位于叶 绿体的基因组。另外一些由核基因编码。还有一些是编码一系歹l j 叶绿素a f a 的结合蛋白的 7 兰州大学博士学位论文 c a b 基因，p s b 蛋白组成p s i i 的核心，与由l h c b 蛋白组成的外在天线系统紧密联系。几乎 在所有的自养生物中，除了一些在亚基含量上的微小差异以外，p s i i 的核心的基本结构是 保守的。p s i i 核心的二聚体形式是最稳定的状态，它的分子量大约4 5 0 k d a ( h a n k a m e re t a 1 1 9 9 6 ) 。已鉴定的p s i i 的蛋白见表l 。 表1 p s i i 主要蛋白亚基 t a b l e1 t h es u b t m i t so f p s i i g e n e p r o t e i n m r * ( m a h d i 蛐毋f u n c t i o n s o u r c e p s b p s b 嚣 d l c p 4 7 p s b c c p 4 3 p s b d p s b e p s b f p s b 抒 p s b l 俨6 j p 嚣b k p s b l p s b n p s b 0 d 2 c y tb 5 5 9 u c y tb 5 踯 p s b h p 幽l p s b j p s b k p 5 b l p s b n o e c l p , b p o e c 2 秽b q o e c 3 p s b r 弹b s p s br p s b 矽 p s b r n ；b s p s b t c p s b w 3 9 a ( 3 9 3 9 4 5 t 舢 7 8 l 4 2 ( 4 - s ) 4 0 ( 4 4 3 ( 3 5 l 4 5 够) 4 。7 m 1 ) 2 7 。0 ( 3 3 1 2 0 2 ( 2 3 ) 1 6 9 1 7 ) 1 0 2 ( t 0 ) 2 i 。7 ( 2 2 1 3 。8 5 9 6 1 ) 5 1 l l i o l o l 0 o o 0 0 r 1 | r e a c t i o nc e n t e r ( r e c m a - b i n d i n gr c a n t e n n a c m a b i n c t i n gr c a n t e n n a 、r e a c t i o n c e n t e r p h 埔晖啊峨c 畦 p h o t o p r o o 嘲i o n l i g h t - d e p e n d e n t p h e s p h c m r y l a t i o n u n k n o w n s t a b i l i z a t i o no f a s s e m b l y u n k n o w n r e g u l a t i o no f t h e p 6 8 0 + r e d u c t i o n u i l k n o w n r e g u l a t eo x y g e n - e v o l u t i o n r e g u l a t eo x y g e n - e v o i u t i o n r e g u l a t eo x y g e n - 群o l u t i o n r e g u l a t i o no f l a t e r a l i a i c a t i kt i g h t h a r v e s t i n g p s 8 a j 撙o l p s b b s p i o l p s 丑 c 墨p l o l p s b d - s p i o l p s b e s 掰o l p s 8 f - o r y s a p s b h r y s a s o p s b i a 麓 p s b j _ m a i z e c h s o p s b k 鹱 p s b 乙- o r y s a p s 搠q 卫r y s a p s b ow h e ，( r p s b p s p 量d l p s b q c h l r e p s b s p l 0 l p s b s j p l 现 p r o t e c t i o n o f g r o w t h p s b t s p l o l c o n t r o lo f t h ea s s e m b l y s o r n a p i l p 甄 a n da c c u m u l a t i o n p s b x p s b x4 1iu n k n o w n ( 6 9 a ) 8 5 6 6 ，) ) 2 7 3 3 4 4 ( ( 名0 墨 粥瓤 飘 兰州大学博士学位论文 2 1 主要的p s i i 蛋白组分简介 2 1 1p s i i 反应中心d 1 和d 2 蛋白 在p s i i 的中心是光化学反应中心( r c ) ，它由d 1 和d 2 蛋白组成( b a r b e r e t a t 1 9 8 7 ； n a n b a e t a l 1 9 8 7 ；t a n ge t a l 1 9 9 0 ) 。在高等植物中这些蛋白是高度保守的，在成熟加工前 都含有3 5 3 个氨基酸( e r i c k s o n e ta 1 1 9 9 2 ；s a t o he ta 1 1 9 9 3 ) 。成熟的d 1 和d 2 蛋白的分子 量分别为3 8k d a 和3 9 4k d a 。据报道在高等植物中这两个蛋白的n 末端残基都可以被可 逆的磷酸化( m i c h e le ta 1 1 9 8 8 ；t a k a h a s h ie ta 1 1 9 9 4 ；n i x o ne ta 1 1 9 9 2 ；s a t o he ta 1 1 9 9 3 ) 。 这两个亚基预测都含有5 个跨膜d 螺旋( b a r b e re ta i 1 9 8 7 a ；m i c h e le ta l ，1 9 8 8 ；s a t o he ta 1 1 9 9 3 ) ，n 末端暴露在膜的基质侧表面( m i c h e le ta 1 1 9 8 8 ) ( 图3 ) 。d l 和d 2 蛋白与紫细 图3 d 1 、d 2 、c p 4 3 和c p 4 7 在膜上的跨膜模式图 f i g3 t h em o d e lo f t r a n s m e m b r a n eo f d l 。d 2 ，c p 4 3a n dc p 4 7 菌的反应中心的l 和m 亚基有1 5 的序列同源性( b a r b e re ta 1 1 9 8 7 a ；m i c h e le ta 1 1 9 8 8 ； s a o he ta 1 1 9 9 3 ) 。尽管同源性的水平不高，但是保守的氨基酸主要是光化学活性辅助因子 如( 锰簇，p 6 8 0 ，p h e o ，q a ，q b 和叶绿素分子等) 的结合位点( b a r b e r e t a l 1 9 8 7 a ；m i c h e l e t a l 1 9 8 8 ；s a t o h e t8 1 1 9 9 3 ) 。因此紫细菌的反应中心的结构模型对于分析d l 和d 2 蛋白的 辅助因子的定位是很有帮助的。4 个m n 原子形成的m n 簇定位于d l 和d 2 蛋白的腔侧表 面。反应中心叶绿素分子p 6 8 0 和去镁叶绿素p h e o 位于类囊体膜中间，q 和q b 位于基质 侧。d 1 蛋白有两个重要的特征；1 ) 它结合主要的辅助因子参与p s i i 的电子传递；2 ) 它 的周转比任何其它的类囊体膜蛋白都快( m a t t o oe ta 1 1 9 8 4 ) 。这个明显的特征与p s u 对光 诱导的破坏非常敏感相关联( b a r b e r a n d a n d e r s o n1 9 9 2 ) 。这个破坏导致光抑制和光合作用 效率的降低。d 1 蛋白的降解，合成和重新组装到复合物是p s i 的动态平衡的一个非常重 要的方面，因此得到了大量的研究( a n d e r s s o na n da r o1 9 9 7 ；a r oe ta 1 1 9 9 3 ) 。与d l 蛋白 相比，d 2 蛋白结合的活性辅助因子相对少些，它还含有非活性的辅助因子。d 2 蛋白可能 通过d 2 - h i s l 9 8 与p 6 8 0 连接，但是与( h 的结合至少需要t h r 2 1 8 ，p h e 2 5 3 和t r p 2 5 4 参 9 兰州大学博士学位论文 与( m i c h e la n dd e i s e n h o f e r , 1 9 8 8 ) 。正常情况下d 2 蛋白不能快速的周转，但是在光抑制条 件下它也发生周转( s c h u s t e r e t a l 1 9 8 8 ) 。 2 1 2 内周天线蛋白c p 4 7 和c p 4 3 c p 4 7 和c p 4 3 是p s i i 的两个最大的亚基，它们与反应中心紧密联系形成核心复合物的 内周天线。c p 4 7 是叶绿素结合蛋白，结合有大约1 5 个叶绿素a 和3 个b 胡萝卜素。成熟 的c p 4 7 蛋白是高度保守的，其预测分子量大约5 6 k d a 。c p 4 7 含有6 个区，n - 和c 末端暴 露在基质侧( b r i e k e re ta 1 1 9 9 0 ) 在c p 4 7 的第5 和第6 跨膜螺旋之间在腔侧形成一个大 的l o o p ，含有大约2 0 0 个氨基酸( 图3 ) 。它含有1 4 个保守的组氨酸，其中1 2 个位于预 测的跨膜区域，是主要的色素配体( b r i c k e re ta 1 1 9 9 0 ；s h e ne ta 1 1 9 9 3 ) 。这些色素形成反 应中心的核心捕光系统，但是大的腔侧l o o p 可能直接或者间接作用于水的氧化反应。删除 p s b b 基因以及一个广泛范围的定点突变研究表明c p 4 7 不仅对p s h 的组装和功能非常重 要，而且对光自养生长也是绝对必要的( v e r m a a se ta 1 1 9 8 6 。1 9 8 8 ) 。 成熟的c p 4 3 蛋白含有大约4 7 0 个氨基酸，分子量接近5 0 k d a 。它在许多方面与c p 4 7 相似：有6 个跨膜区，含有相当数量的保守组氨酸残基，结合大约同样水平的色素和胡萝 卜素，在第5 和第6 跨膜区之间有一个大的腔侧l o o p ，大约含有1 5 0 个氨基酸。它在两个 主要方面与c p 4 7 存在差异。1 ) 在高等植物中其n 末端苏氨酸能被可逆的磷酸化( m i c h e l c t a l 1 9 8 8 ) ；2 ) 与p s i i 反应中心的联系更弱，能够从分离的核心中移除形成c p 4 7 r c 复 合物( d e k k e re ta 1 1 9 9 0 ；g h a n o t a k i se ta 1 1 9 8 9 ) 。尽管有这些差异，c p 4 3 也象它的对应部 分c p 4 7 一样，作为p s i i 核心的天线，它的出现看上去也有助于稳定水的裂解活性。另外， 删除p s b c 基因和对其迸行修改能对p s i i 的组装和水氧化功能产生严重的影响。然而，它 的影响没有p s b b 蛋白严重。例如，在蓝细菌s y n e c h o e y s t i s6 8 0 3 中删除p s b c 基因并不完 全终止p s i i 的组装，尽管放氧活性和光自养生长被抑制( c a r p e n t e r e t a l 1 9 9 8 ，r o g n e r e ta 1 1 9 9 1 ) 。 2 1 3 放氧复合物( o e c ) p s i i 的一个重要特征是进行水的裂解和放氧。放氧反应发生在位于腔侧的放氧复合物。 四个m n 原子形成的m n 簇是水裂解的反应中心。在高等植物和绿藻中p s b o 蛋白( 3 3 k d a ) ， p s b p 蛋白( 2 3 k d a ) 和p s b q 蛋白( 1 6 k d a ) 共同形成暴露于腔侧的放氧复合物( o e c ) ， 它们与p s i i 的m n 簇紧密结合( a n d e r $ s o ne ta 1 1 9 8 7 ；g h