（光学专业论文）光合作用外周捕光天线中的光动力学过程.pdf

河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 光合作用外周捕光天线中的光动力学过程 摘要 光合作用是自然界中的有机生物吸收太阳光能并将其转化为稳定化学能的重 要途径。光合作用起始于外周捕光天线系统对光能的吸收，之后能量通过高效、 快速的传递过程最终陷获于反应中心，所有这些过程都仅仅发生在几百飞秒到几 十皮秒时间范围内。对其中的超快能量传递途径及相关的机制的研究是近年来光 合作用研究领域的大热点。本论文主要利用飞秒泵浦探测光谱技术对高等植物 外周捕光天线复合体l h c i i 、紫细菌外周捕光天线复合体l h 2 - r s 6 0 l 及其突变体 l h 2 一g m 3 0 9 中的超快光动力学过程进行了研究，所得到的主要结果如下， l _ 在绿色植物中分离出的l h c i i 中，不同色素之间及同种色素的激子态之间存在 着快速高效的能量传递过程，利用飞秒泵浦探测光谱技术观测到单体内c h lb 到其邻近的c h la 之间的能量传递发生在2 0 0 3 0 0f s 时域，其作用机制符合 f o r s t e r 传递理论；而单体内c h la 的激子带间的能量弛豫过程发生在几百飞秒 时间尺度；同时，还观察到不同单体内c h la 分子之间的能量平衡过程，该过 程发生在几个皮秒的时间范围，而大于5 0p s 的过程则源于不同聚集体中c h la 分子之间的能量平衡过程或分子的构象变化。 2 利用飞秒泵浦探测技术研究了紫细菌r 矗印 口口o f 出s 卯外周捕光天线l 王 2 中的能量传递过程，通过改变不同的激发和探测波长，实验上观察到b 8 0 0 到 b 8 5 0 之间存在的快速能量传递，能量传递时间在几百个飞秒的时间范围。然而， f o r s t e r 理论预算的结果则长于实验得到的时间常数，在b 8 0 0 吸收带的蓝侧和 红侧激发时都发现了其间的能量传递速率随着激发波长的蓝红移而增加的现 象，考虑到在b 8 0 0 吸收带中包含着b 8 5 0 激子带的吸收贡献，在b 8 0 0 两侧激 发时由于b 8 0 0 吸收的贡献相对减小，而由b 8 5 0 上激子带直接激发对信号的贡 献有所增加，这些动力学过程表现为b 8 0 0 和b 8 5 0 同时被激发并伴有b 8 0 0 到 b 8 5 0 之间的能量传递等复杂过程。实验中所观察到的一个慢的吸收恢复过程， 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 反映了能量从b 8 0 0 传递到b 8 5 0 之后引起的b 8 5 0 的激发态吸收。结合不同激发 波长情况下的动力学实验结果，可以看出b 8 0 0 激发态和b 8 5 0 上激子态之间存 在高效的能量传递，而在不同波长激发b 8 5 0 下所观察到的约2 0 0f s 的快速漂白 衰减过程，反映了b 8 5 0 双激子带上所经历的粒子数布居和退布居的动力学过 程，同时上激子态在较大的光谱范围内有较大的吸收截面，而且b 8 5 0 具有双激 子带能级结构。 3 利用定点突变技术把l h 2 - r s 6 0 l 中类胡萝h 素共轭双键的个数由十个变为九 个得到的突变体l h 2 一g m 3 0 9 ，采用飞秒泵浦探测技术研究了u 也g m 3 0 9 中的 动力学过程。突变使类胡萝p 素的位能升高，导致吸收蓝移了近2 0 n m ，使得 b 8 0 0 到b 8 5 0 的能量传递速率降低。实验结果表明，在8 0 0n m 激发时其中的传 递速率从0 6 1p s 降低到o 8 8 p s ，8 1 5 m 激发时从0 5p s 降低到0 5 4p s 。可以看出， 由于类胡萝h 素作为一种能量介体，其位能的升高导致能量给体b 8 0 0 与介体间 的能级间隔增大，减缓了b 8 0 0 到b 8 5 0 之间的能量传递。虽然类胡萝h 素的化 学环境改变并未影响b c h l 的电子跃迁，但是它有可能对b 8 5 0 位点产生比较显 著的影响，导致b 8 5 0 激子态之间的能量重新分布包括逆向的能量传递过程有所 增快。 总之，本课题主要利用飞秒泵浦探测光谱技术研究了高等植物、紫细菌及其 突变体中外周捕光天线的超快光动力学过程，所获得的部分结果对于人们深入理 解外周捕光天线中的超快光物理和光化学机制具有重要的意义。 关键词：光合作用，能量传递，泵浦探测，飞秒动力学 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 d y n a m i c s i np e r i p h e r a il i g h t h a r v e s t i n go f p h o t o s y n t h e s i s a b s t l a c t 1 1 1 ep h o t o s y n t h e s i si st l l em o s ti i l l p o r t a n ta n dh i 曲e s te m c i e n tp h o t o c h e m i c a l p r o c e s sf b u n di 工lp h o t o s y n t h e t i co 唱a n i s m si nt h en a t l l r e t h ep r o c e s so fp h o t o s ”t 1 1 e s i s o r i g i i l si n 也ec a p t 【i r eo fl i g h te n e r g y ，a n de n e 唱yi sc 印t l i r e db yt h er e a c t j o nc e n t e rv j a u l 仃a f a s ta n dh i 曲e m c i e n tt r a n s f c rp r o c e s s e s ，a l lt h e s ep r o c e s s e sw h i c ha l i t a k ep l a c ei l l t h et e n s p i c o s e c o n d o r s u b p i c o s e c o n dt i i n er e g i o n t h es t l l d yo np a 山w a y sa n d p h o t o p h y s i c a l p h o t o c h e m i c a lm e c h a n i s m so fu l 仃a f a s te n e 唱y 仃a n s f e rh a sb e e n a t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n 丘o mt h ee x p e r i m e n t a la i l dm e o r e t i c a is c i e n t i s t s ，a n di ti sa l s o a nj l p o n a l l ts u b j e c to fr e s e a r c h e r s 丹0 mp h y s i c s jc h e m i s t i ya 1 1 d b i o l o 黜h 1t h i st h e s i s ， w es t u d i e dt h e p h o t o i n d u c e du l 廿a 风t d y n 眦i c st a k i n gp l a c e i 1 1 p 甜p h e r a l i i 曲t h 螂e s t 咄c o m p l e xl h c i i 丹0 mh 鼬p l 姐t ，t h ep e r i p h e m ll i 曲th a r v e s t i n ga n t e i l l l a l h 2 丘o mp u r p l e b a c t e r i a 尺6 印南删加f d 矗6 d j ( l h 2 一r s 6 0 1 ) a n d i t sm u t a t i o n l h 2 _ g m 3 0 9b yu s i n gu l 昀f a s ts p e c t r o s c o p i ct e c l l l l i q u e s 1 1 l er e s u l t so b t a i n e di no l l r e x p e r i m e n t sc a nb ec o n c l u d e da sf b l l o w s ， 1 ht h eu c i i i s o l a t e d 丘o m g r e e np l a n t ，t l l e r ee x i s t su l t r a f a s te n e r g yt r a i l s f e rp r o c e s s e s b e 撕e e nt 1 1 ee l e c 廿0 n i cs t a t e so fd i 舵r e n tc h l o r o p h y l l s ( c h l 口a n dc h l6 ) i n v 0 1 v e da n d a i s oa m o n gt h ee x c i t o n i cs t a t e so fc h l 口nw a so b s e r v e d 丘o mo u rf e m t o s e c o n d p u m p p r o b ee x p e r i m e n t st h a tt 1 1 ep r o c e s so fe n e 唱yr e i a x a t i o n 丘d mc h l6t oi t s n e i 曲b o r i n gc h l 口i n 血em o n o l l n i to fl h c i it a k e sp l a c ei n2 0 0 3 0 0f st i m er e g i o n ， w h i c hc a nb ei n t e r p r e 把dw i mm ec o n v e n t i o n a lf o r s t e re x c i t a t i o nt m n s f e rm e c h a n i s m ， o nt h eo 也e rh a i l d ，恤ee x c i t a t i o nr e l a x a t i o nb e t w e e at h ee x c “o n i cs t a t e so f c h i 口i so f s u b p i c o s e c o n dt i m es c a l e ka d d i t i o n ，t 1 1 ee n e 珊7e q u i l i b r i u i np r o c e s so fi 1 1 t e n n o - 1 e c u i a ri nc h l 口w a sa l s o0 b s e e dw h i c h h 印p e n s i ns e v e r a lp i c o s e c o n d s i i 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 f u n h e m o r e ，m eo b t a m e dd e c a yc o m p o n e mw i t hm el i f e t i i i l eu pt o5 0p sc o u l db e a s s i 肛e dt oe n e r g ye q u i l i b r i u mp r o c e s so f c h lai nd i 船r e n ta g g r e g a t e so r 血ec h a n g e 0 f m 0 1 e c u l a rc o n f b m l a t i o n 2 p h o t o d y n 锄i c so fp e r i p h e r a ia n t e n n ac o m p i e x e sl 也o fr 仃印五日即。f 如卯，w a s s t u d i e db yu s i n gf e m t o s e c o n dp l l m p - p r o b et e c l l i q u ea td i f k r e n te x c i t e dw a v e l e n g c l l 1 h e r ee x i s t su l 仃a 陆te n e r g y 行a n s f e r 劬mb 8 0 0t ob 8 5 0 ，a n dt h et i m ec o n s t 趾tf o r e n e 唱y 仃a i l s f e ri sh 1 】1 1 d r e d sf c m t o s e c o n d s ，w h i l et h ee x p e r i m e n t a l l yd e t e 眦i n e dr a t e i sf 如t e rt h a nt h o s ep r e d i c t e db yf o s t e rm e c h a n i s m t h em t eo fe n e r g y 仃a n s f e r j n c r e a s e sw i t hc h eb i u e r e d - s h i 盘e de x c i t a “o nw a v e i c n g t hi nt 置1 eb i u ea 1 1 dr e ds i d e so f b 8 0 0 sa b s o r p t i o nb a n d t h i sd i s c r e p a i l c yi sa c 仃i b u t e dt ot h a tt h e r ei sb 8 5 0 s a b s o r p t i o na i l dt h ed e c r e a s i l l go fb 8 0 0 sa b s o r p t i o nr o u n db 8 0 0 sa b s o i p t i o nb a i l d 1 h eo b t a i n e dd y a l i c sb e h a v e st h eb 8 0 0a n db 8 5 0 孤ee x c i t e ds i m u l t 趾e o u s l yi na b r o a db a t l dr e g i o n 1 1 1 eo b s e r v e dlp sa b s o r p t i o np r o c e s sc o u l db ea s 嘶b e dt ob 8 5 0 s e x c j t e ds t a t ea b s o 巾“o nd u et ot h ee n e 唱yt r 锄s f e r 疗d mb 8 0 0t 0b 8 5 0 w i f ht h e e x c i t a t i o nw a v e l e n g ma tt h eb l u es i d eo f b 8 5 0 ，i h e r ei sa ni n d i c a t i o no f t h ee x i s t e n c e o f u l t r a f a s t 姐dh i 曲l ye f f i c i e n te n e r g yt r a 工l s f e r b e t 、v e e nm ee x c i t e ds t a t eo f b 8 0 0a 1 1 d t h eu p p e re x c i t o n i cs t a t e so fb 8 5 0 t h er e s u i t s c l e a r i yd e m o n s 打a t e da i le x t i n c t c o m p e t i t i o nb e t w e e nt 1 1 eb l e a c h i n go f 掣o u n ds t a i eo fb 8 0 0o rb 8 5 0a n de x c j t e ds t a t e a b s o r p t i o no fb 8 5 0 a d d i t i o n a l l y ，t h eu p p e re x c i t o n i cs t a t eh a sab i ga b s o r p t i o n s e c t i o ni naw i d es p e c t r ar e g i o n ，i m p l i n gap o s s i b l ed o u b l ee x c j t o n j cs t m c t u r ei n b 8 5 0 血g 3 t h ed y n a m i c so fl h 2 - g m 3 0 9w e r es t i l d i e db y u s i n gf b m t o s e c o n dp u m p - p r o b e t e c h n i q u e t h e r ea r en i n ec o n j u g a t e dd o u b l eb o n d si ng m 3 0 9 ，i nc o n t r a s tt ot e n b o n d si nn a n v er s 6 0 1 t h ea b s o i p t i o nb a n do fc a r o t e n o i ds h o w s 2 0m b l u e s h i f e di ng m 3 0 9c o m p a r e dw i c ht h a ti nr s 6 0 1 a se x p e c t e d ，1 er a t eo f e n e 唱yt r a n s f e rf r o mb 8 0 0t o b 8 5 0w a sd e c r e a s e d i nn a t i v e c o m p l e xe n e 唱y 塑重查堂堂兰主、业! ! 丝丝堡主堡苎 一一 仃a 1 1 s f e r 舶mb 8 0 0t ob 8 5 0t a k e sp l a c ea r o u n d0 6 1p sa t8 0 0me x c i t a t i o n ，a 1 1 di t w a ss l o w e dd o w nt o0 8 8p si ng m 3 0 9 s i m i l a r l y iu p o nt h ee x c i t a t i o na t8 1 5 珊，m e t i l i l ec o n s t a n tf o re n e 曜yt r a l l s f 打i s0 5p si ng m 3 0 9a i l d0 5 4p si i lr s 6 0 1 ， r e s 口e c t i v e l v 皿i so b s e r v e dr e s u l t si d i c a t et h ee l e c 打o n i cs n l l c t t l r eo fc a r o t e n o i d c o n n e c t e db 8 0 0a n db 8 5 0a f f e c t st h ee n e r g y 廿a n s f e r 劬mb 8 0 0t ob 8 5 0 ，p r o b a b l y b yi 1 1 c r e a s i i l gt h ei n t e r v a le n e r g yb e 伽e e nb 8 0 0a n d c a r o t e n o i d m c o n c l u s i o n ，w es m d i e dt h ep h o t o d y n a m i c si nt l l ep i g m e n t - p m t e i nc o m p l e x e so f p h o t o s y n t h e t i cp r i m a r yr e a c t i o nb yu s i n gu l t r a f a s tp u m p p r o b es p e c 仃o s c o p i ct e c h n i q u e s t h er e s u l t so b t a i l l e dh a v es i g m c a n c ef 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 mi p h o t o s y n t h e s i s ns h o u l db ep o i l l t e dm a tm o r ee x p e r i m e n t a la n dm e o r e t i c a lw o r ki s n e e d e dt oe l u c i d a t et h er e l a t i o n s h i db e t w e e ns t m c n l r ea n df l l n c t i o n k e y w o r d ：p h o t o s y n t h e s i s ，e n e r g yt r a n s f e r ，p 啪p p r o b e ，f e m t o s e c o n dd y n 锄i c 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 第一章绪论 1 1 光合作用简述 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。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，因为它涵养了所有生命体”。生命依赖光合作用，这是使 太阳能转变成化学能和碳水化合物作为能量存储的反应。它是地球上一个规模巨 大的生命活动过程，其直接或间接产物是人类和其它动物的粮食与地球上的能量 来源，是一切生命生存、繁衍和发展的根本源泉。光合作用能把无机物变为有机 物，与此同时，它把太阳能转变为化学能并储藏在形成的有机化合物中。光合作 用具有环境保护的作用，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。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 远古时代生物光合作用的产物。概括的说，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、繁衍和发展有非常重要的意义。研究光合作 用不仅在农业、能源和环境领域具有重大意义，而且在太阳能电池、电子器件、 医药等领域中也存在着巨大的潜在应用价值。因此，光合作用一直是自然科学研 究的核心课题之一【l 】。 早在大约2 5 亿年前，在古老的地球上，细菌就开始进行最初的光合作用【2 】。经 过漫长的进化过程，植物、藻类和一些细菌都形成了自己独一无二、分工明确的 光合作用功能体。虽然不同光合作用功能体的光合作用过程有一定差异，但其主 要过程都是类似的，太阳光被光合捕光天线( 包括外周天线和核天线) 捕获，传 递给反应中心，在反应中心实现原初电荷分离，完成光能到化学能的转换，最终 能量以能被细胞利用的形式储存起来。其中的能量传递及转换效率在9 5 以上， 其中能量传递及电子传递过程大都是发生在皮秒甚至飞秒量级的超快过程，可以 说光合作用最大的特点就是高效、快速，前者激励人们努力揭示其实质，后者却 给该过程的认识带来了很大困难。上世纪8 0 年代中期飞秒激光器的诞生及其后来 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 多种飞秒测量技术的发展，使研究这样的超快能量传递和电荷转移过程成为可能。 目前超快手段的研究已经遍及高等植物、菌类和藻类等有机生物体的捕光天线系 统和反应中心。由于紫细菌只有一个反应中心，结构相对简单，而且其天线复合 物和反应中心的晶体结构确定得比较早，因此，紫细菌光合作用复合体成为人们 研究、认识光合作用超快物理和化学过程的切入点。加上目前跨学科科学特别是 跨生命科学研究的新趋势，越来越多的原来从事物理、化学等的研究人员开始涉 足该交叉领域。然而，目前有关原初反应中所涉及的超快能量及电子传递的物理 化学机制尚不十分清楚，不同研究小组和不同实验方法所观测到的结果甚至有比 较大的出入，理论解释也并不统一，仍有大量的实验和理论工作要做。 1 2 光合色素 光合作用是把太阳能转化成为生物化学能的过程，要实现能量的转换，首先需 要有吸收光的物质，这就是光合作用色素。光合作用色素主要包括：叶绿素、类 胡萝b 素和藻胆素三大类。叶绿素( c h l o r o p h y l l s ) 呈现绿色，是光合器官中含量 最多的色素，也是光合作用中最重要的光合色素。所有的光合器官中都含有叶绿 素。已经发现的叶绿素有：叶绿素a 、叶绿素b 、叶绿素c 、叶绿素d 、细菌叶绿素a 、 细菌叶绿素b 。类胡萝h 素( c a r o t e n o i d ) 也是光合作用中的重要器官，一般呈现黄 色、红色或紫色。已经发现的类胡萝h 素有：洳类胡萝h 素、p 一类胡萝h 素、y 类 胡萝h 素、叶黄素、紫质素、岩藻素等。藻胆素呈现蓝色或红色，种类有；藻红 蛋白、藻蓝蛋白、别藻蓝蛋白等。绝大部分叶绿素a ，全部的叶绿素b 及全部的其 他色素分子都具有天线色素的角色，它们只吸收光能并传递激发能。只有很少一 部分叶绿素a 在反应中心内与电荷分离有关。研究表明所有的色素吸收的能量最终 都将转移给叶绿素a ，即只有叶绿素a 具有光化学活性。因此叶绿素a 分子在光合作 用的光化学过程中起着非常重要的作用。叶绿素分子的化学结构和人工合成的研 究工作曾三次获得诺贝尔奖，1 9 6 0 年w o o d w a r d 成功的体外人工合成了叶绿素a ， 因此叶绿素a 的结构得到了完全的确定。在光合作用中，叶绿素分子完成大部分 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 的光能收集，类胡萝h 素主要起到过剩光能的保护作用。在某些海洋生物中，类 胡萝h 素也会参与光能捕获3 1 。 1 2 1叶绿素 光合作用功能体中最多的色素分子就是叶绿素分子。图1 1 给出了叶绿素a 、 叶绿素b 和细菌叶绿素a 的结构示意图及稳态吸收光谱。它们都含有一个极性的 卧啉“头”和一条非极性的、长链的叶绿醇“尾巴”，卟啉头有四个吡咯环和一个镁原 子组成。由图1 给出的吸收光谱看出，这些不同的叶绿索吸收谱中包含不同的特 征吸收峰，它们反映了叶绿素分子内不同的跃迁偶极距。q 。跃迁与q ，跃迁方向垂 直，而且q 跃迁比q ，跃迁具有更高的能量和相对较低的振动强度。在能量更高 的可见区，还有另个更强的跃迁，即叶绿素分子的s o r e t 带跃迁。q 。跃迁和s o r e t 带跃迁都具有很短的激发态寿命，通过内转换一般在1 0 0f s 的时间内可以传递到 q ，带。对于q 。带来说他的激发态寿命较长，一般都在纳秒时间范围内，所以几乎 所有的在叶绿素分子之间的激发能传递过程都将通过它们之间的q ，带相互作用而 进行。 与叶绿素a 和叶绿素b 不同，细菌叶绿素a 分子的分子结构在5 个碳环中少了一 个共轭双键。这个区别使得细菌叶绿素a 分子产生了较大的激发态能量的移动： 叶绿素溶液的吸收光谱与溶剂有关，不同的溶剂其吸收光谱虽然相似但仍有些不 同，由于溶剂分子与叶绿素分子的相互作用与溶剂分子的种类有关，因此不同溶 剂中的叶绿素分子的能级不完全相同，从而导致了叶绿素分子的吸收谱有所不同。 图1 中所示吸收谱为叶绿素分子在甲醇中的吸收谱，对于细菌叶绿素a ，其q ，吸收 在7 8 0 蛳附近，而叶绿素a 和叶绿素b 分子q ，带的吸收分别在6 6 5n m 和6 4 5 脚。然 而不管是细菌叶绿素还是叶绿素，它们的q x 带和s o r e t 带都基本处在5 5 0n m 6 0 0 n m 和4 0 0n m ，4 8 0 啪。在自然条件下，这几种叶绿素分子q ，带的能级差别会有所 增强。对于所有的叶绿素分子，它们与周边蛋白的相互作用会产生吸收谱的红移， 但是红移的程度都有所不同。几乎所有蛋白内钓的叶绿素分子的吸收峰波长都小 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 图1 1叶绿素a ，b 和细菌叶绿素a 的分子结构示意图及稳态吸收光谱 于6 8 0n m ，这反映的是氧化水的能量强度，但是对于细菌天线复合体则不需要这 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 样高的激发能量，而且与自由的细菌叶绿素相比细菌天线内的细菌叶绿素将红移 约1 0 0 岫，造成这样大的红移不但与色素色素之间的相互作用有关，而且还与色 素蛋白之间的相互作用特别是氢键的形成有关【4 】。这些相互作用在紫细菌天线表 现得很强主要是因为紫细菌天线系统的构成具有良好的有序性以及色素的紧密排 列，这些特点使得细菌叶绿素可以最大程度的吸收入射光以及以最快的速度进行 能量传递。 1 2 2 类胡萝f 、素 类胡萝h 素也是光合作用器官中重要的光合色素。其基本骨架是一条共轭多 烯链，属于c ：h 对称。类胡萝h 素的功能至少有三个 5 一：一是捕获光的功能，可 以吸收从蓝到绿( 4 0 0n m 5 5 0m ) 范围的光，并很快通过b c h l 传递到反应中心。 二是通过淬灭三线态的b c h l 和单线态氧的形成进而实现光保护功能。 b c h i + h v ，1 b c h l 4 1 b c h l + + h v 一3 b c h l + 3 b c h l + + 0 2 + b c h l + 1 9 0 2 3 b c h po r1 9 0 2 4 + c a r o t e n o i d b c h lo r0 2 + 3 c a r o t e n o i d + 3 c a r o t e n o i 扩c a r o t e n o i d + h e a t 三是稳定与其相关的色素和蛋白结构的功能。 图1 2 给出了紫细菌光合作用功能体中两种不同的类胡萝h 素分子的结构示意 图及其稳态吸收谱。理论和实验研究表明，类胡萝 素的第一激发态s l 是光学禁阻 的，寿命分布于1 1 0 p s 之间，与类胡萝h 素链长有关【。第二激发态s 2 是光学跃迁 允许态，寿命大约为l o 1 p s 吼类胡萝h 素吸收位于3 8 0 5 5 0n m 范围之间的光，然 后再由s 1 态向叶绿素的q ，带传递能量，s 2 态向叶绿素的q x 带传递能量1 。由于s 1 态光学违禁性质，类胡萝h 素的强吸收主要是s 2 激发态跃迁引起的，能量被吸收后 通过不超过2 0 0f s 的快速内转换弛豫到s l 态，s 。态的能量再由个皮秒量级的内转 换弛豫到基态0 j 。 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 研究表明在类胡萝h 素缺失的情况下光合作用蛋自不可能聚合，这就说明了 类胡萝h 素分子对于光合作用功能体的形成及结构稳定都起着重要的作用 1 i 。 图1 2 类胡萝1 、紊s p h e m i d e n e 和n e u r o s p o r e n e 结构 示意图及稳态吸收谱 1 3紫细菌外周捕光天线( 1 i 曲t - h a r v e s t i n g ) l h 2 为了保证光合作用过程能快速、高效地实现能量及电子传递并确保对有机生物 体最小的损伤，光合作用功能体中的色素及蛋白的位置和取向都有极为精巧的安 排。通常，色素的结合蛋白多是疏水膜蛋白，这也曾经妨碍了人们对这些复合体 晶体结构的获取，因为膜蛋白不容易形成很有序的晶体结构，再加上结构的确定 也需要高分辨的x 一光衍射手段；所以直到8 0 年代后期，人们才获得了紫细菌反应 中心蛋白复合体晶体结构，为此，德国的h a n m u t m i c h e l 和j o h a i h l d e i s e n h o f e r 获 得了诺贝尔化学奖；之后，各种反应中心和捕光天线蛋白复合体的晶体结构分别 被确定1 2 ，1 3 】，这极大地促进了有关光合作用原初过程中能量传递机制的研究，再 加上飞秒光谱学技术的日臻成熟，为研究其中的各种光动力学过程提供了重要的 分子生物学技术基础。 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 图1 - 3紫细菌光合作用功能体的结构示意图 图1 3 给出了紫细菌光合作用功能体的结构示意图，从图中可以看出，l h 2 分 布在l h l 周围。在紫细菌光合作用功能体中主要色素为细菌叶绿素( b a c t e r i o c h l o r 叩h y l l 舶) ( 简称b c h i ) 和类胡萝h 素( c a r o t e n o i d ) 。这些色素以非共价键形式 镶嵌在膜蛋白上，从而形成了天线复合体( l i 曲t - h a n ，e s t i n gc o m p l e x ，包括外周天线 l h 2 和核天线l h l ) 和反应中心复合体( r e a c t i o n c e n t e r ) 1 1 5 ，16 1 。c o g d e l l 等人晶体结 构研究揭示，不同菌株紫细菌的l h 2 有非常相似的晶体结构。 1 9 9 5 年，r i c h a r dc o g d e l l 等人成功的得到红假单胞菌分辨率为2 5 a 的x 一射线晶 体结构【1 3 。 图1 4 、1 5 分别给出了紫细菌外周捕光天线l h 2 中色素的空间排列结构示意图、 紫细菌外周捕光天线l h 2 中色素重复亚单元的结构示意图、紫细菌外周捕光天线 l h 2 的稳态吸收谱。 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 图1 4 紫细菌外周捕光天线l 舷中色素的空间排列结构示意图以及 色素重复亚单元结构示意图 c o d e i i 等人的晶体结 构揭示，紫细菌的u 也是 由9 个叶和6 一脱辅基蛋白跨 膜螺旋构成的双层空心柱 面体结构，其中叶脱辅基 蛋白跨膜螺旋构成的小环 体套于b 脱辅基蛋白跨膜 螺旋构成的大环体中。由 * 脱辅基蛋白跨膜螺旋构 成的内环直径为3 6m ；b 脱辅基蛋白跨膜螺旋构成 图1 5紫细菌外周捕光天线l h 2 的稳态吸收谱 的外环直径为6 8n m ，具有c 9 对称性。2 7 个细菌叶绿素a ( b c h la ) 分为两组，其 中的一组含有1 8 个b c h la ，形成相互作用的环状结构，其红外吸收带位于8 5 0n m 附近，通常将这部分b c h l 分子称为b 8 5 0 。1 8 个b 8 5 0 的b c h la 分子介于a 并d - 脱辅 基蛋白跨膜螺旋之间，由组氨基残基支撑，其卟啉环面平行于天线蛋白的膜表面。 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 b 8 5 0 环的中心距离设想的外周胞质膜的距离约1 姗。b 8 5 0 环上的每个b c h la 分子 所处的蛋白环境并不完全一样，可以分成9 对，每对b c h la 之间两个镁原子之间的 距离为o 8 7 啪；相邻对间两个镁原子之间的距离是0 9 7n m 。另外b 8 5 0 和b b 8 5 0 的醇链构象也不完全一样，前者表现为轻微的展开，而后者则呈现为弯曲状以实 现与b 8 0 0 b c h l 分子的醇链及近邻a 一脱辅基蛋白的有机结合。另一组含9 个b c h la 分子，分别夹在9 个b 脱辅基蛋白跨膜螺旋之间，由于这些b c h la 分子的近红外吸 收带位于8 0 0n m 附近，通常将这部分b c h l 分子简称为b 8 0 0 。与b 8 5 0 环上的b c h la 分子相比，b 8 0 0 中的b c h la 更加深入膜内，为1 6 5 姗。b c h la 的卟啉面平行于设 想的细胞质膜面，相距1 1 蛳，两个b 8 0 0 b c h la 与镁原子之间的距离是2 1m 。 b 8 5 0 中的b c h la 和b 8 0 0 中的b c h ia 是通过b 8 5 0 上缠绕着的叶醇链实现相互作用 的。b 8 5 0 环中b c h la 的叶醇链先弯曲，然后取向平行于b 8 0 0 中b c h la 的卟啉环平 面，距离为o 4 m ，足以形成范得瓦尔斯( v e n d e r w a a l s ) 接触。b 8 5 0 和b 8 0 0 中 b c h la 中心镁原子最近的距离是1 7 6n i i l 。每一个c 【哥b 脱辅基蛋白跨膜螺旋组成的 结构单元含有一个类胡萝h 素分子，其伸展结构跨过整个膜蛋白，并与b 8 5 0 和b 8 0 0 中的b c h la 分子形成v a nd e rw a a l s 接触。然而定量实验确定的类胡萝p 素和b c h la 之间的比例应当是1 ：2 【1 7 】。最近c o g d e l l 等人在1 0 0 k 下做到2 oa 分辨率的 印s 口c 珊矽矗妇的晶体结构，他们发现每个结构单元上确实含有第二个类胡萝b 素 分子 1 8 。当然不同的菌种提取的l h 2 的结构也不是完全相同，例如，k o e p k ef 1 ”等 人和m o n t o y a 1 9 等人分别研究愈m d 胁幽f 口 “m 和凰s “圻却 f 肠卅中提取的l h 2 ，都 得出c 8 对称的结构。目前还不清楚为什么有的l h 2 是八聚体而另一些是九聚体，也 不知道这种差异与结构功能有没有因果关系。 b c h l 是一个具有非对称共轭双键的卟啉衍生物，它有q 。( 对于b c h i a 而言， 稳态吸收谱从5 3 0n m 到5 7 5 皿) ，q 。( 对于b c h la 而言稳态吸收从7 0 01 1 1 1 1 到7 7 01 1 1 ) 两个跃迁 2 ”。其偶极矩处于叶绿素平面中且相互垂直。 在光的激发下，不论l h 2 中的b c h l 分子直接还是间接地被激发之后，都将 引起一系列的能量传递过程，包括从q x 态到q y 态之间的能量弛豫，b 8 0 0 分子之 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 问的能量传递，b 8 0 0 到b 8 5 0 分子之间的能量跳越，以及b 8 5 0 环中b c h l 分子之 间的激发能离域过程等，最终能量被传递到核天线系统l 玎以及反应中心r c 。从 l 王 2 的结构不难看出，b 8 0 0 色素间的相互作用很弱，不会产生激子效应，也就是 说b 8 0 0 分子在l h 2 体系中实际上是以类似于单体的形式出现。尽管如此，如果 其发射带和吸收有重叠，其间的能量传递也可能很快。人们观察到，在激发b 8 0 0 的条件下，其激发态动力学过程除了存在到b 8 5 0 的能量传递组份外还存在一个 b 8 0 0 分子间的能量驰豫过程，这一约5 0 0f s 的传递过程首先被h e s s 等观察到川。 后来又在飞秒泵浦一探测及光烧孔等实验中观测到这种可能的能量传递，通常认为 该过程在3 0 0f s 一1p s 范围，并能用f o r s t e r 能量传递理论较好地解释伫2 ，2 4 ”。早期观 察到的b 8 0 0 到b 8 5 0 间的能量传递发生在1p s 或更短的时间。近来的实验表明， 室温下激发能从b 8 0 0 传递到b 8 5 0 分子时间在o 7p s 左右，并在不同类的u 2 体 系( 包括其突变体) 中分别观察到了这一能量传递过程盼2 6 】；该过程表现出比较 弱的温度依赖关系，7 7k 时，其时间常数为lp s 左右，4k 时在1 2 1 4p s 2 7 8 0 9 ，3 0 】。 该能量传递过程也呈现出非相干f o r s t e r 机理的特点，但理论计算结果比实验所观 察的传递时间要长，说明其问可能存在其它的传递过程 2 5 ，叭 。从l h 2 的结构可以 看出，b 8 5 0 分子间存在着强的耦合( 相邻亚基之间约3 0 0 8 0 0 c m 1 ) ，通常需要用 激子模型来描述其中发生的能量传递及激发能离域过程。b 8 5 0 分子所表现出的更 大的吸收红移有可能来自于这种强的激子效应，但也有人提出l h 2 这种光谱的变 化可能来自于邮b c h l 双体内的电荷转移态与双体或环激发态的混合效应，目前尚 无统一结论 3 2 3 3 t 3 4 ”。通常，l h 2 的吸收带存在很不均匀的加宽，约为2 5 0 5 0 0c m ； 另外，电子声子振动耦合也是一个重要的因素。因此，b 8 5 0 分子的激发会引起其 激发能在b 8 5 0 分子激子态之间或整个环间的快速弛豫，有关b 8 5 0 异聚体的激子 能级结构、激子在环间的离域长度及有关能量弛豫的物理机制都成为近来理论和 实验研究的热点 2 2 ，3 5 ，3 6 ，3 7 1 。 外周捕光天线l h 2 在光合作用功能体中起着至关重要的作用，而且对于外周捕 光天线本身的研究也具有很高的实用价值。特别是在光通讯领域，捕光天线l h 2 的 河南大学光学专业2 0 0 2 级硕士论文 结构特性和光能传递特性可以为人们合成光通讯中的光子器( m o l e c u l a ro p t i c a l d e v i c e s ) 提供灵感，通过模拟捕光天线所具有的高效、快速和长程地能量传递特性， 人们可以利用载色体人工合成光子传输器( p h o t o n i cw i r e ) 和光开关( p h o t o s w i c c h ) 等光子器件0 8 3 9 4 0 】。但是，目前l h 2 体系中的能量传递问题仍需要进一步地研究， 诸如类胡萝h 素分子在l 也体系中对b c h l 分子之间能量传递的作用等。 1 4 高等植物外周捕光天线l h c i i 绿色植物的捕光天线系统l h c i i 是地球上所发现的最丰富的色素蛋白复合 体，自然界中它以三聚体为单元并结合了细胞质中近5 0 的叶绿素【4 ”。k u i l l b r a n d t 等人1 9 9 4 年获得了l h c 分辨率为3 4a 的二维晶体结构 4 2 】，研究表明l h c i i 单体含 有7 个c h la 、5 个c h ib 、2 个类胡萝h