（光学专业论文）紫细菌原初反应中外周捕光天线lh2的超快光动力学过程研究.pdf

中文摘要 紫细菌原初反应中外周捕光天线l h 2 的超快光动力学过程研究 业系 垫盟届博士研究生型笠匿 烂专业 指导教师：堡丝教授 中文摘要 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的化学能 的重要途径光合作用功能体中的光能收集系统一外周捕光天线系统 ( 1 i g h t h a r v e s t i n 9 2 ) 主要是以细菌叶绿素分子( b a c t e r i o c h l o r o p h y l l ) 为基 础的有机复合体，其中还包含了类胡萝卜素( c a r o t e n o i d ) 和稳固其结构的蛋白 质分子解析紫细菌外周捕光天线l h 2 的晶体结构发现，在l l 2 中有两层环状排 列的细菌叶绿索分子，根据吸收峰位置分别被称为b 8 0 0 和b 8 5 0 ；l h 2 中的类胡 萝b 素分子跨膜排列于b 8 0 0 环和b 8 5 0 环之间。光合作用的原初反应起始于天线 系统对光能的吸收，能量通过高效、快速的传递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。超快激光光谱学技术的发展 为人们研究原初反应中光诱导的一系列超快过程提供了极为重要的实验手段。同 时，近年来分子生物学、基因工程及点突变技术的快速发展，为人们揭示光合作 用原初反应中的光物理、光化学机制奠定了重要的分子学基础。本论文主要利用 飞秒光谱技术对紫细菌r b s p h a e r o i d e s6 0 1 外周捕光天线复合体l h 2 超快光动 力学过程进行了研究，所得到的主要结果如下， 1 利用从紫细菌r b s p h a e r o i d e s6 0 1 所提取出的外周捕光天线l h 2 一r s 6 0 1 以及其不同p h 值酸化样品( 部分和全部去除b 8 0 0 分子l h 2 ) 并采用不同 波长下的飞秒单色泵浦探测技术详细研究了l h 2 中b 8 0 0 - - b 8 5 0 间和b 8 5 0 内部的能量传递动力学过程。通过对野生型与部分完全去b 8 0 0 分子l h 2 的比较研究，得到如下结论：激发波长小于8 2 0 n m 时，激发b s 0 0 吸收带 所得到的动力学过程包含着光吸收过程( p h o t o a b s o r p t i o n ) 和光漂白过 中文摘要 程( p h o t o b l e a c h i n g ) ，这两个过程分别源自b 8 5 0 上激子带和b 8 0 0 吸收 带的直接激发；激发波长大于8 2 0 n m 时，激发b 8 5 0 吸收带时野生和酸化 样品都表现出了相同的动力学过程，说明去除b 8 0 0 分子对b 8 5 0 带的能量 传递过程没有明显的影响。 2 通过飞秒单色和双色泵浦探测技术研究类胡萝卜素突变对外周捕光天线 l h 2 能量传递过程的影响野生型l h 2 一r s 6 0 1 通过化学突变将原有的包含 十个共轭双键的类胡萝卜素s p h e r o i d e n e 替换成包含九个共轭双键的 n e u r o s p o r e n e 形成了一种新的绿色突变体g m 3 0 9 。通过实验得到如下结 论：突变使l h 2 的类胡萝b 素吸收峰兰移2 0 n m ，导致能量给体( d o n o r ) b s 0 0 和介体( b r i d g e ) 类胡萝h 素之问能级间隔的加宽，使得b 8 0 0 向b 8 5 0 的能量传递速率减小，问时也导致了b 8 5 0 内部的激发能量在传递过程中 的重新分布，但是b 8 5 0 单重态的寿命并未发生改变。 3 利用稳态吸收谱、稳态荧光光谱以及飞秒瞬态吸收谱的光谱电化学技术 ( s p e c t r o e l e c t r o c h e m i s t r y ) ，我们研究了在电化学氧化的影响下l h 2 能量传递过程的变化情况。通过对实验结果的综合分析我们得到如下结 论：电化学氧化曼得l h 2 中b 8 0 0 和b 8 5 0 产生细菌叶绿素阳离子，这些阳 离子导致了l h 2 的稳态吸收蜂发生变化，同时b 8 5 0 的自发辐射荧光也发 生了非常明显的淬灭现象；飞秒泵浦探测结果显示了在氧化过程中b 8 5 0 环内的细菌叶绿素阳离子与未氧化的细菌叶绿素分子之间形成相互竞争 的能量传递通道井快速地弛豫b 8 5 0 环内的激发能量，但是氧化并未影响 到b 8 0 0 向b 8 5 0 的能量传递速率 总之，本课题利用超快光谱技术研究了紫细菌光合作用原初反应中外周捕光 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原初反应中的超 快光物理和光化学机制具有重要的意义。 关键词：光合作用：紫细菌外周捕光天线l h 2 ；能量传递；飞秒泵浦探测。 分类号：0 4 3 7 荚文摘要 t h e s t u d yo fp h o t o i n d u c e du l t r a f a s td y n a m i c s o f p e r i p h e r a ll i g h th a r v e s t i n gc o m p l e x e s ( l h 2 ) i n p r i m a r yp r o c e s so fp u r p l eb a c t e r i ap h o t o s y n t h e s i s d e p a r t m e n t ：p h y s i c s s p e c i a l t y ：o p t i c s s t u d e n tn a m e ：w e i m i nl i ua d v i s o rn a m e ：s h i x i o n gq i a n a b s t r a c t t h ep 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 ta n dh i g h e s te f f i c i e n tp h o t o c h e m i c a l p r o c e s sf o u n di np h o t o s y n t h e t i co r g a n i s m si nt h en a t u r e p e r i p h e r a ll i g h t h a r v e s t i n g c o m p l e x e s ( l m ) ，w h i c hs e r v ea sp i g m e n ta n t e n n at oe f f i c i e n t l ya b s o r bs u n l i g h ta n d t r a n s f e re x c i t a t i o ne n e r g yt or e a c t i o nc e n t e r s ( r c s ) ，a l ei n d i s p e n s a b l ep a r to ft h e p h o t o s y m h e t i eu n i ti np u r p l eb a c t e r i 乱t h eh i g h - r e s o l u t i o nx - r a yc r y s t a ls t r u c t u r e so f l h 2s h o wt h a tn i n em o n o m e r i cb a c t e r i o c h l o m p h y u s ( b c h l s ) w i t h a b s o r p t i o np e a ka t 8 0 0n mf o r mar i n g ，l a b e l e d 龉b 8 0 0 a n de i g h t e e ns t r o n 封yi n t e r a c t i n gb c h l sf o r m b 8 5 0r i n g ，w h i c ha b s o r b sa t8 5 0n l n ，t h ec a r o t e n o i di nl h 2 s p a n st h ee n t i r ew i d t ho f t h em e m b r a n ea n di si nc o n t a c tw i t hb c h la p i g m e n t so ft h eb s 0 0a n db 8 5 0r i n g s t h ep r i m a r yp r o c e s so fp h o t o s y n t h e s i si n v o l v e st h ec a p t u r eo fh g h te n e r g y , e n e r g y t r a n s f e rw h i c ha l lt a k ep l a c ei nt h ep i c o s e c o n do rs u b p i c o s e c o n dt i m er e g i o n t h e d e v e l o p m e n to fu l t r a f a s ts p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e si nt h ep a s td e c a d e sp r o v i d e du sa s i g n i f i c a n te x p e r i m e n t a la p p r o a c ht oi n v e s t i g a t et h eu l t r a f a s tp r o c e s s e si nt h ep r i m a r y p r o c e s so fp h o t o s y n t h e s i s m e a n w h i l e ，t h ef a s td e v e l o p m e n t so fm o l e c u l a rb i o l o g y , g e n e t i ce n g i n e e r i n ga n dt h e s i t em u t a t i o n t e c h n i q u ee s t a b l i s ht h ef u n d a m e n t a l m o l e c u l a rb a s i sf o rt l st os t u d yt h em e c h a n i s m so fp h o t o p h y s i c sa n dp h o t o c h e m i s t r y i nt h ep r i m a r yp r o c e s s e si n v o l v e d i nt h i sp h dt h e s i s ，w es t u d i e dt h ep h o t o i n d u c e d u l t r a f a s td y n a m i c st a k i n gp l a c ei np e r i p h e r a lf i g h t - h a r v e s t i n gc o m p l e xl h 2f r o m p u r p l eb a c t e r i ar b s p h a e r o i d e s6 0 1b yu s i n gu l t r a f a s ts p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e s t h e o b t a i n e dr e s u l t si no u re x p e r i m e n t sc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： i i i 页文捅耍 i p h o t o d y n a m i c so ft w ok i n d so fp e r i p h e r a la u t e m l ac o m p l e x e sl h 2o f 胄d ls p h a e r o i d e s6 0 1 ，n a t i v el h 2 ( p , s 6 0 da n db 8 0 0 - r e l e a s e dl h 2w h e r eb 8 0 0 一b c l l i s w e r ep a r t i a l l yo rc o m p l e t e l yr e m o v e dw i t hd i f f e r e n tp ht r e a t m e n t s ，w e r es t u d i e d u s i n gf e m t o s e c o n dp u m p - p r o b et e c h n i q u ea td i f f e r e n tl a s e rw a v e l e n g t h s 1 1 圯o b t a i n e d r e s u l t sf o rt h e s es a m p l e sw i md i f f e r e n tb 8 0 0 b 8 5 0r a t i o sd e m o n s t r a t et h a tu n d e rt h e e x c i t a t i o na r o u n db 8 0 0n l n ，t h ep h o t o a b s o r p t i o na n dp h o t o b l e a c h i n gd y n a r n i c sa r e c a u s e db yt h ed i r e c te x c i t a t i o no fu p p e re x c i t o n i cl e v e l so fb 8 5 0a n de x c i t e ds t a t eo f b 8 0 0p i g m e n t s ，r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h e r e m o v a lo fb 8 0 0p i g m e n t sh a sl i t t l e e f f e c to nt h ee n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s e so f b 8 5 0i n t e r b a n d i n t r a b a n dt r a n s f e r , 2 e n e r g yt r a n s f e ri nt w ok i n d so fp e r i p h e r a la n t e n n ac o m p l e x e sl h 2f r o mr d s p h a e r o i d e s6 0 1w a ss t u d i e db yf e m t o s e c o n dt r a n s i e n ta b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p ya t r o o mt e m p e r a t u r e t h e s et w oc o m p l e x e sa r el h 2 ( r s 6 0 1 ) a n dg r e e nc a r o t e n o i d m u t a t e dl h 2 ( g m 3 0 9 ) t h eo b t a i n e dr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tc o m p a r e dw i t h s p h e r o i d e n e sw h i c hh a v e t e nc a r b o n - c a r b o nd o u b l eb o n d si nn a t i v e r s 6 0 1 ， c a r o t e n o i d si ng m 3 0 9w e r ei d e n t i f i e da sc o n t a i n i n gn e u r o s p o r e n e sw i t h n i n e c a r b o n c a r b o nd o u b l eb o n d s w h i c hs h o was i g n i f i c a n tb l u es h i f to f 2 0n r ni nt h e t h r e ea b s o r p t i o np e a k sb e c a u s eo f t h eh i g h e re n e r g yl e v e l so f n e u r o s p o r e n et h a nt h o s e o fs p h e r o i d e n e ；t h eh i g h e re n e r g yl e v e l so fn e u r o s p o r e n ei ng m 3 0 9i n d u c eal o w e r b 8 0 0 一b 8 5 0e n e r g yt r a n s f e rr a t ea n de f f i c i e n c ya sc o m p a r e dt ot h a ti nr s 6 0 1 r e s u l t i n gf r o mt h er e l a t i v e l yh i g h e rb a n dg a pb e t w e e nt h ed o n o ro fb 8 0 0a n dt h e b r i d g eo ft h ec a r o t e n o i d s ；t h es a m el i f e t i m eo ft h eb 8 5 0e x c i t e ds i n g l e ts t a t ei s o b s e r v e di nt h e s et w ol h 2 c o m p l e x e s 3 t h eo x i d a t i o no fb a c t e r i o c h l o r o p h y u s ( b c h i s ) i np e r i p h e r a ll i g h th a r v e s t i n g c o m p l e x e s ( l h 2 ) f r o mr b s p h a e r o i d e s 6 0 1w a s i n v e s t i g a t e db y s p e c t r o e l e c t r o c h e m i s t r yo fa b s o r p t i o n , f l u o r e s c e n c ee m i s s i o na n df e m t o s e e o n d ( f s ) p u m p - p r o b e , w i t ht h ea i ma to b u a n m gi n f o r m a t i o na b o u tt h ee f f e c to fi n - s i v a e l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o no nt h ep i g m e n t - p r o t e i na r r a n g e m e n ta n de n e r g yt r a n s f e r w i t h i nl h 2 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h eg e n e r a t i o no f t h eb c h lr a d i c a l 英文摘要， c a t i o n i nb o t hb s 0 0a n db 8 5 0t i n g s 血珊a t i c a l l yi n d e e db l e a c h i n go ft h e c h a r a c t e f i 幽a b s o r p t i o n i nt h en i rr e g i o na n dq u e n c h i n go ft h ef i n o r c s c e n c e e m i s s i o nf r o mt h eb 8 5 0r i n gf o rt h ee l e c 仃o c h e m i e a lo x i d i z e dl h 2 ；t h eb c h l b 8 5 0 r a d i c a lc a t i o nm i g h ta c ta sa na d d i t i o n a lc h a n n e lt oc o m p e t e 、；l ，i mt h eu n o x i d i z e d b c h l - b 8 5 0m o l e c u l e sf o rr a p i d l yr e l e a s i n gt h ee x c i t a t i o ne n e r g y , h o w e v e rt h e b s 0 0 一b 8 5 0e n e r g yt r a n s f e rr a t er e m a i n e da l m o gu n c h a n g e dd u r i n gt h eo x i d a t i o n p r o c e s s i nc o n c l u s i o n , w es t u d i e dt h e p h o t o - i n d u c e du l t r a f a s tp h o t o p h y s i c a la n d p h o t o c h e m i c a ld y n a m i c so c c u r r i n g i nt h e p i g m e n t - p r o t e i nc o m p l e x e s o 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 nu s i n gu l t r a f a s ts p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e s i no r d e rt o e l u c i d a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ea n df u n c t i o n mp h o t o s y n t h e s i s m o r c e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hw o r ki sn e e d e di i lt h ef u t u r e k e y w o r d s ：p h o t o s y n t h e s i s ；p e r i p h e r a ll i g h th a r v e s t i n gc o m p l e x e s ( l h 2 ) 加r ar b s p h a e r o i d e s 6 0 1 ；e n e r g yt r a n s f e r ；f e m t o s e c o n d p u m p - p r o b e c l a s s i f i e dn u m b e r ：0 4 3 7 藤 绪论 ” 光合作用是地球上最重要也是最高效的光诱导 生物物理和生物化学过程，研究光合作用的物理化学 机制对理解光合作用功能体中各组份的结构与功能之 间的关系以及对研究光能的捕获传递与转换进行驱 蘩动碳水化合物的合鼠等都具有重要的意义。它涉及物 理生物物理化学，结构生物学生物化学分子 生物学，生理学等褚多学科，因此，光合作用过程的 研究是一个交叉学科研究的典型事例，也是对人们在 分子水平上研究生命现象的一个特珠的挑战课题。 1 光合作用 太阳光是地球上生命活动的重要能量来源，光合作用作为地球上生命活动 的能量基础可以将太阳光的能量有效地转化为化学能储存在生物体内。大约在三 四十亿年前 b l a n k e n s h i pe ta l1 9 9 2 ，地球上的简单生命个体就可以吸收太阳 光通过一系列的过程将光能转化为化学自由能，并利用这些化学能将二氧化碳合 成碳水化合物同时从水中分解出氧气( 6 c 0 ：+ 6 h ：o = ( c 羽。舡) + 6 0 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。其中光合反应中心的光电转化效率可以达到9 5 被认为是目前最理想的 光电池。 虽然不同光合作用功能体的光合过程都有差异，但是在这些功能体中都存 在着扮演两种重要角色的超快活动：一种是光能在光合捕光天线中的快速传递 另一种就是随后在光合反应中心产生的快速电荷分离和电子传递过程 f l e m i n g e ta l1 9 9 4 ：f l e m i n ge ta l1 9 9 7 ：v a ng r o n d e l l ee ta l1 9 9 4 。光能的捕获发 生在天线系统内，天线系统是由色素一蛋白组成的一种复合体，它主要包含叶绿 素和类胡萝卜素两种色素体这些分子可以吸收不同波长范围的太阳光 ( 4 0 0 n m - 1 0 5 0 r t m ) ，因此使得天线系统的光谱范围加宽并提高了它的吸收截面。 而这些分子对不同波长的吸收特性不但决定于它本身的化学结构而且更为重要 的因素是来自于它与周边化学环境的相互作用。 天线系统吸收光可以导致单个或聚集的叶绿素分子形成激发态的布居，这 些激发态的寿命基本都在约i p s 的时间范围内。然而对于紧密联系的色素分子之 间的能量传递过程往往发生在亚皮秒到皮秒时间范围内，激发能传递过程最终将 在反应中心中结束。反应中心也是由色素一蛋白组成的复合体，在其中将产生电 绪论 荷分离等一系列的化学过程，激发的电荷原初给体将一个电子传递给电子受体最 终在反应中心内形成了电荷分离，这样最初的激发光能通过跨膜的电化学梯度存 储在反应中心内，这种电化学梯度将会驱动形成化合物三磷酸腺苷( a t p ) 为以 后细胞的生命活动提供必要的化学能量。 对光合作用机理的研究，能够得到上述的认识花费了几代科学家近三个世 纪的艰辛研究。早在1 6 5 0 年，v a i lh e l m o n t 最早利用在沙地中种植柳树进行光 合作用的机理研究，但是当时他并没有了解二氧化碳在光合作用中扮演的重要角 色。一个世纪后的1 7 7 1 年，p r i e s t l y 首次证明了植物可以产生氧气，此后 i n g e n h o u z 的研究发现光照的条件下檀物利用它们的绿色部分在夜晚“污染”了 空气而到了白天又可以“清洁”空气。直到1 9 世纪末期，经过科学工作者的多 年努力对光合作用的最初的认识才呈现在大家的面前，光合作用过程最终可以简 单的由如下公式描写。 6 c 0 2 + 6 h 2 0 ，c 6 h ，妇s t 6 0 5 我们知道光合作用的原初过程发生在飞秒到皮秒时域，而对于原初过程的 的探索和研究往往依赖于当时探测技术和仪器的发展状况：在1 9 世纪5 0 年代 n o r r i s 和p o r t e r 就丌始利用闪烁光分解技术研究这些微观的动力学过程。随后， 一个关键性的技术发展出现在1 9 6 0 年，这就是调q 纳秒激光器的诞生使我们可 以对光合原初过程的研究精确到了纳秒时间范围内。激光技术经历了迅猛的发 展，从皮秒脉冲激光到飞秒秒冲激光器的研制成功使得我们可以对光合作用原初 过程的不同时域进行精确地研究。 致力于光合作用的深入研究可以使人们更深层次的了解光合作用最基本的 厦理，对光合作用中的切理化学过程的深入了解是理解有机生物与大气等自然环 锸论 境及生态平衡之日j 密切关系的重要基础。如果我们能够理解和控制光合作用过 程，我们就可以通过仿生学等技术来增加粮食、纤维、燃料等的产量，以解决世 界范围内日益严重的能源和粮食危机，通过揭示光合作用过程中能量高效捕获及 传递和转换的机制，可以使我们能够更好、更高效地利用太阳光能，甚至可以为 人们设计生产出更新、更快的海量计算机以及在研发新型光电器件、新医药等新 技术方面实现突破从而为人类创造一个更好的生存环境和提高生活质量 h a l le t a 1 ，1 9 9 4 ；b l a n k e n s h i pe ta 1 ，1 9 9 5 ；b r y a n tc ta 1 ，1 9 9 4 ；a m e s z c ta 1 ，1 9 9 6 ； b a k e r , 1 9 9 6 a 1 1 光合色素 光合作用色素主要有三种类型：叶绿素类、胡萝卜素类及藻胆素类。叶绿 素( c h l o r o p h y l l s ) 呈绿色，己发现的叶绿素类包括：叶绿素a 、叶绿素b 、叶绿 素c 、叶绿素d 、细菌叶绿素a 和细菌叶绿素b 。类胡萝卜索( c a r o t e n o i d ) 呈 黄色、红色或紫色，己发现的类胡萝卜素的种类有：伽类胡萝b 素、b 一类胡萝h 素、t 一类胡萝卜素、叶黄素、紫质素、岩藻素等。藻胆素呈蓝色或红色，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 部的其他色素分子仅起到吸收光能和传递光能的作用，他们没有光化学活性，故 将他们称为天线色素。具有光化学反应活性即能够进行电荷分离的少部分叶绿素 a 称为反应中心叶绿素a 。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。 1 1 1 叶绿素 在光合作用功能体中包含最多的色素分子就是叶绿素分子，目前已知的叶 ， 绪论 绿素种类有5 0 种之多。三种典型叶 绿素分子的分子结构图：叶绿素a 、 c h l o r o p h y n4 叶绿素b 和细菌叶绿素a 由图l 给 出，叶绿素分子含有一个极性的卟 啉“头”和一条非极性的叶醇“尾 巴”，卧啉头有四个毗咯环与一个镁 原子所组成。 图2 所示为三种叶绿素的吸 收光谱，这些不同的叶绿素的吸收 谱中包含了不同的特征吸收峰，它 们反映了叶绿素分子内不同的跃迁 偶极距。q ，跃迁是沿着叶绿素分子 中n ：一心轴的方向( 如盈2 d 中细菌 时绿素a 的分子结构示意图) ；而 q 。跃迁则与q ，跃迁方向垂直，它的 偶极距沿着n 一n 轴的方向，而且 q 。具有比q ，更高的能量和相对较低 的振动强度。在能量更高的可见区， 我们还可以发现另一个更强的跃 迁，这就是叶绿素分子的s o r e t 带 跃迁。q i 跃迁和s o r e r 带跃迁都具 图1 叶绿素a 、叶绿素b 和细菌叶绿素a 的分子结构示意图 有很短的激发态寿命，通过内转换一般在1 0 0 f s 的时间内可以传递到q ，带。对 绪论 w a v e l e n g t hc n m ) w a w l e n g t h 如n ) 图2 叶绿素a 、b ) 叫绿素b ，c ) i d ) - 细菌叶绿索a 的分子结构和稳态吸收谱 于q ，带来说他的激发念寿命较长，一般都在纳秒时间范围内，所以几乎所有的 在叶绿素分子之日j 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 着。 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：叶绿景溶：夜鲍吸牧光谱与滓剞穹关，不同的溶帮其吸收光氆虽然楣似但仍 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完全不同，从而导致了叶绿素分子的吸收谱产生 不同。图2 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 ，吸收处在约7 8 0 n m 处，而叶绿素a 和叶绿素b 分子q ，带的吸收分别在6 6 5 n m 和6 4 5 n m 。然而不管是缅菌叶绿素辽是时绿素，它们的q l 带和s o r e t 带都基本处 ( _ n 8 uo一盖毛暑吒 缮论 在5 5 0 n m - 6 0 0 n m 和4 0 0 n m - 4 8 0 n m 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。几乎所有蛋白内的的叶绿素分子的吸 收峰波长都小于6 8 0 h 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l o o n m 。造成这样大的红移不但与色素一色素之间的相互作用有 关，而且还与色素一蛋白之间的相互作用特别是氢键的形成有关 c o g d e l l ，rj 。e t a l2 0 0 2 。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构 成良好的有序性以及色素的紧密排列。这些特点使得细菌可以最大程度的吸收入 射光以及以最快的速度将能量传递 1 1 2 类胡萝卜素 类胡萝卜 素为长条多聚异 戊二烯分子，具有 共轭双键，分子的 每一段各有一个 不饱和的取代的 环乙烯如图3 图3 类胡萝h 素s p h e r o i d e n e 和类胡萝h 素n e u r o s p o r e n e 结构示意 圈。 所示为紫细菌光合作用功能体中两种不同的类胡萝卜素分子的结构示意图，这两 种类胡萝卜素也是本论文中所研究的细菌外周天线所包含的类胡萝卜素分子它 们的特征吸收谱由图4 所示，与多烯烃激发态相同，类胡萝卜素属于c 2 x c j 称点 群。在类胡萝卜紊内，这些对称性往往会由于类胡萝卜素的头部和周边的基团 绪论 或者当连接到蛋白时产生了形变而遭到破坏对于c 2 对称，类胡萝卜素的最低 激发态与基态的对称性一致，但是这两者之间的跃迁是禁止的。在类胡萝 素分 子里基态与最低激发 。 态的跃迂却是允许的， 但是它们具有非常小 的跃迁偶极距。激发荧 光和双光子激发研究 结果表明，类胡萝 素 的最低激发态s t 态的 能级位置略高于叶绿 - m n g 咖i 日 图4 类胡箩h 素s p h e r o i d e n e 和类胡萝h 素n e u r o s p o r e n e 的 稳态吸收谱。 紊分子的q ，带处在 6 0 0 h m 到6 3 0 h m 左右。而类胡萝卜素的第二激发态s 2 态处在5 0 0 n t o 处，它具有 与s l 态不同的对称性并且它们之间的跃迁是允许的 类胡萝 、素是光合作用中天线系统不可分割的部分，在天线系统内扮演着 非常重要的角色。首先，类胡萝 素不同能带的跃迁吸收往往覆盖在5 0 0 h m 附近 的波长区域，它的吸收光谱范围扩充了天线系统的光谱范围，特别是对于海洋光 合作用有机体，深i 每中光的波长往往就是在蓝绿光范围内，所以类胡萝 素的吸 收特性大大增加了光合作用天线系统的吸收截面，使得天线系统更有效地吸收光 能。 类胡萝卜素的激发态寿命都短于叶绿素q ，带的激发态寿命，所以它可以非 常快速地将吸收的能量传递给邻近的叶绿素分子。在天线复合体内，类胡萝h 素 的吸收能可以通过其s ? 态经过叶绿素的q 。带最后向叶绿素的q ，带传递，而另一 绪论 种能量传递途径是类胡萝b 素的s 。态首先传递给它的s 态，最后传递给叶绿素 的q ，带，一般情况下这两种传递途径都是同时进行的类胡萝卜素的s ：态向s - 态内转换过程往往发生在2 5 0 f s 的时间范围内 k o y a m ae ta l1 9 9 6 ，而s 态则 具有较长的寿命一般在几个p s 到l o o p s 的时间范围内 c h y w a te ta l1 9 9 5 ，但 是由于叶绿素和类胡萝b 素之间连接较为紧密，他们之间产生的相互作用使得类 胡萝b 素的能量有效地传递给了叶绿素分子。 其次，类胡萝p 素的第二种功能是它可以有效地阻止单态氧的形成，进而 保护了光合作用功能体的正常运作 c o g d e l le ta l1 9 8 5 。这一机制基于叶绿素 和类胡萝b 素三重态之间的电子交换。当强光激发叶绿素分子时激发态的叶绿素 分子通过系间交叉跃迁至它的三重态，这个三重态可以将能量传递给在三重态基 态的氧分子，然后叶绿素分子跃迁至基态同时形成一个单重激发态的氧分子 ( 3 b c h l + + 3 0 ：= b c h l * 0 。) 。单重态的氧分子是一种非常活跃的自由基，它可以对有 机体产生破坏。因此有效地淬灭三重态的叶绿素分子是非常必要地，而这一过程 只有通过类胡萝h 素柬完成：它可以有效地吸收叶绿素三重态的激发能量，将叶 绿素跃迁回基态同时形成一个三重态的类胡萝b 素( 3 b c h l + 3 c a r = 1 b c h l c c a r 。) 而对于三重态的类胡萝卜素来说，它的激发态能级要低于氧分子的单重激发态， 因此有效地阻止了单重态氧分子的形成进而保护了光合作用功能体 最后，研究表明在类胡萝卜素缺失的情况下光合作用蛋白不可能产生聚合， 这也就表明了类胡萝b 素分子对于光合作用功能体的形成以及结构的稳定都起 着非常重要的作用 h o r ne ta l2 0 0 2 1 1 - 3 色素蛋白相互作用 色素分子的光谱特性与其周围环境的相互作用有关，例如色素分子与蛋白 绪论 的相互作用以及溶剂对色素的影响。在蛋白环境中色素与蛋白的氢键和电场发生 相互作用导致色素的电子结构发生改交。这一效应强烈地影响着色素蛋白复合体 的光谱性质使得色素的吸收峰值产生几十个纳米的移动，而且也可以明显地改变 吸收和发射谱的线型特性 v a i la m e r o n g e ne ta l2 0 0 0 。 蛋白质对于这些色素分子来说并不是一种刚性的骨架，它们组成了一种动 态的结构。即使是单一的叶绿素分子环境在特定的位点以及特定的蛋白上都会随 着时间而改变，这是因为蛋白自身的移动所造成的。这也就导致了这些色素分子 的总的吸收和发射带宽都宽于集合体内的单一的色素分子的吸收和发射带宽，这 一现象就叫做非均匀展宽。 1 1 4 色素色素相互作用和能量传递 本论文中，我们主要研究了紫细菌光合作用体中外周捕光天线的能量传递机 制。光合作用中的能量传递过程是指电子激发态的转换过程，也就是说，当一个 色素分子或基团激发后将导致随后邻近的色素分子或基团的一系列激发过程。如 果这些过程不能发生，那么天线系统所吸收的光能就不可能有效地被反应中心吸 收并产生随后的电荷分离过程。 色素问的能量传递过程产生于色素之间的电子相互作用。而这种相互作用的 具体特性则与分子之日j 的距离密切相关。当分子闯的距离很大射就可以用偶极一 偶极共振机制来描述，这里每一个相互作用的分子都可以用一个具有单一跃迁偶 极距的点来表示；但是，当分子间的距离可以与分子的大小相比较甚至更小时， 就会导致分子间的电子轨道产生重叠，因此描述这种相互作用机制就相对较为复 杂。 对于距离较大的色素分子也就是说色素间的相互作用较弱时，分子间的能量 传递一般由传递的f 6 r s t e r 偶极一偶极共振机制来描述母舔t e re ta l1 9 4 8 ；f o r s t e r e ta l1 9 6 5 ，当一个色素分子吸收光子后产生激发，激发能将定域在特定的这个 色素分子上。由于这个被激发的色素分子和邻近的处于基态的色素分子之间的跃 迁偶极距发生了相互作用，激发的色素分子的激发电子跃迁回基态同时导致邻近 绪论 的色素分子产生激发态的电子布居。这一过程称作激发能的“跳跃( h o p p i n g ) ”， 这种给体( d ) 和受体( a ) 之间的传递速率用f s r s t e r 理论描述为： k d - , = ( 9 c 4 c ( p d 8 肌4 r ) jd f d ( ) o a ( o ) 0 4 其中，( p d 为给体的量子效率；t d 为给体的激发态的寿命；f 文) 为给体的归 荧光光谱；c f a ( o ) 为受体归一的吸收光谱：r 为两个色素分子的距离；c 为 取向因子，它描述了两个色素分子跃迁偶极距的排列特性 f l d p a - 3 ( g o r ) ( h r ) r 该机制主要描述空间距离在2 8n m 的分子体系，而且一般要求给体的激发 态在能量传递之前有一个热驰豫过程。f o r s t c r 在实际的实验结果分析中得到了 广泛应用，但应当指出的是，该公式是在一定的近似条件下导出的。首先它是基 于b o r n o p p e n h e i m e r 近似的条件下用时间相关的微扰理论，也就是把导致无辐 射转移的相互作用能视为体系的一级微扰，因此它必须是极弱的偶极相互作用： 第二，在计算跃迁偶极矩时，只考虑了偶极偶极项，并采用了点偶极近似，这 就要求浓度必须足够低，以满足给体受体间的距离大于它们自身的尺寸；第三， f o r s t e r 理论中对取向因子已作随机平均，也就是要求在激发态寿命内分子必须快 速转动；同时，该理论还假定振动弛豫过程比能量传递速率快得多。因此，在利 用该理论对实验数掘进行分析时，要注意考虑其适用的条件。 对于一对空l 日j 距离为1 s n m 的叶绿素分子，能量传递速率快予1 0 1 2 s ，对于 这种超快和高速的能量传递，f 6 r s t e r 理论存在一定的局限性，对于电子传递来说， 点偶极近似可能不再适合，且激发传递可能发生在非振动弛豫态。另外，在紧密 排列的叶绿体蛋白质系统，色