（有機化學(xué)專業(yè)論文）幾種生物光合色素分子體系電子激發(fā)光譜的理論研究.pdf

博士學(xué)位論文 d o c t o i t a l d i s s e r t a t i o n 摘要 研究高效、快速的光合作用反應(yīng)機理對于開發(fā)利用太陽能。生物合理設(shè)計以光合作用系統(tǒng) 為靶標的除草劑等具有重要的科學(xué)意義。捕光系統(tǒng)和光合反應(yīng)中心是光合作_ l j 的兩大主要場所， 研究這些系統(tǒng)中電子激發(fā)的過程與性質(zhì)是進一步深入探索電子轉(zhuǎn)移機理的基礎(chǔ)。目前針對捕光 系統(tǒng)和光合反應(yīng)中心的實驗光譜研究已經(jīng)取得了較大進展，但其光譜內(nèi)在的性質(zhì)必須通過相關(guān) 的理論研究才能得到準確信息，因此，本論文綜合運用各種現(xiàn)代分子模擬方法對高等植物光合 作用的模型系統(tǒng)( 藍藻捕光系統(tǒng)和紫細菌光合反應(yīng)中心) 的電子激發(fā)光譜進行系統(tǒng)的理論歸屬研 究。具體研究內(nèi)容如下： 本論文第一章主要對高等植物的光合系統(tǒng)、藻類捕光系統(tǒng)和紫細菌光含反應(yīng)中心的研究 進展，以及論文中所涉及到的理論方法進行了概述性的介紹。 第二章以卟吩自由基為研究對象，對t d d f t , z i n d o 和i n d o s 三種方法計算的電子激發(fā) 態(tài)光譜進行了比較研究，并考察了t d d f t 方法下基組效應(yīng)對卟吩自由基理論光譜的影響。為 了進一步檢驗t d d f t 方法的精確度，我們將t d d f t 方法擴展到兩種典型的卟啉類衍生物( 四 氧卟啉陽離子t o p d c 和卟啉烯p o r p h y c e n e ) 紫外吸收光譜的理論歸屬研究中，結(jié)合極化連續(xù) 介質(zhì)模型( p c m ) 有效考察了溶劑化效應(yīng)對基態(tài)的電子結(jié)構(gòu)和激發(fā)態(tài)能量的影響。采用 t d d f t - p c m 模型計算的理論光譜與溶液中實驗吸收光譜的較好吻合證明了這一模型的合理 性，也說明溶劑化效應(yīng)對溶液中的吸收光譜的理論研究是相當重要的。 第三章以藍藻捕光系統(tǒng)中的藻藍蛋自為研究對象，運用含時的密度泛函理論( t d d f t ) 方法， 結(jié)合極化連續(xù)介質(zhì)模型( p c m ) ，對藻藍蛋白的三個藻藍素( c t - 8 4 、p - s 4 、b - 1 5 5 ) 在具有生理活性時 的分子狀態(tài)，紫外吸收光譜和c d 光譜進行了深入系統(tǒng)的理論研究。并結(jié)合分子動力學(xué)模擬( m d ) 技術(shù)以及o n i o m 方法，研究了藻藍素中吡咯環(huán)之間的二面角與其最大吸收峰之間的定性關(guān)系。 通過一系列模型化學(xué)的理論比較研究，闡明了藻藍蛋白中三類藻藍素在生理狀態(tài)時都是以質(zhì)子 化的形式存在及其質(zhì)子化可能的反應(yīng)途徑，并定量分析和歸屬了紫外吸收光譜和圓二色光譜。 第四章主要基于色素分子簇模型，運用t d d f t 和z i n d o 方法對紫細菌( r p s v i r i d i s 和r b s p h a e r o i d e s ) 光合反應(yīng)中心的紫外吸收光譜和c d 光譜重新進行了理論計算與定量解析歸屬，并 有效考察了色素分子間相互作用對電子激發(fā)態(tài)的影響。t d d f t 的計算結(jié)果對紫細菌光合反應(yīng)中 心的p 發(fā)色團被氧化后的實驗c d 光譜的合理解釋表明：色素分子之間的相互作用不可忽視， 只基于單個色素分子( 或其模型分子) 的理論計算進行光譜歸屬是不合理的。與t d d f t 計算結(jié)果 的比較再次證明，z i n d o 半經(jīng)驗分子軌道理論方法對這兩類紫細菌光合反應(yīng)中心的低能帶激發(fā) 態(tài)的解析和歸屬已經(jīng)具備了一定的精度。 在第五章中，同時考慮了c = o 鍵長伸縮振動和h - c h 鍵角彎曲振動對h 2 c o 分子光電子 能譜峰形的影響。同時考慮上述兩種正則振動模式的情況下，在s a c - c i - g r d 9 5 * 理論級別下 對h 2 c o 分子的基態(tài)( 1 1 ) 及三個陽離子激發(fā)態(tài)( 1 碗，l 冶l ，1 i ) 進行了勢能面掃描，并擬合 得到勢能函數(shù)，最后采用從頭算f r a n c k - c o n d o n 因子計算程序解析了這三個激發(fā)態(tài)的實驗光電 子能譜的精細結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞：電子激發(fā)態(tài)：s a c - c i ；t d d f t ；z i n d o ；i n d o s ；分子動力學(xué)模擬；紫外吸收 光譜；c d 光譜；f r a n c k - c o n d o n 因子 a b s t r a c t t h es t u d i e so fh i 曲e f f i c i e n c yp h o t o s y n t h e s i sm e c h a n i s mp l a yac r u c i a lr o l ei n d e v e l o p i n gt h en o v e lp e s t i c i d e st a r g e t i n gt h ep h o t o s y n t h e s i ss y s t e m s ，a n dr a t i o n a lu s i n g s o l a re n e r g y l i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e ma n dr e a c t i o nc e n t e ra r et h et w of u n d a m e n t a l p i g m e n t - p r o t c i nc o m p l e x e si nt h ep l a n tp h o t o s y n t h e s i ss y s t e m t om a k ec l e a rt h e e l e m e n t a r yp r o c e s s e so fe l e c t r o n i c t r a n s f e r i n p h o t o s y n t h e s i s , k n o w l e d g eo ft h e e l e c t r o n i ce x c i t e dc h a r a c t e r so fl i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e ma n dr e a c t i o nc e n t e ri sa p r e r e q u i s i t e t h et h e o r e t i c a ls t u d i e so ft h ee l e c t r o n i c e x c i t a t i o n so fl i g h t - h a r v e s t i n g s y s t e m a n dr e a c t i o nc e n t e rc a np r o v i d eas o p h i s t i c a t e du n d e r s t a n d i n ga n dt h e a s s i g n m e n t so f u w v i sa b s o r p t i o na n dc i r c u l a rd i c h r o i s ms p e c t r ao f t h e s et w os y s t e m s i n t h i st h e s i s ，t h ee l e c t r o n i ce x c i t a t i o ns p e c t r ao f t h em o d e ls y s t e m s ( 1 i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e m o fa l g aa n dp h o t o s y n t h e t i cr e a c t i n ge 吼t e r 口s r c ) o fp u r p l eb a c t e r i a ) o fp h o t o s y n t h e s i s h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gm o d e r nm o l e c u l a rs i m u l a t i o nm e t h o d s t h ep r e s e n t t h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ： t h ep r e v i o u ss t u d i e sa b o u tl i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e mo fa l g aa n dp h o t o s y n t h e t i c r e a c t i n gc e n t e ro fp u r p l eb a c t e r i ah a v eb e e nr e v i e w e di nc h a p t e ro n e f u r t h e r m o r e ，t h e t h e o r e t i c a lm e t h o d su s e di nt h i st h e s i sh a v eb e e ni n t r o d u c e d i nc h a p t e rt w o ，t h ee l e c t r o n i cg r o u n da n ds i n g l c tv e r t i c a le x c i t e ds t a t e so ff r e e - b a s e p o r p h y r i n ( f b p ) h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gt d d f t , z i n d oa n di n d o sm e t h o d s ， t h eb a s i ss e t se f f e c t sh a v e b e e ne x a m i n e da tt d d f tt h e o r e t i c a ll e v e l i n0 r d e l t of u r t h e r e x a m i n et h ep r e c i s i o no ft d d f tm e t h o d t h ei 、，、r ss p e c t r ao ft e t r a o x a p o r p h y r i n d i c a t i o n ( t o p d c ) a n dp o r p h y c e n eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gt d d f t m e t h o d t h e s o l v e n te f f e c t so ne x c i t a t i o ns p e c t r aa l s oh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n tb yu s i n g p o l a r i z a b l e c o n t i n u u mm o d e l ( p c m ) t d d f t - p c mc a l c u l a t i o n sl e a dt oac l o s e r a g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e dv a l u e so fe x p e r i m e n t a la b s o r p t i o ns p t 圮t r ai ns o l u t i o n s , w h i c hd e m o u s t a t et h ei m p o r t a n c eo fc o n s i d e r i n gt h es o l v e n te f f e c t sf o ri n t e r p r e t i n g e x p e r i m e n t a la b s o r p t i o ns p e c t r ai ns o l u t i o n s i n c h a p t e rt h r e e , t h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fu v v i ss p e c t r aa n d c i r c u l a r d i c h r o i s m ( c d ) s p e c t r ao faa n d 聲s u b u n i to fc - p h y c o e y a n i n ( c p c ) w e r ei n v e s t i g a t e d b yu s i n gt d d f tm e t h o dc o m b i n e dw i t ht h ep c mm o d e l c o m b i n i n gt h em o l e c u l a r d y n a m i c ( m d ) s i m u l a t i o na n do n i o mm e t h o d s ，t h ee f f e c t so ft h et o r s i o no ft h e p y r r o l i cr i n g si np h y c o c y a n o b i l i n ( p c b ) o nt h ea b s o r p t i o nm a x i m u ma l s oh a v eb e e n m 博士學(xué)位論文 d o c t o r a l d i s s e r t a t i o n t a k e ni n t oa c c o u n ti nt h i sc h a p t e r t h ee l e c t r o n i ce x c i t a t i o na tt h ev a r i o u sl e v e l so f m o d e l c h e m i s t r yd e m o n s t r a t et l l a t ，p r o t o n a t i o ni sm o s tl i k e l ye x i s t i n gi nt h r e ep c b sm - 8 4 、 肛8 4 、伊1 5 5 ) i nc - p ci ne n v i r o n m e n t a lp r o t e i nm o i e t y , a n dt h er e a c t i o np a t h w a yf o r p r o t o n a t i o no f p c b sa l s oh a v e b e e nv e r i f i e d u s i n gt h es u p e rm o l e c u l ec l u s t e rm o d e l s ，t h ee x c i t a t i o ns p e c t r ao fp s r cf r o mr p s v i r i d i sa n dr b s p h a e r o i d e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gt d d f tm e t h o di nc h a p t e r f o u r t h ee f f e c t so ft h ei n t e r a c t i o n so f p i g m e n t - p i g m e n to i lt h ee l e c t r o n i ce x c i t a t i o na l s o h a v eb e e ne x a m i n e d n 塢c a l c u l a l i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r a c t i o n so f p i g m e n t - p i g m e n tp l a y 孤i m p o r t a n tr o l ei nr e a s o n a b l ya s s i g n i n gt h eu v ，ss p e c t r aa n d c r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) s p e c t r ao fp s r cf r o m 母魁v i r i d sa n dr b s p h a e r o i d e s b y c o m p a r i n gw i t l lt d d f tc a l c u l a t i o n , t h ea g r e e a b l ea s s i g n m e n to ft h ee x p e r i m e n t a l u v v i sa n dc d s p e c t r aw e r ea c h i e v e db yu s i n gt h ez i n d o m e t h o d i nc h a p t e rf i v e t h ee f f e c t so fb o t l ic = os u e t c ha n dh - c - i - is c i s s o rm o d d so nt h e p h o t o e l e c t r o ns p e c t r u mo ff o r m a l d e h y d eh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n ts i m u l t a n e o u s l y n 塢p o t e n t i a le n e r g ys u r f a c eo ft h eg r o u n ds t a t e ( 11 a j ) a n dt h ef i r s tt h r e 圮e x c i t e ds t a t 錨 ( 1 。島，l 鐳1 ，1 i ) o ff o r m a l d e h y d eh a v eb e e ns c a n n e da ts a c - c i - g r d 9 5 + l e v e l b y f i t t i n gt h ep o t e n t i a le n e r g ys u l f a o 器o f t h e es t a t e s ，t h ef i n es t r u c t x l r e $ o f t h ee x p e r i m e n t a l p h o t o e l e c t r o n $ p e c i u l l lo f f o r m a l d e h y d eh a v e b e e na c c u r a t e l ya s s i g n e db yu s i n ga bi n i t i o f r a n e k - c o n d o nf a c t o rp r o g r a m i v k e y w o r d s ：e l e c t r o ne x c i t e ds t a t e ；s a c c i ；t d d f t ；z i n d o ；i n d o s ；u v ，s s p e c t r u m ；c i r c u l a rd i c h r o i s ms p e c t r u m ；f r a n c k - e n n d o nf a c t o r 博士擘位論文 d o c t o r a l d i s s e r l ：i o n 華中師范大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨立進行研究工作 所取得的研究成果。除文中已經(jīng)標明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或 集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在 文中以明確方式標明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者簽名：4 互歷秀日期：7 年m ，日 學(xué)拉論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán) 保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借 閱。本人授權(quán)華中師范大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進 行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時授權(quán) 中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通 過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。 作者簽名：飪秀競 日期：吁年，2 月，日 導(dǎo)師簽名： 雪芝 日期：7 年，z 月日 本人已經(jīng)認真閱讀“c a l l s 高校學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫發(fā)布章程”，同意將本人的 學(xué)位論文提交“c a l i s 高校學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫”中全文發(fā)布，并可按“章程”中的 規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。固重途塞握鑾廈迸壓! 旦圭生；旦= 生 旦三堡筮魚! 作者簽名：7 壬彥知 日期：6 7 年i z b 日 導(dǎo)師簽名： 多星 日期：d 7 年，z 月，日 本論文的主要創(chuàng)新點 1 采用t d d f t - p c m 理論模型，對t o p d c 和p o r p h y c e n e 分子的紫外吸收光譜進行了定量解 析歸屬。 2 以藍藻捕光系統(tǒng)中的藻藍蛋白為研究對象，運用含時密度泛函理論( t d d f t ) 方法，結(jié)合極 化連續(xù)介質(zhì)模型m ) ，對藻藍蛋白的三個藻藍素分子( a - 8 4 、, 6 - 8 4 、p - 1 5 5 ) 在具有生理活性 時的分子狀態(tài)，紫外吸收光譜和c d 光譜進行了深入系統(tǒng)的理論計算與定量歸屬研究。計 算結(jié)果支持了f o s t e r 的電子轉(zhuǎn)移理論，闡明了在藻藍蛋白中能量可以從肛1 5 5 和a 8 4 向盧8 4 傳遞的分子機制。 3 ，采用色素分子簇模型，運用含時的密度泛函理論( t d d r r ) 方法，對紫細菌( r p s v i r i d i s 和r 6 印 口如神光合反應(yīng)中心的紫外吸收光譜和c d 光譜進行了定量解析歸屬a 從理論上解釋 了實驗氧化光譜的一些重要現(xiàn)象，從某種程度上解釋了t 特殊對，p 被激發(fā)后電子只沿著l 分支向下傳遞的特異性。 4 同時考慮了。旬鍵長的伸縮振動和h - c - i - i 鍵角的彎曲振動對光電子能譜峰形的影響，在 s a c c i 母剛d 9 5 理論級別下對h 2 c o 分子的基態(tài)( 1 1 ) 和三個激發(fā)態(tài)( 1 碗，1 冶l ，1 1 ) 進 行了勢能面掃描，并擬合得到勢能函數(shù)，最后采用從頭算f r a n c k - c o n d o n 因子計算程序?qū)@ 三個激發(fā)態(tài)的實驗光電子能譜的精細結(jié)構(gòu)進行了解析。 v 博士學(xué)位論文 d o ( 舶r a l d i s s e r j l o n 第一章文獻綜述 當今世界經(jīng)濟高速發(fā)展、人口數(shù)目急劇增多，傳統(tǒng)的能源天一天在減少，環(huán)境污染日益 嚴峻，環(huán)境問題和能源問題成了人類所面臨的最大的難題。這個時候全世界都把目光投向了可 再生能源，希望可再生能源能夠改變當前的能源結(jié)構(gòu)，長遠可持續(xù)發(fā)展。太陽能以一種取之不 盡、用之不竭、蘊量巨大的綠色環(huán)?？稍偕茉?，越來越為人們所重視，太陽能的開發(fā)利用更 是具有深遠而現(xiàn)實的意義，它不僅可以解決我國優(yōu)質(zhì)能源少、長期以來以煤為主的能源結(jié)構(gòu)， 而且可以大大緩解由于礦物燃料燃燒所釋放的有害物質(zhì)對環(huán)境所造成的負面效應(yīng)，如大氣污染、 酸雨、溫室效應(yīng)、生態(tài)平衡破壞等，保證我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。 光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)之一，它是人類賴以生存的糧食、能源以及生態(tài)環(huán)境 的基礎(chǔ)。地球上太陽光能的接收和利用是由植物、藻類以及光合細菌光合膜中的色素蛋白復(fù)合 體完成的，色素蛋白復(fù)合體是自然界經(jīng)過數(shù)十億年的演化而形成的，具有驚人的高效率。例如， 光合反應(yīng)中心實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的光量子效率幾乎達到1 0 0 。而到目前為止，各種人造太陽能器 件的光能量轉(zhuǎn)換效率也只有3 0 左右。因此，研究光合作用體系捕光、能量傳遞和轉(zhuǎn)換的分子 機制，揭示其結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，不僅對闡明自然界這一獨特的高效吸能、傳能和轉(zhuǎn)能機理具 有重大的理論意義而且還具有深遠的重大實踐意義：可以為提高農(nóng)作物的光能轉(zhuǎn)化效率，為 我們設(shè)計基于光合系統(tǒng)的除草劑，為仿生模擬太陽能利用開辟新途徑，為研制新一代的生物電 子元件和生物芯片提供理論依據(jù)、新途徑和新技術(shù)。 光合作用原初能量傳遞和電子轉(zhuǎn)移的高效率與光合作用色素蛋白復(fù)合體的特殊結(jié)構(gòu)密切 相關(guān)。這種在光合作用中參與吸收、傳遞光能或引起原初光化學(xué)反應(yīng)的色素分子叫做光合色素 分子。 1 1 光合色素 1 1 1 光合色素的結(jié)構(gòu)和分類 光合色素主要分為三類： 一、類胡蘿b 素類：普遍存在于高等植物、藻類和細菌中，主要包括胡蘿h 素和葉黃素 兩種。胡蘿h 素是一種含有1 1 個雙鍵的不飽和化合物，有1 2 個同分異構(gòu)體，在自然界中主要 包括q 一胡蘿h 素、盧一胡蘿h 素和t 一胡蘿h 素，它們是具有相同分子式的立體異構(gòu)體，但最 常見的是戶胡蘿h 素，如f i g u r e1 - 1 ( a ) 所示。葉黃素是卜胡蘿h 素衍生的二元醇，分子結(jié)構(gòu) 如f i g u r e1 - 1 ) ；胡蘿p 素和葉黃素總是與葉綠素口和b 一起存在于高等植物的葉綠體中，它 們吸收藍光，并把吸收的光能傳遞給葉綠素a ，最終用于光合作用；除此之外，它們還起到保 護葉綠素的作用，可防止強光對葉綠素的破壞。 h 圓) l u t c i n f i g u r e1 - 1 t h es h - u c t u r c so f - c a r o t e n e ，l u t e i n ( b ) 二、藻膽素類：藻膽素是一種開環(huán)的四吡咯化合物，并以共價鍵硫醚鍵與多肽鏈相連接， 具有收集和傳遞光能的作用，廣泛存在于紅藻和藍藻的光捕捉系統(tǒng)中。迄今己知的藻膽素主要 有四種【l 】，藻紅素( p h y c o a y t h r o b i l i n ) 、藻藍素( p h y c o c y a n o b i l i n ) 、藻脲素( p h y c o u r o b i l i n ) 和藻紫素 ( p h y c o b i l i v i o l i n ) ，這些藻膽素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，如f i g u r e1 - 2 所示在不同的藻膽蛋白中， 藻膽素的種類和含量均不同，對于游離的開鏈四毗咯環(huán)分子體系，晶體結(jié)構(gòu)分析表明，其穩(wěn)定 的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)為卷曲的螺旋環(huán)型結(jié)構(gòu)1 2 】。由于藻膽素的構(gòu)象較易受周圍蛋白質(zhì)環(huán)境的影響， 與其它光合色素相比顯得較為柔順 3 1 。因此表現(xiàn)出不同的光譜特征，在1 4 節(jié)中有更詳細的關(guān)于 藻膽素的敘述。 ( a ) p c b p x b ( c ) s i n g l e - l i n k lp e b ( d ) d o u b l e - l i n k e dp u b f i g u r e1 - 2 t h ec h e m i c a ls t r u c t u r e so ff o u rc l a $ 8p h y c o b i l i n ：p h y c o c y a n o b i l i n ( p c s ) 0 3 ) p h y c o b i l i v i o l i n ( p x b ) ( c ) s i n g l e - l i n k e dp h y c o a y t h r o b i l i n ( p e b ) d o u b l e - l i n k e dp h y c o u r o b i l i n ( p u b ) 三、葉綠素類： 葉綠素是葉綠體的主要色素，也是光合作用過程中最重要的光合色素。綠 色植物的葉綠素至少可分為葉綠素a 、b 、c 和磯種，而能進行光合作用的光合細菌須含有細菌 2 葉綠素口或b 。葉綠素口廣泛地存在于所有綠色植物的葉綠體中，是類囊體膜的主要色素；葉綠索 6 是另一種重要色素，它總是伴隨葉綠素口存在于高等植物和綠藻中。而葉綠素c 存在于硅藻、鞭 毛藻和褐藻中，葉綠素d 存在于紅藻中，這些藻類均含有葉綠素a ，但不含葉綠素b ，而藍藻只含 葉綠素a 。 葉綠素和b 都是卟啉化合物，它們都有一個卟啉“頭”和一長鏈的葉綠醇“尾巴”。卟啉“頭” 由四個吡咯環(huán)組成，卟啉環(huán)的中心有一個鎂( m g ) 原子，它與四個氮原子保持等距離。這個大 環(huán)中有一接套共軛雙鍵，即有一個 【鍵，葉綠素之所咀呈綠色，是由卟啉中的電子和m g 決定的。 葉綠素a 和b 兩種色素在結(jié)構(gòu)上和分子量方面差別不大，僅在第1 1 個吡咯環(huán)的側(cè)鏈上有所區(qū)別： 葉綠素a 的側(cè)鏈上是甲基( - - c h 3 ) ，當一c h 3 被醛基( - - c h o ) 代替時便成為葉綠素b ，如f i g u r e1 - 3 所示。細菌時綠素與葉綠素只在側(cè)鏈上有所不同。 c h h 一口p i i ，棚口 f i g u r e1 - 3 t h es n u c t i l r 鵲o f c h l o r o p h ：la n db a c t c r i o c h l o r o p h y l l 當卟啉環(huán)缺少中心部分的鎂原子時，這種葉綠素便成為去鎂葉綠素或去鎂細菌葉綠素。在 光合器官中除含有葉綠素和6 外，還含有少量脫鎂葉綠素，它們在光合作用中同樣有著重要地 位。 除上述三類光合色素外，在嗜鹽菌中有一種類似視紫質(zhì)的色素l l 一順視黃醛( i i c i 3 一 r e t i n a l ) ，其分子結(jié)構(gòu)如f i g u r e1 - 1 ( c ) 所示。它的紫色細胞膜吸收綠色光線，反射紅光和藍紫光， 兩者合并便形成了紫光。近來，美國馬里蘭大學(xué)的微生物遺傳學(xué)家歇樂達薩馬認為，這種用視 黃醛來吸收太陽光的原始微生物，可能統(tǒng)治了早期的地球。 c i o f i g u r e1 - 4 t h es m l c t i l r eo f11 一c i s w 血a l 3 博士學(xué)位論丈 d o c t o r a l d i s s e r 剮o n 1 i 2 光合色素的吸收光譜 f i g u r e1 - 5 t h es p e d a t u l lo f s t m l i g h ta n da b s o r p t i o ns p e c t r ao f s e v e r a lp h o t o p i g m e n t so ne a r t h 用分光光度計能精確測定光合色素的吸收光譜( f i g u r e1 - 5 ) 。葉綠素最強的在可見光區(qū)的吸 收有兩處：波長6 4 0 - 6 6 0 的紅光部分和4 3 0 - 4 5 0 n m 的藍紫光部分。葉綠素對橙光、黃光吸上較少， 尤其對綠光的吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。 葉綠素a 和葉綠素b 的吸收光譜很相似，但也稍有不同：葉綠素口在紅光區(qū)的吸收峰比葉綠素 6 的高，而藍光區(qū)的吸收峰則比葉綠素b 的低，也就是說，葉綠素b 吸收短波長藍紫光的能力比葉 綠素a 強。類胡蘿h 素的吸收帶在4 0 0 5 0 0 n m 的藍紫光區(qū)，它們基本不吸收紅、橙、黃光，從而 呈現(xiàn)橙黃色或黃色。在藻類的吸收中，藻藍蛋白的吸收光譜最大值是在橙紅光部分，而藻紅蛋 白則是在綠光部分。 光合色素對光波的選擇吸收是植物在長期進化中形成的對生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)，這使植物可利 用各種不同波長的光進行光合作用。因此，在多數(shù)情況下，植物體內(nèi)光合色素的光譜在很大程 度上受到光合膜中蛋白質(zhì)的影響而有所不同f 4 j 。 f 1 3 f i g u r e1 - 5 中各色素分子吸收光譜可以發(fā)現(xiàn)，照射到地球的太陽光8 0 以上都被第二類和 第三類光合色素所吸收，這兩類卟啉類光合色素分子主要存在于綠色植物，藻類和細菌中。在 下面章節(jié)將對含有卟啉類光合色素的兩類光合反應(yīng)系統(tǒng)( 光合系統(tǒng)l * n 光合系統(tǒng)) 以及含有卟 啉類光合色素的細菌和藻類的光譜研究進展進行介紹。 1 2 高等植物光合系統(tǒng)i i ( p s n ) 的結(jié)構(gòu)及功能 高等植物進行光合作用的主要場所是光合系統(tǒng)，這些光合系統(tǒng)由鑲嵌在類囊體膜中的多亞 基蛋白復(fù)合物組成，如f i g u r el - 6 所示。根據(jù)發(fā)現(xiàn)時問，光合系統(tǒng)可以分為光合系統(tǒng)i ( p s i ) 5 1 和光合系統(tǒng)i i ( p s h ) 嘲其中光合系統(tǒng)口s ) 主要利用吸收的光能使水裂解放出氧氣和質(zhì) 子，并從水分子中提取電子，電子通過質(zhì)體醌庫、c y t b 6 f 復(fù)合體和質(zhì)體藍素( p c 瀠遞到p s i 復(fù) 合體。而光合系統(tǒng)i ( p s d 主要負責(zé)將電子從p s n 還原的質(zhì)體藍素向外傳遞到鐵氧還原蛋白( f d ) 。 4 博士學(xué)位論文 d o c t o r a ld l s s e r r 皿( 塒 目前，對高等植物完整光合系統(tǒng)最高分辨率的解析主要為n a t h a nn e l s o n 等人在2 0 0 3 年首次解 析出了豌豆( p s w n s a t i v u mv a r a l a s k a ) 的光合系統(tǒng)i ( p s i ) 4 4 a 解析度的x - r a y 晶體結(jié)構(gòu)1 7 一。2 0 0 7 年n a t h a nn e l s o n 等人報道了具有3 4 a 高解析度的豌豆( p i s u ms a t i v u m ) 的光合系統(tǒng)i ( p s l ) 的完整 晶體結(jié)構(gòu) 9 1 ，這是目前已知的對高等植物光合系統(tǒng)是完整的報道。但是相對于高等植物的p s i 而言，光合系統(tǒng)i i ( p s n ) 具有獨特的催化光誘導(dǎo)水裂放氧的重要特性，又通常是研究生物體內(nèi) 電子傳遞、轉(zhuǎn)移途徑的重要研究對象，因而倍受人們的關(guān)注。 f i g u r e1 - 6 t h ee l e c t r o nt r a n s p o r t p a t h w a yf r o mp s i it op s i 光合系統(tǒng)n ( p s l i ) 是一個多亞基的色素蛋白復(fù)合物，存在于高等植物、藻類和細菌的類囊 體膜中。它包括由核基因和葉綠體基因編碼的大約2 5 個不同的蛋白質(zhì)亞基。如f i g u r e1 - 7 所示， p s i i 可以分成結(jié)構(gòu)和功能不同的兩部分。第一部分是外周天線( l h c i d 。主要負責(zé)捕獲光能；第 二部分是核心復(fù)合物，包括d 1 ，d 2 。c p 等復(fù)合物，核心復(fù)合物中間含有能夠進行電子傳遞的去 鎂葉綠素( p h e ) 和醌( q ) 等色素分子，這些輔助因子構(gòu)成了光合反應(yīng)中心。利用外周天線l h c i i 吸收的太陽能，反應(yīng)中心可以將水中的電子提取出來了，釋放出氧氣，這一步就產(chǎn)生了電化學(xué) 勢，為二氧化碳的固定和有機分子合成提供了能量【1 q 。如f i g u r e1 - 7 所示。 由于高等植物的光合系統(tǒng)i i ( p s i i ) 相對復(fù)雜，因此對其進行完整解析的x - r a y 晶體結(jié)構(gòu)還 沒有報道。但是通過電子顯微鏡，電子結(jié)晶等技術(shù)人們已經(jīng)獲得了高等植物p s i i 復(fù)合物的二維 或三維結(jié)構(gòu)信息，這些結(jié)構(gòu)信息正確歸屬和定位了大部分的亞基和生物跨膜螺旋等0 0 - 1 8 1 。 5 f i g u r e1 - 7 t h em t h u n i ta n dt h ee l e c t r o nt r a n s p o r ti np s i i 綜上所述，高等植物光合系統(tǒng)i i o s 1 1 ) 特殊功能的實現(xiàn)主要靠其中的捕光系統(tǒng)和反應(yīng)中心的 蛋白復(fù)合體來完成的，盡管目前對高等植物捕光系統(tǒng)【1 9 】和光合反應(yīng)中心【”1 的晶體結(jié)構(gòu)的研究已 經(jīng)取得了一些進展，但是由于實驗所報道晶體的分辨率較低，各種光譜實驗數(shù)據(jù)相對較少，對 其電子轉(zhuǎn)移機理與功能進行深入研究比較困難。藻類( 紅藻或藍藻) 是地球上最原始的生物， 其光合系統(tǒng)與高等植物的光合系統(tǒng)具有較高的同源性【”】，更重要的是藍藻具有特殊的捕光系統(tǒng) 可以敏銳的捕捉到水下l 米以下較微弱的綠光因此藻類捕光系統(tǒng)一直以來都是最為理想的研 究捕光系統(tǒng)的模型。紫細菌只有一個光合系統(tǒng)o s ) ，其結(jié)構(gòu)及功能與高等植物的光系統(tǒng)非常 接近i l m “1 。盡管紫細菌和高等植物在進化地位上相差很遠，但它們的光化學(xué)反應(yīng)機理卻是相似 的，都是光合作用引起原初電子供體與受體間的原初電荷分離，并驅(qū)動電子在不同的色素和醌 類的分子之間傳遞。近年來，紫細菌的光合反應(yīng)中, 6 , - - 直是研究光合作用原初電子轉(zhuǎn)移過程的 理想模型。 1 3 藻類捕光系統(tǒng) 1 3 1 藻類捕光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能 藻類捕光系統(tǒng)主要是由藻膽蛋白口“2 2 婦成，由于其形狀像天線通常也被稱為天線蛋白，如 f i g u r e1 - 8 所示。在生物體內(nèi)藻膽蛋白通常聚合成三聚體或六聚體，在低離子強度介質(zhì)中，可能 解離為單體。 6 l i g h t 4 8 0 - s 7 0n ms 5 0 - 6 5 0r i m t h y l a k o i dm e m b r a n e f i g u r e1 4 t h e e l e c t r o nt r a n s p o r tb e t w p h y c o b i l i p r o t e i n si nl i g h t - h a r v e s t i n gs y s t e mo f a l g a 根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)和光譜特征，藻膽蛋白可以分為藻紅蛋白( p e ，可見光吸收范圍在 4 8 0 - - 5 7 0 n m ) 、藻藍蛋白( p c ，可見光的最大吸收約在6 2 0 n t o 左右) 及變藻藍蛋t h ( a p c ，吸收范圍 約為6 5 f f - , 6 8 0 n m ) ，另外還存在一種比少見的藻紅藍蛋i 芻( p e c ，最大吸收約在5 9 0 h m 附近) ，每一 類藻膽蛋白又因其所含發(fā)色團的種類和數(shù)量不同而使其光譜特征有所差異，可分為c 一藻藍蛋白1 2 3 - 2 7 、b 藻紅蛋i 芻 2 8 1 、r - 藻紅蛋白陟蚓等。在藻體中它們規(guī)則地聚集和排列構(gòu)成大分子復(fù)合物 藻膽體，藻膽體貼在膜表面上，整個藻膽體分成桿( r o d ) 和核( c o r e ) 兩部分。在不同藻體中藻膽體- “ 的組成不同，并且會因所處的環(huán)境的不同而有所不同。藻膽體依據(jù)形態(tài)大致可分為四種：微管” 束形藻膽體、半盤狀藻膽體、半橢球形藻膽體、雙圓筒狀藻膽體“。在紅藻和藍藻中，藻膽 體通常形成半盤或半橢圓狀，半盤狀藻膽體是最常見的一種藻膽體，也是迄今為止研究比較清t 楚的一種【3 q 。如f i g u r e1 - 8 所示，藻紅蛋白( p e ) 位于藻膽體的最前端，將其捕捉到的光子依次傳 給藻藍蛋白( p c ) 、變藻藍蛋白( a p ) 直至葉綠素a 組成的光合反應(yīng)中心，其傳遞效率接近1 0 0 j 。 揭示這個高效傳遞的機理是一個極富挑戰(zhàn)性的問題。 多年來，對藻類天線系統(tǒng)以及其中的藻膽蛋白的結(jié)構(gòu)與組成有大量的研究工作，藍藻和一 些紅藻中各種藻膽蛋白的弧基組成、亞基中發(fā)色團的類型和數(shù)目以及他們的光譜性質(zhì)p m ，海洋 高等紅藻中藻膽蛋白的亞基組成以及初步晶體學(xué)研究工作【3 1 3 9 - 4 3 。這些工作使得對從低等藍藻 到高等海洋紅藻的基本結(jié)構(gòu)和組成有了比較清楚的認識。 在已經(jīng)開展的晶體結(jié)構(gòu)研究中，藻藍蛋白1 2 3 - 2 7 是目前開展的研究最多，也是結(jié) 構(gòu)最為清楚一類藻膽蛋白。19 8 5 年，s c h i r m e r 等人首次舭l(fā) a s t i g o c l a d u sl a m i n o s u s 藻青菌中 解析出了具有3 a 分辨率的c 藻藍蛋白的三維晶體結(jié)構(gòu)1 2 4 1 。近來，n a t a l i al e r l l e r 組又從 s y n e c h o c o c c u s ，砌m 中提取出具有l(wèi) ，6 a 分辨率的c 藻藍蛋白( c p c ) 的晶體結(jié)構(gòu)州。高分辨的 晶體結(jié)構(gòu)顯示，已報道的其它藻膽蛋白，如：別藻藍蛋白( a p c ) m i ，藻紅藍蛋白( p e c ，、1 2 7 ，b 藻紅蛋白p e ) 2 8 , 4 6 1 ，r - 藻紅蛋白限p e ) 渺她4 4 - 4 9 等與藻藍蛋白在結(jié)構(gòu)上相似。這些藻膽蛋白 7 都包含有研卿吾個亞基，它們通常以l ：l 摩爾比出現(xiàn)。氨基酸的排列順序測定結(jié)果表明：所有構(gòu) 成藻膽蛋白的多肽鏈具有屬于同族緊密相關(guān)的基因表達，這個研究結(jié)果表明所有藻膽蛋白可能 都是有同一樣祖先蛋白進化而來的鯽。藻膽蛋白上的基本結(jié)構(gòu)單位是單體( 喲，這些單體在一 定條件下可以形成( 喲 三聚體，兩個三聚體也可以形成( 喲6 六聚體圓盤，如f i g u r e1 - 9 所示。 f i g u r e1 - 9 t h es c h e m a t i ca r r a n g e m e n to f c h r o m o p h o r e si nt h ep h y c o c y a n i nh e x a m e rf o r m 藻膽蛋白中的各種聚休態(tài)的存在與其自然的狀態(tài)有關(guān)，在體外，藻膽蛋白的聚集態(tài)很大程度上 依賴于溫度、溶劑、溶液的p h 值，離子強度和蛋白濃度等因素。 1 3 2 藻膽蛋白光譜性質(zhì)及能量傳遞的研究進展 在藻膽蛋白中，光能的吸收和電子激發(fā)能的傳遞很大程度上是由藻膽素來完成的。藻膽素 是一種開環(huán)的四吡咯化合物，并以共價鍵硫醚鍵與多肽鏈相連接，如下f i g u r el - l o 所示。 f i g u r e1 - 1 0 p h y c o b i l i na n dt h d rp e p t i d el i n k a g e si np h y c o b i l i p r o t e i n s d i 】 迄今已知的藻膽素主要有4 種，即藻紅素( p b y c o ，i l l i ；0 b i l 蛐、藻藍素a p h 弦o c y o b i l i n ) 、藻腮素 y c 蛐) 和藻紫素y b i l i