高等植物PSI颗粒的分离提纯及其光破坏机理的初步探讨

从菠菜叶绿体中分离提纯PSI颗粒及其捕光天线色素蛋白复合物LHCI，对其光谱特性进行分析。对PSI颗粒中色素和蛋白的光破坏进程，并对外加组氨酸、Triton，以及温度对PSI颗粒光破坏的影响等进行了比较系统的研究，以探讨PSI光破坏的机理。其主要结果如下： 1. 对PSI颗粒和LHCI色素蛋白复合物的荧光光谱的研究，发现PSI中Chlb所吸收的光能主要传递给LHCI中的“长波组分”（吸收波长大于P700的Chla）。 2. 在PSI颗粒光破坏进程的研究中发现，Chla中吸收波长较长的组分首先发生光破坏;位于PSI颗粒外围的LHCI上的Chlb，也容易受到光破坏;Car先于Chlb发生光破坏。在光照处理过程中，PSI的天线色素蛋白复合物LHCI多肽降解程度大于反应中心多肽组分（PsaA，PsaB）的降解，其中LHCI-680首先由于光破坏而发生降解。PsaD也是容易受到光破坏而发生降解的一个多肽。另外，还发现在长时间光照后有蛋白聚合现象发生。 3. 在PSI颗粒中外加单线态氧的淬灭剂组氨酸，分析不同光强光照处理过程中组氨酸对PSI颗粒中色素和多肽光破坏的保护作用，发现外加组氨酸对强光照（2300μEm-2s-1）引起的叶绿素光吸收减少和CD信号减弱的有效抑制表现出一个明显的延迟期，但对强光诱导的荧光产量下降的效应却能立即表现出来;在强光照前期和弱光照（300μEm-2s-1）条件下，组氨酸不能抑制PSI颗粒的光吸收下降。另外，外加组氨酸除了对反应中心多肽有光保护作用以外，对PSI中其它多肽也有显著的保护作用。 4. 用不同浓度的Triton处理PSI颗粒，发现较低浓度的Triton可以增大叶绿素的光吸收和PSI颗粒的荧光产量，而不对PSI颗粒的多肽组成造成影响;当Triton浓度达到一定的程度时，虽然不会影响PSI颗粒的多肽组成，但是会使其光吸收减少，荧光产量下降;而当Triton浓度过高时，PSI颗粒的多肽会发生降解现象，同时其光吸收和荧光产量也迅速下降。Triton浓度较低时，PSI颗粒光破坏的程度随Triton浓度的增大而增大，当Triton浓度增大到一定的程度时，PSI颗粒的光破坏程度同Triton浓度不再呈明显的正相关。 5. 对PSI颗粒进行不同温度的热处理，其结果表明：温度较低（20 ℃～40 ℃）的热处理对PSI颗粒的多肽和叶绿素光吸收的影响程度很小，照光后不同温度热处理过的PSI颗粒光吸收减少和多肽降解的程度相近;温度较高（50 ℃～60 ℃）的热处理会对PSI颗粒的结构产生影响，使之稳定性减小，对光处理更敏感;温度更高（大于70 ℃）的热处理会破坏PSI颗粒的结构，引起多肽组分的降解。另外，不同的多肽对热处理的敏感性显著不同。 6. 低温（4 ℃）和常温（20 ℃）下PSI颗粒光破坏的比较发现，室温下PSI颗粒的光破坏程度明显大于低温下光破坏的程度，表明光处理过程中温度会影响到PSI颗粒光破坏的程度。 通过上述的研究结果，分析了PSI颗粒光破坏过程中色素和蛋白的变化及其外界因子的影响，对PSI颗粒光破坏的机制进行了初步的探讨。

Characterization of the main light-harvesting chlorophyll a/b-protein complex of green alga, Bryopsis corticulans

The main light-harvesting chlorophyll a/b -protein complex (LHC II) has been isolated directly from thylakoid membranes of shiphonous green alga, Bryopsis corticulans Setch. by using two consecutive runs of anion exchange and gel-filtration chromatography. Monomeric and trimeric subcomplexes of LHC 11 were obtained by using sucrose gradient ultracentrifugation. Pigment analysis by reversed-phase high performance liquid chromatography showed that chlorophyll a (Chl a), chlorophyll b (Chl b), neoxanthin, violaxanthin and siphonaxanthin were involved in LHC 11 from B. corticulans. The properties of electronic transition of monomeric LHC II showed similarities to those of trimeric LHC II. Circular dichroism spectroscopy showed that strong intramolecular interaction of excitonic dipoles between Chl a and between Chl b exist in one LHC II apoprotein, while the intermolecular interaction of these dipoles can be intensified in the trimeric structure. The monomer has high efficient energy transfer from Chl b and siphonaxanthin to Chl a similarly to that of the trimer. Our results suggest that in B. corticulans, LHC II monomer has high ordered pigment organization that play effective physiological function as the trimer, and thus it might be also a functional organization existing in thylakoid membrane of B. corticulans.

Amplified DNA detection sensitivity using streptavidin-biotinylated protein complex: Characterization by electrochemical impedance spectroscopy

Thiol-terminated oligonucleotide was immobilized to gold surface by self-assembly method. A novel amplification strategy was introduced for improving the sensitivity of DNA. hybridization using biotin labeled protein-streptavidin network complex. This complex can be formed in a cross-linking network of molecules so that the amplification of the response signal will be realized due to the big molecular size of the complex. It could be proved from the impedance technique that this amplification strategy caused dramatic improvement of the detection sensitivity. These results give significant advances in the generality and sensitivity as it is applied to biosensing.

Enhanced surface plasmon resonance immunosensing using a streptavidin-biotinylated protein complex

In this paper, we present a novel strategy for improving the sensitivity of surface plasmon resonance immunosensing using a streptavidin-biotinylated protein complex. This amplification strategy is based on the construction of a molecular complex between streptavidin and biotin labeled protein. The complex can be formed in a cross-linking network of molecules so that the amplification of the response signal will be realized due to the big molecular size of the complex. The results show that the amplification strategy causes a dramatic improvement of the detection sensitivity. hIgG protein could be detected in the range of 0.005-10 mug ml(-1).

Isolation of the main light-harvesting chlorophyll a/b-protein complex from thylakoid membranes of marine alga, Bryopsis corticulans by a direct method

The main chlorophyll a/b light-harvesting complex (LHC 11) has been isolated directly from thylakoid membranes of marine green alga (Bryopsis corticulans Setch.) by two consecutive runs of anion exchange and gel-filtration chromatography. LHC 11 proteins in the membrane extracts treated with 3% n-Octyl-b-D-glucopyranoside (OG) obtained specific binding ability on Q Sepharose column, and thus were isolated from the thylakoid membranes in a highly selective fraction. The monomeric, trimeric and oligomeric subcomplexes of LHC 11 have been obtained by fractionation of the LHC 11 mixes with sucrose density gradient ultracentrifugation. The SDS-PAGE analysis of peptide composition and absorption spectrum showed that LHC 11 monomers, trimers and oligomers prepared through this work were intact and in high purity. Our report is the first to show that it is possible to purify LHC If directly from thylakoid membranes without extensively biochemical purification.

Diversity of pigment-protein complexes of photosynthetic organisms.

PS I, PS II and light-harvesting complexes (LHC) in oxygen evolving photosynthetic organisms were reviewed. These organisms include cyanobacteria, red algae, brown algae, diatoms, chrysophytes, dinophytes, xanthophytes, crypophytes, green algae and green plants. The diversity of pigment-protein complexes that fuel the conversion of radiant energy to chemical bond energy was highlighted, and the evolutionary relationships among the LHC structural polypeptides and the characteristics of the fluorescence emission of PS I at 77 K was discussed.

Isolation and nomenclature of pigment-protein complexes from the brown alga (Undaria pinnatifida Harv.)

Eight kinds of pigment-protein complexes were resolved from the thylakoid membrane of the brown alga (Undaria pinnatifida Harv.) by using non-ionic detergent decanoyl-N-methylglucamide and PAGE technique. According to the apparent molecular weights, spectra characteristics, polypeptide compositions and referring to the higher plant spinach, eight pigment-protein complexes were named under Anderson's terminology system as CP I a, CP I, CPa, LHC1, LHC2, LHC3, LHC4, LHC5.

PSII色素蛋白复合物的脂质体重组及反应中心的功能研究

光系统II（PSII）是存在于类囊体膜中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（LHCII）与PSII核心复合物结合形成的PSII-LHCII超分子复合物，这一结构保证了LHCII吸收的能量能够快速有效的传递到PSII反应中心（RC），进行原初光化学反应。 本论文分为两部分：1、利用捕光色素蛋白复合物（LHCII）与PSII核心复合物在以DGDG、PG、SQDG三种类囊体膜脂形成的脂质体中重组的方法，研究了LHCII与PSII在脂膜上结构与功能的相互作用;2、通过研究光破坏和色素置换对PSII RC的影响，探讨了RC中不同色素的功能。主要结果如下： 1、LHCII与PSII核心复合物的蛋白脂质体研究： 将OECC（粗提核心复合物）、pdOE（纯化核心复合物）、LHCII（大量天线）制剂分别与脂质体重组并研究了其光谱性质。LHCII在与脂质体重组前表现出典型的聚集态光谱特征，重组后吸收和荧光发射峰发生明显蓝移;LHCII、OECC和pdOE三种蛋白脂质体与重组前的样品相比荧光发射强度增加;表明脂环境影响了色素蛋白复合物的聚集状态以及色素和蛋白之间的相互作用。 OECC和pdOE分别与LHCII在脂质体中重组，得到两种重组蛋白（LHCII-OECC和LHCII-pdOE）脂质体，用冰冻蚀刻电镜技术和低温荧光光谱的方法研究其结构和功能特征。LHCII和核心复合物（OECC或pdOE）结合形成PSII-LHCII重组颗粒，并在脂质体中均匀排布，阻止了LHCII晶格状结构的形成。重组蛋白脂质体的吸收光谱既有LHCII的吸收特征，又有核心复合物的特征吸收峰，但低温荧光光谱的主要发射峰是核心复合物的特征峰（684 nm-685 nm），而不是LHCII的特征峰（680 nm）;而且激发不同色素得到的荧光发射光谱基本一致，这些结果证明LHCII吸收的能量传递到了核心复合物中，在重组蛋白脂质体中不同色素蛋白复合物在结构和功能上都实现了相互偶联。 通过对OECC或pdOE与LHCII重组形成的蛋白脂质体放氧或DCPIP光还原活性的检测研究了PSII光化学活性特征。LHCII和核心复合物（OECC或pdOE）的重组蛋白脂质体与单独核心脂质体相比，在强光和弱光下光化学活性都明显提高。这从另一个角度证明了核心复合物与LHCII的功能偶联，LHCII的结合使捕光截面积增大，从而使PSII光化学活性增加。 用77K飞秒时间分辨荧光光谱分析了几种蛋白脂质体的能量传递和捕获情况。LHCII、OECC和pdOE三种蛋白脂质体的主要荧光衰减组分分别是670 ps（发射峰在680 nm）、650 ps（发射峰在690 nm）和570 ps（发射峰在685 nm）。LHCII-OECC和LHCII-pdOE脂质体的主要衰减组分分别是940 ps（发射峰在690 nm）和840 ps（发射峰在685 nm），并且出现了一个在核心复合物脂质体和LHCII脂质体中没有的40 ps组分，可以推测，这是LHCII和核心复合物之间达到平衡的时间组分，比激发态衰减的平均寿命要快得多，因此支持了PSII的trap-limited激发能衰减动力学模型。此外，可以看到天线的增大使Chl a荧光衰减的寿命延长，这一特性可能与PSII的光保护机制有关。 LHCII和OECC、LHCII和pdOE在脂质体中都成功的实现了重组，而且在结构和功能上没有明显差异;表明小天线以及23 kDa、17 kDa蛋白可能不是LHCII和核心复合物结合及能量传递所必需的。 2、受体侧光破坏和色素置换对PSII RC的影响： 在800 μmol.m-2 .s-1光照和无外加电子受体、供体的情况下，研究了PSII RC色素的受体侧光破坏情况。Chl a、Pheo和β-Car的光漂白几乎同时发生，其中在680 nm吸收的色素破坏最为显著，670 nm吸收的外周Chl比其他色素更加稳定。荧光发射强度呈先升高后降低的趋势，最大发射峰位逐渐蓝移，表明色素之间的能量传递受到破坏。用β-Car的主要吸收波长488 nm和514.5 nm激发得到两组谱带峰位和强度不同的拉曼光谱，表明在PSII RC中存在两个光谱性质不同的β-Car。光破坏过程中两组谱带的位置和带宽都没有明显变化，表明β-Car的光保护机制不涉及自身构象的变化。 将PSII RC与Cu-Chl a进行色素置换，得到了与Cu-Chl重组的RC（Cu-Chl-RC），含有0.5 Cu-Chl/2Pheo。与对照RC（按同样方式与Chl a置换的RC）和天然RC相比，Cu-Chl含量增加而Chl含量减少，660 nm的吸收增加而670 nm吸收降低，因此推测是外周Chl被替换。色素置换过程对RC的多肽组分及大部分的P680活性没有影响，CD光谱的变化也很小，表明产生CD信号的色素和蛋白环境也没有受到明显影响。但是Cu-Chl-RC的荧光发射强度明显降低，最大发射峰蓝移且峰形发生变化，Cu-Chl可能在重组RC中作为激发态的淬灭剂，阻碍了色素之间的能量传递。

Refining near-native protein-protein docking decoys by local resampling and energy minimization

How to refine a near-native structure to make it closer to its native conformation is an unsolved problem in protein-structure and protein-protein complex-structure prediction. In this article, we first test several scoring functions for selecting locally resampled near-native protein-protein docking conformations and then propose a computationally efficient protocol for structure refinement via local resampling and energy minimization. The proposed method employs a statistical energy function based on a Distance-scaled Ideal-gas REference state (DFIRE) as an initial filter and an empirical energy function EMPIRE (EMpirical Protein-InteRaction Energy) for optimization and re-ranking. Significant improvement of final top-1 ranked structures over initial near-native structures is observed in the ZDOCK 2.3 decoy set for Benchmark 1.0 (74% whose global rmsd reduced by 0.5 angstrom or more and only 7% increased by 0.5 angstrom or more). Less significant improvement is observed for Benchmark 2.0 (38% versus 33%). Possible reasons are discussed.

Characteristics and comparative study of chlorophyll-protein complexes from siphonous green algae

By mild PAGE method, 11, 11, 7 and 9 chlorophyll-protein complexes were isolated from two species of siphonous green algae ( Codium fragile (Sur.) Harlot and Bryopsis corticulans Setch.), green alga (Ulothrix flacca (Dillw.) Thur.), and spinach (Spinacia oleracea Mill.), respectively. Apparent molecular weights, Chi a/b ratios, distribution of chlorophyll, absorption spectra, low temperature fluorescence spectra of these complexes were determined, and compared with one another. PS I complexes of two siphonous green algae are larger in apparent molecular weight because of the attachment of relative highly aggregated LHC I. Four isolated light-harvesting complexes of PSII are all siphonaxanthin-Chl a/b-protein complexes, and they are not monomers and oligomers like those in higher plants. Especially, the absence of 730 nn fluorescence in PS I complexes indicates a distinct structure and energy transfer pattern.

三种红藻光合作用色素系统的比较研究

本研究分为三个部分：1.以坛紫菜（Porphyra haitanesis Chang et Zheng）的叶状体和丝状体为研究对象，比较坛紫菜叶状体和丝状体的光合色素、色素蛋白的组成，并提取纯化藻红蛋白、藻蓝蛋白、藻胆体及类囊体膜和光系统。研究结果表明坛紫菜叶状体和丝状体色素及色素蛋白的含量不同，藻红蛋白是主要的色素蛋白，坛紫菜叶状体和丝状体的藻红蛋白的含量分别为2.9mg藻红蛋白/g鲜重、4.2mg藻红蛋白/g鲜重，这表明坛紫菜叶状体和丝状体藻红蛋白含量丰富，是提取藻红蛋白很好的材料。藻胆体的性质差异不大，但类囊体膜差异显著，从坛紫菜叶状体中分离到了两种不同的类囊体膜带，光系统Ⅰ(PSⅠ)和PSⅡ分别结合在两条类囊体膜带上，但从坛紫菜丝状体中也分离到两条类囊体膜带，它们的光谱性质和蛋白组成相似，仅放氧速率和DCIP活性有差异，从坛紫菜丝状体中我们仅分离到PSⅡ。坛紫菜叶状体PSⅡ有5种外在蛋白(33、20、Cytc 550、15、12kDa蛋白)，而坛紫菜丝状体外在蛋白仅有4条，缺少12kDa蛋白。2. 以在中国江苏部分地区进行了大规模的商业化栽培的突变体条斑紫菜（Porphyra yezoensis Ueda）和野生型条斑紫菜为研究对象，比较其色素及色素蛋白组成、对不能光质的利用率及藻胆体的组成。条斑紫菜和突变型条斑紫菜对不同的光质利用效果有差异，在白光的照射下，野生型紫菜的放氧速率最大，而突变型紫菜在黄光照射下的放氧速率最大。条斑紫菜野生型与突变型色素含量上有明显的差异,突变型紫菜的藻红蛋白含量明显减少而藻蓝蛋白的含量增加。通过杂交的方法证实诱变所获得条斑紫菜突变体为细胞质突变，但是突变型紫菜却发生了由细胞核编码的γ亚基的缺失，这表明突变型紫菜藻红蛋白含量和性质发生了明显的变化。3. 为了找出淡水红藻-深紫美芒藻(Compsopogon coeruleus (Balbis) Montagne)分布狭窄及生物产量低的原因，本文对深紫美芒藻在不同的盐离子浓度下的放氧速率及藻胆体色素组成和结构上进行研究。结果显示：微量的NaCl（0.1mM）促进深紫美芒藻放氧，而深紫美芒藻在较高的NaCl（1、10mM）, NaH2PO4 （0.1、1、10mM）和 NH4NO3（0.1、1、10mM）溶液中却没有检测到氧气的产生。这与深紫美芒藻生长的环境一致即深紫美芒藻生活在低盐浓度、低营养的泉水中。深紫美芒藻的藻胆体是由藻红蛋白、藻蓝蛋白及别藻蓝蛋白组成，上面结合α、β和γ亚基，含有藻红胆素、藻篮胆素，但缺乏缺少藻尿胆素。

高等植物PSI ,PSII反应中心及天线系统色素蛋白复合体结构与功能的研究

一、实验证明了Cd H、Mg“在小麦类囊体膜上色素蛋白复合体的解聚和再聚合过程中，具有不同的作用。因此，二阶阳离子对激发能在光系统间的分配调节作用，可能不能仅仅用“静电现象”(Barber(1980))去解释。分析表明，在Ca2+作用下与PSII内周天线CP-47，GP-43多肽结合的L H C II和LHClb是来自间质膜区的PS I系统的。从PSI迁移到P S II的捕光色素蛋白，增加了PSII的捕光截面，从而促进了激发能有利于PsII分配。 二、Ca2*、Mg2+对小麦和菠菜类囊体膜光谱性质的影响有所差异。Ca2+对小麦类囊体膜光谱性质的影响还可以随着介质中Ca2+的消除而消除。同小麦类囊体膜相比，菠菜PSII以及LHCII更为集中在基粒区域，这可能是菠菜类囊体膜强Fv以及高F888／F735，F89H／F735比值的原因。因此，Ca2+，HgH对激发能在光系统间分配的调节作用是依赖于光系统间激发能及天线色素蛋白的分配状况的。 三、对菠菜叶中分离的PSII-RC: D1-D2-cyt b55g复合物进行的低温荧光发射光谱的研究表明，这一复合物可能具有F681和F684两种波长的低温荧光发射，但它们通常并不是同时存在，而是取决于Ca-670与Ca-680 Chla分子的相对含量的。PSII-RC内周无线GP-47，GP-43多肽的存在是D1-D2-cyt b559复合物低温荧光发射红移的原因;而D1一D2cyt b559复合物的不稳定性则与其低温荧光发射的蓝移现象有关。 从蕹菜叶中分离的Dl—D2-cyt b559复合物的F 381低温荧光发射也是由其相对含量较高的C．i-6 7 0 Chla分子的存在决定的。对蕹菜D 1一D 2-cyt b559复合物中的分析还表明，F 681的低温荧光发射直接来源于Di／D2复合物，而415nm处相对较强的吸收，则可能主要是与Pheo的存在有关的。 四、多肽分析与光谱分析的对照表明，CP-26内周天线多肽可能是PSII中F695低温荧光发射的真正来源。 五、实验分析了蔗糖密度离心分离的LHClI和PSI颗粒。结果排除了CP-27多肽（以及CP，一2 5，GP-47，CP -4 3多肽）具有F695低温荧光发射的可能，因此支持了CP-26多肽是PSII中F695低荧光发射来源的看法。对PsI颗粒的分析表明，P700的存在可能是与PSI-RC中较大的Sub-I亚基相联系的。 六、根据以上的研究结果，提出了PSI，PSII在类囊体膜上的结构模式，并对其内容进行了分析和讨论。

Ca 2+对叶绿体膜流动性及光系统II叶绿素蛋白质复合物的影响

通过实验我们证明Ca2+对叶绿体膜的流动性，对PS I和PS II叶绿素蛋白质复合物的相对含量，以及PS I和PS II的多肽均有影响。 Ca2+对叶绿体膜表层的流动性影响不大，但降低了叶绿体膜深层脂质分子的流动性。从另一个角度阐明了Ca2+抑制光能从PS II向PS I传递的机制。 Ca2+可使PS I的21，23，110KD的多肽转移至PS II，LHCP1和LHCP2中的CF1的两个亚基（55，60KD）转至CPa和LHCP3，从而增加了PS II的捕光截面，引起激发能在两个系统之间的分配的改变。 用免疫学方法可以证明CPIa2和LHCP2的Ab为复合抗体，CPIa1的Ab为单抗，我们可以推测向日葵的不同叶绿素蛋白质复合物具有同源性。