光系统II反应中心D1/D2/Cyt b559复合物的光谱特性及其光破坏作用的研究

采用柱层析法从菠菜叶绿体中分离纯化得到高等植物光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心色素蛋白复合体Dl/D2/Cyt b559，并对其性质，特别是光破坏作用的分子机理进行了研究。主要结果如下： 1、PSⅡ反应中心复合物所含的色素比大约为Chla／2 Pheo a=6.0。其四阶导数光谱在红区有两个峰，表明该反应中心至少存在两种结合状态的Chla。 2、Dl/D2/Cyt b559复合物的荧光相对产率及发射光谱的谱带位置与样品的浓度直接相关。只有当样品的浓度达到足够稀的程度(Chla和Pheo a总浓度小于1μg／ml)，才能得到较真实的荧光光谱，其峰位在681nm处。 3、Dl/D2/Cyt b559复合物的CD光谱在红区（Qy带）有一对反向谱带，正蜂为680nm,负峰为660nm，而在β-胡萝卜素的吸收区没有明显的CD信号。当该反应中心复合物受光破坏后，CD信号明显下降，而且当正峰完全消失后，负峰仍然存在，说明负峰不仅包含P680 的信号，也包含其它色素分子的信号，很可能有部分来源于Pheo a。 4、Dl/D2/Cyt b559复合物在488nm处激发的共振拉曼光谱显示四个主要谱带，其峰位分别在1532(ν1)、1165(ν2)、1010(ν3)和970cm-1（ν4）处，表明PSⅡ反应中心结合的B-胡萝卜素分子是全反式构型。Dl/D2/Cyt b559复合物的色素抽提液的拉曼光谱也显示四个主要的拉曼峰，其中ν4谱带的强度急剧下降，说明PSⅡ反应中心内部结合的β-胡萝卜素分子与抽提液中自由的β-胡萝卜素分子的构象不同，而与光合细菌反应中心内部的类胡萝卜素分子的构象相似，其共轭多烯链的平面也处于扭曲状态。 5、光照使PSⅡ反应中心的原初电子供体P680受到破坏，在光照后的暗放置过程中P680分子继续受到破坏，表明在光照过程中很可能有一个相对稳定的反应中间体产生，以至于光照后暗放置过程中Dl/D2/Cyt b559复合物的光谱特性继续发生变化。也就是说，PSⅡ反应中心Dl/D2/Cyt b559复合物的光破坏不是一步反应，而是一个多步反应或多条途径。 6、光照使Dl/D2/Cyt b559复合物中的组氨酸(His)残基受到很大程度的破坏，甲硫氨酸(Met）残基的含量也略有下降，而其它氨基酸的含量基本保持不变。His残基的破坏很可能与光照后暗放置过程中Dl/D2/Cyt b559复合物的光谱特性变化相关。我们认为His残基的光照破坏很可能是Dl/D2/Cyt b559复合物受光照破坏的另一分子机理。 7、人工电子受体癸基质体醌(DPQ)可以与Dl/D2/Cyt b559复合物进行重组。Dl/D2/Cyt b559复合物的荧光衰减分析表明，在DPQ重组之后，两个长寿命荧光组分（24ns和73ns）的寿命减小，而且占整个荧光的分数也下降，表明这两个长寿命荧光衰减组分均来源于电荷重组过程。同时，β-胡萝卜素分子在DPQ重组之后更易于被光照破坏，这个过程可能与β-胡萝卜素分子的生理功能相关。 8、在没有外加人工电子受体的情况下，光照使DDl/D2/Cyt b559 复合物的多肽组成发生一定变化。SDS-PAGE图谱中出现一个约40KDa的新谱带，同时Dl与D2多肽的表观分子量增加，谱带染色强度下降。 9、本文根据以上实验结果，着重对Dl/D2/Cyt b559复合物光破坏的分子机理进行了分析和讨论，并在D1蛋白裂解的两种可能途经中又增加了一个新的可能导致Dl蛋白裂解的途径，即：His残基的光照破坏可以作为Dl/D2/Cyt b559复合物光破坏及Dl蛋白裂解的又一分子机理，这为深入研究PSⅡ反应中心的光破坏提供了新的线索，也为今后研究活体内光抑制现象的分子机制打下了良好的基础

光系统II反应中心吸能和转能的分子机理研究

全文分两部分，(1)．PsⅡ反应中心色素分子光破坏的分子机理研究;(2)．PSⅡ反应中心原初反应的动力学机理研究。 在第一部分中，在分离纯化的光系统Ⅱ反应中心Dl/D2/Cyt b559复合物中，采用高效液相色谱技术，首次发现PSⅡ反应中心去镁叶绿素分子的光照破坏，研究了去镁叶绿素的光破坏机理，观察到PsⅡ反应中心内部存在一个与光化学活性无关的去镁叶绿素分子，从而提供了PSⅡ反应中心存在两条电子传递链的第一个实验证据，提出了去镁叶绿素对PsⅡ反应中心的光保护假说和光合作用反应中心第二条电子传递支路的光保护假说。用高效液相色谱技术还观察到PSⅡ反应中心的6个叶绿素a分子，有三种不同的存在状态，认为PSl反应中心的最小色素组成为每个反应中心含有4个叶绿素a和2个去镁叶绿素。用光破坏的方法证明PsⅡ原初电子供体P680是由两个叶绿素n分子组成，认为P680是以一个二聚体形式存在，首次发现P680的光破坏过程包含失去中心镁原子的反应。 在第二部分中，用皮秒和飞秒时间分辨光谱技术，在PsⅡ颗粒、PsⅡ核心复合物和PSⅡ反应中心三个层次上，研究了PsⅡ原初反应的动力学性质，着重研究电荷分离和PsⅡ反应中心内部的能量传递过程。结果表明，B-胡萝卜素和P680之间的能量传递时间常数为350p8左右，去镁叶绿素a与P680之间的能量传递时间为lOOp8左右，提出了可能的动力学模型。 在目前分歧最大的原初电荷分离时间常数测定这一焦点问题上，得到的初步结果表明PsⅡ反应中心电荷分离时间为3-3.5pa左右，这一结论与文献上报道的21pa不同，丽倾向于支持国际上3p8的观点。

光系统II反应中心复合物组成性质与光仰制分子机理研究

由于光系统Ⅱ反应中心Dl/D2/Cyt b559色素蛋白复合物(PSII-RC)的红 区吸收光谱严重重叠，给其组成特性研究及光抑制分子机理研究造成 了困难，因此我们运用多种光谱分析技术配合计算机数据处理技术对 PSII-RC复合物的组成特性进行了研究，并用自己建立的方法对PSII-RC 的色素和多肽的化学计量进行了进一步确定，另外还重点研究了单线 态氧在PSII-RC光破坏中的作用，据此提出新的PSD[-RC光抑制分子机 理。主要结果如下： 1．用反相HPLC外标法测定我们制备的色谱纯PSR-RC样品的色素化 学计量结果为Chl:Pheo:Car= 6:2:2。我们发现，当PSII-RC中存在微量CP47 时，Chl: Pheo的比例与CP47的含量呈正相关关系，说明较高的Chl比例 可能表示样品中有CP47污染。结果还表明PSII-RC中Car: Pheo的比例也与 CP47含量有关，说明CP47可影响Car在PSII-RC上的结合，这暗示CP47可 能结合Car，或者CP47对PSII-RC上Car的结合位点有影响，这一推测对阐 明CP47的功能有一定启发作用。 2．建立了一种估算PSII-RC多肽化学计量的理论计算方法，即利用计 算机统计PSII-RC中各多肽组分的不同氨基酸残基数量，以确定不同多 肽化学计量时的理论氨基酸残基组成，并与PSlI-RC的实测氨基酸残基 组成进行比较，得到所用PSII-RC样品的多肽化学计量值为D1+D2:Cyt b559-o+邮：I=2:1:1. 3．对PSII-RC的红区吸收光谱进行了高斯解析，发现680 nm附近含有 峰高和半高宽明显不同的两个高斯组分，它们对光抑制处理的响应具 有明显差别，分别表现了P680和Pheo的特征。由此可知，在680nm处除了 有P680的信号外，PSII-RC中的Pheo在这个区域也有跃迁组分。这个结果 表明光抑制进程中PSII-RC红区吸收光谱信号的下降除了P680的破坏 外，还与Pheo的破坏有关。 4．用Ste)anov关系式分析了PSII-RC色素激发态分布的平衡状态，发现 经过暗适应的PSII-RC的激发态可达到充分的平衡，光抑制处理可导致 PSIL-RC激发态平衡受到破坏。 5．用荧光发射光谱观察到PSII-RC在光抑制进程中有弱光破坏和强光 破坏两个破坏过程，前者是与色素间能量传递的色素结合状态与 取向的破坏，后者与色素本身化学结构的破坏有关。通过研究不同激发波长下的发射光谱发现Car的弱光破坏过程比Chl快，暗示Car可能的保护作用，而Pheo的破坏程度比Chl小。从发射光谱组分的光破坏时间 进程推断强光破坏过程导致的色素破坏是多步反应，验证我们小组原 先报导的PSII-RC的多步反应特性。 6．首次将磁圆二色光谱( MCD)技术应用于PSII-RC研究，发现MCD明显表现出比吸收光谱要丰富得多的光谱精细结构，同时还具有较高的灵敏度和分辨率，不经过任何解析就可直接观察到680 nm组分及其它色素组分的变化，而且PSⅡ-RC中的Car没有明显MCD信号，使PSII-RC谱 图简化，便于进一步分析。用MCD技术还观察到光抑制初期Chl从PSII- RC复合物上脱离及Pheo的光破坏现象。 7．分别用HPLC法、吸收光谱高斯解析法、荧光发射光谱分析法和MCD法共四种方法证明了PSII-RC中Pheo的光破坏，充分证实我们小组关于Pheo光破坏的报导，同时还证明Pheo的光破坏是单线态氧作用的结果。 8．给出了单线态氧参与PSII-RC色素和蛋白光破坏的直接实验证 据，即发现光抑制过程中色素和蛋白的破坏受到单线态氧的特异性清除剂的保护，用化学方法在暗中产生的单线态氧同样造成与光抑制相 似的PSII-RC各组分的损伤，由此说明单线态氧是PSII-RC光抑制过程中 的直接破坏因子。 9．提出了PSII-RC中Hiis残基光破坏的一种新的分子机理。用组氨酸残基的特异性化学修饰剂证实以前我们实验室发现的PSI[-RC组氨酸残基的光破坏，根据比较蛋白变性前后的测定结果，初步证明PSIl-RC中 受光破坏的His残基位于P680附近。我们还观察到光抑制处理后，PSII- RC表现与组氨酸残基被修饰后的样品相似的紫外吸收特征，由此提出 PSII-RC中His残基光破坏的一种分子机理，即His残基的眯唑环上的两个氮原子与其它多肽上的游离氨基在单线态氧的作用下发生反应形成酰 胺键而导致PsII-RC多肽间的共价交联，推测PSII-RC中His残基的光破坏与其蛋白的光致交联和降解有直接的因果联系。

高温和衰老对光合膜结构与功能影响的研究

本部分研究以菠菜和水稻为材料，比较系统的研究了高温对类囊体膜、PSII颗粒、PSII外周捕光天线LHCII、PSII核心复合物和PSII反应中心等不同层次膜蛋白结构与功能的影响，以探讨高温对光合膜蛋白的伤害机理。其主要结果如下： 1．类囊体膜结构与功能的完整性对于维持PSII的结构与功能在高温胁迫下的稳定性具有重要作用。当类囊体膜的完整性受到破坏，当与PSI有关的一系列保护机制失去作用时，PSII对高温胁迫的敏感性会大大加强。 2．虽然PSI的功能在高温下保持相对稳定，但PSI的结构在高温胁迫下并不稳定。本文的研究发现LHCI对高温非常敏感，在中度高温胁迫下就开始降解，但PSI的核心在高温下比较稳定，所以PSI介导的电子传递活性仍然维持在较高水平。 3．高温胁迫会对PSII的结构和功能产生多重破坏。这个过程首先应该是放氧复合体的失活：其次是反应中心的可逆失活;接下来可能是核心天线CP43和CP47的失活导致捕光天线同反应中心的能量传递受阻;再下来是QA到QR电子传递的受阻、反应中心的不可逆失活、捕光效率下降等过程;最后是大范围色素蛋白的变性和失活，PSII的结构和功能遭到彻底破坏。 4．高湿胁迫下Fo显著升高，Fo的升高的原因可能源于少量捕光天线同反应中心的分离和反应中心的失活。 5．高等植物体的类囊体膜中存在多种Chla和Chlb的光谱吸收形式。这些代表不同的光谱吸收形式的组分在高温胁迫下表现出不同程度的降解，其中C678 和C684组分降解最快。这些不同的光谱吸收形式组分可能以不同的比例存在于每一种色素蛋白复合物中。 6．LHCII的结构与功能对于维持PSII结构与功能的热稳定性具有重要作用，LHCII完全缺失的水稻突变体VG28及分离纯化的PSII核心复介物都人大增强了对高温的敏感性。但一种LHCII减少的水稻突变体249-Mutant,反而增加了PSII的热稳定性，进一步的研究表明，类囊体膜中 LHCII本身含量的多少对PSII热稳定性的影响不足决定性的，关键性因素可能主要取决于 LHCII含量改变而引起的膜脂组成和膜脂不饱和程度的改变，以及由膜脂变化引起的PSII放氧复合体结构与功能的变化。 7．本研究首次发现，高温可以促使分离纯化的LHCII的红区吸收光谱发生显著红移，而680nm处的荧光发射降低，长波长荧光组分大大增强。绿胶电泳表明中度高温胁迫能够诱导LHCII产生寡聚体，这种寡聚体可能在调节能量耗散方面具有重要生理意义：而严重高温胁迫下LHCII倾向于聚合产生大分子的非活性聚集体。 8．分离纯化的反应中心对高温非常敏感，各种色素的结构和功能在轻度高温胁迫下就开始受到破坏和抑制，各种色素变性和降解的顺序由快到慢是：P680>Pheo>Chla>β-Car。反应中心的多肽组分在高温胁迫下显著减少，Dl和D2减少的原因可能归因于高温胁迫导致大分子聚合物的产生，D2的减少显著快于D1的减少。

Controlled growth of aligned ZnO nanowires

The growth of vertically aligned zinc oxide nanowires (ZnO NW) using a simple vapor deposition method system is reported. The growth properties are studied as a function of the Au catalyst layer thickness, pressure, deposition temperature, and oxygen ratio. It was found that the diameter and density of the nanowires is controlled mostly by the growth temperature and pressure. The alignment of the nanowires depends on a combination of three factors including the pressure, temperature and the oxygen ratio. Our results implicates the growth occurs by a vapor liquid solid (VLS) process [1].

Vertically aligned carbon nanotubes growth using self-assembled Ni nanoparticles produced by ion implantation

An alternative method for seeding catalyst nanoparticles for carbon nanotubes and nanowires growth is presented. Ni nanoparticles are formed inside a 450 nm SiO2 film on (100) Si wafers through the implantation of Ni ions at fluences of 7.5×1015 and 1.7×1016 ions.cm-2 and post-annealing treatments at 700, 900 and 1100°C. After exposed to the surface by HF dip etching, the Ni nanoparticles are used as catalyst for the growth of vertically aligned carbon nanotubes by direct current plasma enhanced chemical vapor deposition. © 2007 Materials Research Society.