高放氧活性的PSII颗粒及胆酸抽提对其活性的影响

用Triton X--100增溶菠菜叶绿体，分离到高放氧活性的PSII颗粒。对增溶过程中的缓冲液pH Triton与叶绿素比例、Na~+ 浓度等因素进行分析，结果表明各因素相互间作用不大;pH的最佳范围为6.7～7.1。制备的PS-II颗粒放氧活性达210μmoles/mgchl.hr、DCIP→MV的光还原活性约为54μmoles O_2/mgchl.hr. P700与叶绿素比例为1/1900。放氧活性相当稳定，在0℃水浴保存的活性半衰期为80小时左右。该PSII颗粒的多肽分子量主要分布在68、56、46、34、28.5、25、20和17KD区域，其中25KD多肽占总蛋白质含量的40%经上。上述PSII颗粒经胆酸钠或Tris处理后，放氧活性和DPC→DCIP的希尔反应活性都有不同程度的下降，同时有一些蛋白质被抽提。胆酸钠抽提到的组分是65、58和15KD多肽;Tris则对34KD多肽的抽提作用最为显著。本文初步讨论了这些多肽与PSII氧化侧的关系。文中缩写：Tris-三羟甲基氨基甲烷;EDTA-乙二胺四乙酸;Tricine-一三（羟甲基）甲基甘氨酸;HEPES--N-2-羟乙基呱嗪-N-2-乙磺酸;DTT-二硫苏糖醇，DMBQ：2，5-二甲基对苯醌;DCIP-一二氯酚靛酚;ASC-抗环血酸;DPC-NN二苯氨基脲;MV-甲基紫精;SDS-十二烷基磺酸钠;Chl-叶绿素;LHCP-捕光色素蛋白复合体;PS-光系统;RuBP-二磷酸核酮糖;CF-叶绿体偶联因子;DCMU-二氯苯基二甲脲;Cyt-细胞色素。

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。

三个外周蛋白在PSII核心复合物上的作用及33KD蛋白的特性研究

本文第一部分以四种PSII核心复合物（PCC，- 1824PCC、一33U、- 33C）为材料，研究了18、24、33kD3个外周蛋白在PSII核心复合物上的功能，结果如下： 1．相继去除3个外周蛋白，导致PSII核心复合物放氧活性和DCIP光还原活性下降。外加适量电子供体DPC可使- 1824PCC、- 33U和- 33C的DCIP光还原活性得到完全恢复（- 1824PCC）和部分恢复（- 33U和- 33C）。如果再提高DPC用量，则- 33U和- 33C的DCIP光还原活性均可恢复到对照水平。说明去除3个外周蛋白后电子传递出现障碍，可能与电子传递链本身无关，而是由于水的光裂解出现障碍，水裂解酶无法裂解水分子以及向电子传递链输送电子的结果。 2．EPR信号分析证明，去除3个外周蛋白，Signal IIs暗稳定信号（D+）下降，信号特征改变。光照后，Signal IIf(Z+)信号明显增强。这说明，去除3个外周蛋白对电子供体Z和D有一定的影响。 3．金属Mn原子在PSII核心复合物上的作用比较复杂，从本实验结果可以看出，去除3个外周蛋白对Mn含量变化不是很明显。 4．用光谱法分析3个外周蛋白在PSII核心复合物上的功能，发现：a．去除3个外周蛋白后，PSII核心复合物的Chla/b不变。但从吸收光谱可以看出，PSII核心复合物光吸收下降，且蓝区和红区最高吸收峰均产生红移。四阶导数分析进一步表明，去除3个外周蛋白导致P680红移。b．荧光光谱表明，去除3个外周蛋白会导致PSII核心复合物荧光发射强度下降，但不影响荧光发射峰位。c．FTIR测定结果说明，去除3个外周蛋白可使PSII核心复合物的光吸收产生变化，还使PSII核心复合物的蛋白质二级结构出现变化，其a-螺旋下降，无序结构增多。d．CD光谱同样表明，去除3个外周蛋白后光谱吸收峰产生变化或者位移。e．拉曼光谱表明，去除3个外周蛋白会导致B-胡萝卜素光吸收下降。光谱分析说明，3个外周蛋白可能通过维持PSII核心复合物的正常功能结构而影响着PSII核心复合物内光能的吸收利用。 综合上述结果和有关报道，我们认为，去除3个外周蛋白导致天线色素吸收的光能传递至反应中心出现障碍，光吸收相对降低的原因，一方面可能3个外周蛋白起能量传递的中间媒介作用，去除它们将影响能量传递，另一方面还有可能去除3个外周蛋白后破坏了PSII核心复合物各组分在光合膜上有规则的排列，造成微环境变化，导致能量传递出现障碍，光吸收下降。 本文的第二部分以Urea和CaC12分别分离纯化得到的33kD蛋白为材料，研究了33kD蛋白特性，结果如下： 1．对两种方法分离得到的33kD蛋白进行SDS- PAGE分析，没有发现明显区别。吸收光谱法证明了这两种33kD蛋白在200- 320IⅡn之间都有两个吸收峰。四阶导数分析显示，这两个吸收峰分别由不同的几个小峰所贡献，在两种33kD蛋白中它们的峰位和吸收强度有所差别。荧光光谱分析显示，两种33kD蛋白的荧光发射峰位均为306nm左右。 2. 33kD蛋白对外界条件变化很敏感，随着溶液pH值降低，33kD蛋白吸收峰不断增强且红移;随着溶液温度不断升高，33kD蛋白吸收峰也不断增强且兰移。所以，缓冲液的pH值和温度变化对33kD蛋白的性质有影响。 3．对分离得到的33kD蛋白提取物进行透析（去除其中的CaC12和尿素），首次发现33kD蛋白出现降解现象。电泳分析证明，两种方法分离的33kD蛋白降解产物的多肽数目和多肽分子量均有差别。 4．用等电聚焦电泳法首次证明了用Urea分离的33kD蛋白不是纯蛋白，它是由若干等电点不同的小肽和33kD纯蛋白组成，33kD纯蛋白的等电点为pl—5.2。双向电泳更充分证明了用Urea分离的33kD蛋白结合有许多小肽，其分子量几乎与33kD纯蛋白一致，但等电点不同。

理化因子对PSII内周天线CP43和CP47色素蛋白复合体结构与功能的影响

从菠菜叶绿体中分离纯化出PSII内周天线CP43及CP47色素蛋白复合物。通过利用光谱学手段 (吸收光谱、荧光光谱、CD光谱等)及生化技术(HPLC和电泳等)，研究了酸、碱、强光及高温等理化因子对其结构和功能的影响。结果如下： 1：酸和碱处理对CP43和CP47结构和功能的影响 1），酸、碱处理均使CP43和CP47红区主峰吸收降低，蓝区Soret带吸收降低，Soret带的附属带吸收增加，红区及蓝区吸收主峰均蓝移。酸处理时在542 nm及510 nm附近出现Pheo a的吸收峰，碱性处理时出现642 nm的吸收峰。酸、碱处理后CP43及CP47中绝大部分色素仍然结合在脱辅基蛋白上, 吸收光谱的变化源于结合态的色素而非游离色素。酸性条件下Chl a受到破坏变为Pheo a 使CP43及CP47失绿, 但Pheo a仍牢固地结合在脱辅基蛋白上，使CP43及CP47出现Pheo a的吸收峰。碱性条件下虽然绝大部分色素也结合在脱辅基蛋白上，但色素与蛋白之间的亲和力减弱，使其在进行PAGE电泳时从蛋白质上脱落。碱性条件下642 nm吸收峰的出现是OH- 与Chl a之间相互作用的结果，它需要蛋白质次级结构的变化，当蛋白质次级结构保持完整时或Chl a 分子被尿素分子包围时这种作用受到抑制。碱性条件下CP43及CP47中642 nm吸收峰的出现取决于Chl a与OH- 的相对量，同样在进行PAGE电泳时CP43中Chl a与脱辅基蛋白的分离也取决于Chl a与OH- 的相对量。 2），CP43中β-Car与Chl a之间的能量传递易于受碱的干扰，而在CP47中易于受酸的干扰。酸对CP43和CP47蛋白质次级结构的影响远小于碱的影响。酸和碱都显著地影响了Chl a分子所处的微环境并干扰了Chl a分子之间的激子相互作用。 3), 酸和碱以不同的方式影响CP43和CP47的光吸收、能量传递及蛋白质的次级结构。H+ 可以在不破坏蛋白质次级结构的情况下渗透到色素蛋白内部与Chl a反应而产生Pheo a，同时使β-Car和Chl a (或Pheo a) 之间的相对位置发生变化, 它们之间的能量传递受到干扰。OH- 首先破坏CP43和CP47中的氢键, 引起蛋白质解折叠, 使屏蔽在蛋白质内部的Chl a 暴露，进而与暴露的Chl a作用而将其皂化为叶绿素酸酯。随着蛋白质的去折叠, 其远紫外CD活性丧失, 色素所处的微环境受到干扰, β-Car和Chl a (或Chl a酸酯) 之间的相对位置发生改变, 因此β-Car和Chl a ( 或Chl a酸酯) 之间的能量传递也受到干扰。 4),酸或碱处理使CP43和CP47中Chl a 在进行HPLC时洗脱时间和洗脱峰面积发生改变, 但β-Car洗脱时间和洗脱峰的面积相对稳定。意味着酸碱处理并不破坏CP43及CP47中的β-Car。 2.强光照射对CP43结构和功能的影响 强光(1000 μmol E./m2.s)可以引起CP43中Chl a的漂白及蛋白质的降解，这种作用明显地被连二亚硫酸钠抑制。同样条件下,β-Car 的光吸收几乎不受光破坏的影响。 3.高温处理对CP43、CP47及其它PSII亚基降解的影响 用从菠菜叶片中分离出的PSII、OECC(放氧核心复合体)、去除33 kDa的OECC、RC-CP47(结合有CP47的反应中心复合体)、RC(反应中心复合体)、CP43及CP47等多亚基或单亚基色素蛋白复合体，研究这些复合体中各蛋白亚基在高温时的降解情况。结果发现PSII各蛋白亚基降解对温度的敏感性显著不同： CP43、D2、CP29、LHCII >D1、CP47 >> PsbO、PsbP、PsbQ及Cytb559 (α亚基)。

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。

Cyt b-559 链Arg18和Ser24的定点突变及其对PSII功能的影响

Cyt b-559是光系统II反应中心的成分之一，它由亚基和亚基组成的。在Cyt b-559中，血红素辅基与两个亚基中的组氨酸连接成有功能的蛋白，并维持PSII的功能稳定性。前人曾将与血红素相连的His突变，导致Cyt b-559功能和PSII稳定性的丧失。基于此研究，本文采用定点突变技术，将亚基中与His23位置最近的上游氨基酸Arg18分别用Gly和Glu取代，下游氨基酸Ser24用Phe取代，获得了衣藻Cyt b-559的突变体。对突变体的分析，有以下新结果：突变体都能进行光合自养，但无论在异养培养基上还是自养培养基上，和对照相比，其生长速度非常缓慢; PSII的活性分析，表明PSII的放氧活性为野生衣藻细胞的50%～80%， Fv/Fm 的荧光参数为40%～70%;对突变体进行强光（1000μE•m-2•s-1）照射，10min后，其放氧活性都降低为0，而野生型衣藻还保持35%的活性;提取类囊体膜蛋白，进行SDS-PAGE电泳和Western-blotting分析，显示突变体的膜蛋白与对照无显著差异。这些结果说明对围绕血红素环境的固有氨基酸的改变，虽然并没有明显影响类囊体膜蛋白的表达和组成，但是却影响了衣藻细胞的生长和PSII的活性，增加了衣藻细胞对强光的敏感性，降低了衣藻细胞自身的光保护能力。这说明靠近血红素配位环境的氨基酸Arg和Ser，尤其是Arg，对Cyt b-559的功能维持不可缺少，对于维持PSII的活性也很重要。

LPA3蛋白参与调控PSII组装的功能研究

PSII是一个叶绿体类囊体膜的蛋白复合体，它由20多个蛋白亚基组成，这些蛋白由核基因和叶绿体基因共同编码。由于PSII结构的复杂性，PSII的组装是多步骤的，并得到辅因子和调控蛋白的协助。但我们对参与调控步骤的蛋白因子还了解不多。鉴于叶绿体有限的编码能力，推测参与叶绿体组装调控的因子主要是由核基因来编码的。辨定这些核编码的叶绿体蛋白并深入研究其作用的分子机制将有助于我们了解PSII生物发生的分子机理。为此，我们利用叶绿素荧光成像系统对pER16 T-DNA插入突变体库进行了筛选，并对高荧光突变体lpa3进行了研究。主要研究结果如下： 突变体lpa3生长较为缓慢，叶色黄绿，叶绿素含量低。在突变体中，最大荧光量子产率Fv/Fm降低到0.514，表明PSII光合功能受到了损伤。突变体lpa3叶绿素荧光慢诱导曲线的正常下降表明PSII后的电子传递正常。突变体P700氧化还原动力学与野生型一致，则进一步表明PSI在突变体中是具有功能的。77K发射荧光光谱显示PSII的特征峰在突变体中较高，而PSI的特征荧光峰没有变化，则进一步显示突变体lpa3是一个PSII突变体。 通过Tail-PCR，发现突变体中T-DNA插入导致基因lpa3缺失表达，并且lpa3基因的互补可以使突变体的性状得到恢复。该基因表达的蛋白LPA3含有一个跨膜区域，是一个类囊体膜蛋白。该蛋白不是PSII的蛋白组成成分，可能与自身或者其它的蛋白组成一个复合体而起作用。 在突变体lpa3中PSII蛋白质尤其是核心蛋白D1、D2，含量下降。并且突变体中PSII蛋白复合体含量下降。但是突变体中PSII基因的表达并没有在转录水平受到调节，并且蛋白D1和D2的翻译起始也没有受到影响。体外标记实验表明，PSII中D1蛋白的合成明显降低，而其它蛋白的合成没有改变。进一步实验表明，突变体中PSII的组装效率降低。推测D1蛋白由于不能有效组装而反馈调节自身的合成。 酵母双杂交实验表明LPA3蛋白可以与D1蛋白相互作用，并且也与参与PSII组装的蛋白Alb3相互作用。因此，LPA3蛋白可能和蛋白Alb3形成一个复合体，该复合体与D1蛋白直接相互作用而参与调控PSII的组装。