全 文 ：论 文 第 51卷 第 9期 2 0 0 6年 5月 科 考 五 叙
假根羽藻 (B理叩 5 15 c ot r iu ca l n s)L H C l的聚集态对
Ch la电子激发态性质的影响
左 萍① 陈 晖② , 吴 义室① 沈世华② 王 鹏① 艾希成①
张建平① ’ 李良璧② 匡廷云②
(① 中国科学院化学研究所分 子科学中心 , 分子动态与稳态结构国家重点实验室 , 北京 10 00 8 ;0 ② 中闰科学院植物研究所 , 光合作
用与环境分子生理学重点实验室 , 北京 10 0 09 3 . * 联系人 , E 一m a i l : e h e n h @ ib e a s . a e ￡n , Jp z h a n g @ m a i l注e e a s沮 e , e n )
摘要 采用稳态吸收 、 荧光和皮秒时间分辨荧光光谱手段研究了假根羽藻(B yr 叩51 co rt ic u la sn )捕光色
素·蛋白复合物 L H c n li( g ht 一 havr es tin g o m lP ex n )的单体 、 三聚体和寡聚体中叶绿素(C hl a) 的电子激发
态性质 . 稳态光谱结果表明 : 选择性激发 C hl a 或 C hl b 时, L H C fl 寡聚体中 C hl a 的荧光强度减弱并非
由C h l b * C h l a 传能效率的降低造成 , 主要是由聚集体内激发态 C hl a 的快速碎灭机制引起的. 时间分
辨荧光动力学分析表明: 不同聚集态 L H C n 中 C hl a 的荧光动力学遵从双指数衰减行为 , 长寿命组分
(4
.
1一 .4 7 ns )来源于 L H c l 中 c hl a 的荧光发射 ; 短寿命组分 ( 1 3-5 54 0 sP )归属为组成聚集体的蛋白单体
内 C h l a 分子间的激发态能量平衡过程 , 该能量平衡过程的时间尺度因 L H C n 的聚集程度不 同而异 , 在
寡聚体 ( 1 35 sP )中比在单体 (5 4 o sP )和三聚体 (5 2 0 sP )中的平衡显著加快 . 上述结果表明 , L H c n 的三聚体
向 P S fl 反应中心传能的本领最强 , 而寡聚体则具有较强的碎灭 L H C fl 内 C hl a 电子激发态的能力 , 这可
能是一种通过 L H C l 分子结构的转换来实现光保护功能的机制 .
关键词 捕光色素一蛋 白复合物 时间分辨荧光 能里传递 假根羽藻 (B vr oP s is co rt i cu al ns )
在植物或藻类的光系统 1 (p h o t o s y s t e m fl , p s fl )
中 , 捕光色素 一蛋 白复合物 L H C fl ( l i g h t 一h a r V e s ti n g
co m lP ex n )起到捕获光能和光保护的双重作用 . L H c
n 吸收光能 , 并通过内周捕光天线 C P43 和 C P47 将
捕获的光能转变成 电子激发能传递到反应 中心 , 诱
发原初电荷分离「’ ] . L H C H的捕光功能主要 由其中的
叶绿素 (C hl )a , C hl b 和类胡萝 卜素等色素分子来执行 ,
它们 的吸收范围覆盖整个可见光光谱 , 因而可以充分
利用太阳能 . 就 L H C n 的光保护功能而言: L H C fl 中潜
在 的 非 光 化 学 能 量 碎 灭 中 心 , 例 如 叶 黄 素
(X a n t h o p h y l l s )
,
X a n t h o ph y l l s
一
e h l a 分子对和 e h l a -
C hl a 分子对等 , 可以直接碎灭单重激发态的 C hl a 并
以热的形式耗散过剩的电子激发能 , 从而避免强光
导致的损伤 12 一叭 此外 , 类胡萝 卜素可以通过拌灭 二
重激发态叶绿素而避免有害单重态氧的产生 , 并且可
以直接清除光合作用体系中的单重态氧 I ’ ,.7 8] . L H c l
中的色素分子 , 特别是叶绿素分子的激发态性质与
L H C l 的捕光和光保护功能密切相关 . 处于不同色
素一蛋白环境中的叶绿素分子电子激发态性质的差异
对 L H C n 生理功能的发挥有重要影响 .
一9 9 4 年 K 位h lb r a n d t 等人获得了 3 . 4 人分辨率的豌
豆 L H c fl 晶体结构 l9] , 之后 , D ek ke r 等人 l ’ “ l又利用电
子显微术结合图像分析对菠菜 P S l 的 L H C n 进行了
结构分析 . 最近 , iL u 等人 [川利用 x 射线晶体衍射手
段解析出 .2 72 A 分辨率的菠菜 L H C n 的晶体结构 I” } .
这一晶体学结构显示 , 每个 L H C l 单体中结合着 8个
e h l a 和 6 个 e h l 右, 2 个叶黄素 (L u t e i n ) , 一个新黄质
(N
e o x a n th i n )和 z 个紫黄质 (vi o l a x a n th i n ) . 色素分子
主要通过配位键和范德华力等与脱辅基蛋白的氨基
酸残基结合 . 目前已知 L H C 且存在多种聚集形态 , 如
单体 、 三聚体和寡聚体等〔’ “一 ’ 4 1 , 不同的蛋白质分子结
构影响其色素分子的结合环境 ! ” l , 从而势必会对色
素分子 的电子激发态性质产生较 大的影响 [ ’ “ , ’ 7 ] , 因
此 , 不同聚集态 L H C n 其吸能和传能作用可能具有
较大的差异 .
假根羽藻渭尽叩 5 15 c o r t i e u l a n s )是一种生长在潮
间带的海生绿藻 , 在每个潮汐周期中 , 它都经历着露
出海平面暴露在强烈的阳光照射与没人海水中接收较
弱的蓝绿光这一剧烈的光照变化 . 我们从其类囊体膜
中分离 、 纯化获得不同蛋白质聚集形式的 L H c n , 即
单体 、 三聚体和寡聚体 , 并且运用稳态光谱和时间分
辨荧光光谱手段对假根羽藻 ( B尽叩 5 15 e o r r i e u za n s )不
WWW
.
S C jC h j n a
.
O O m 10 2 7
科 考 五 叙 第 5 1卷 第 9期 2 0 06年 5月 论 文
赵米困笨一国
同聚集态的 LH C n中 Cl ha的激发态性质进行分析 、
研究 , 试图阐明不同蛋白质分子结构对 L H C n 中 C hl a
分子间的能量平衡速率及其对 L H C n 向 P S l 反应中
心传递激发能的影响 .
1 材料与方法
1
.
1 样品制备和稳态光谱
用阴离子交换色谱层析和凝胶过滤色谱层析方
法从假根羽藻 ( B尽叩 5 15 e o r r ie u l a n s )叶绿体的类囊体
膜中分离 、 纯化出 L H C n , 经蔗糖密度梯度离心分离
获得 L H C n 的单体 、 三聚体和寡聚体 { ’ “ , ’ 9 ] .
L H C fl 样 品 被 分 散 悬 浮 在 含 .0 05 % 去 垢 剂
n 一D o d y c e l
一
p
一
D
一
M
a l t o s i d e 的 T M K ( 2 0 m m o l /L T r i c i n e -
N a O H
,
p H 8
.
0
,
4 0 m m o l /L M g C 12
,
8 0 m m o l /L K C I )缓
冲体系中 , 为了对 L H C l 的单体 、 三聚体和寡聚体进
行 光谱学分析和研究 , 稳态荧光和时间分辨荧光光
潜实验 中所 用 L H C fl 的 叶绿 素浓度均 调整 为 巧
林g /m L .
稳态吸收光谱用 U 一 3 3 10 光谱仪 ( H i t a e h i , 日本 )
测定 , 稳态荧光发射和荧光激发光谱由 F 一 2 5 0 ( iH -
at hc i
, 日本 )荧光光谱仪检测 . 实验都是在室温下进
行的 .
1
.
2 时间分辨荧光光谱
由掺钦蓝宝石激光器 (sT u n a m i , S p e e t r a P h y s ie s )
产生的锁模脉冲 (8 0 0 n m , 8 0 fs , 5 2 M H z ) , 经再生放
大器 ( s p i t if r e , S p e c tr a p h y s i c s )后 , 获得能量放大的激
光脉冲 (8 0 0 n m , 1 2 0 f s , x k H z ) , 再经 由光学参量放大
器 (O PA 一 80 0 C F, S p e e tr a p h y s i e s )产生 6 5 0 n m 的激发
脉冲 . 照射到样品上的单脉冲能量约为 1囚 . 样品产
生的荧光由单光子记数型条纹相机 (C 2 9 o 9, H a m am a ts u )
检测 , 获得时间分辨和光谱分辨的三维荧光光谱 . 仪
器时间响应函 数约为 30 sP (半峰宽 ) . 实验都是在室
温下进行的 . 荧光动力学分析软件是基于 M atl ab 5 . 2
( M
a t hW 0 r k s )编制的 .
2 实验结果
.2 1 稳态吸收光谱
图 1 给出了 L H C l 单体 、 三聚体和寡聚体在室
温下的吸收光谱 . L H C n 在整个可见光谱区均有吸收 :
位于 4 7 0 和 6 5 2 n m 的吸收分别对应于 C h l b 的 S o r e t
和 Q y 吸收带 , 4 3 6 和 6 7 0 n m 的吸收分别对应于 C h l a
的 S or et 和 Q y 吸收带 ; 类胡萝 卜素的主吸收谱带位于
4 2 0 ~ 5 2 0 n m 范围 , 由于被 C hl b 的吸收所掩盖而表现
不明显 120] . 比较不同聚集态 L H c n 的 Q , 吸收带发现 ,
寡聚体中 C h l a 的吸收峰 (6 7 5 n m )相对于其他 L H C H
有约 5 n m 的红移 , 这是由于蛋 白质高度聚集造成色
素之间的距离缩短 , 从而导致分子间电子 一电子相互
作用增强 、 C hl a 激发态能级降低 . 另外 , 寡聚体中
e h l 占在 4 70 n m ( S o r e t )和 6 5 2 n m (Q y )处的吸收相对于
C hl a 在 4 36 和 6 75 n m 处的吸收大大减弱 , 说明与二
聚体和单体相比寡聚体中 C ih b 的含量减少了 . 磷脂
分子 (磷脂酞甘油等 )有助于稳定 L H c n 的聚集态 12 ’ l ,
L H C fl 的晶体结构 [川显示磷脂位于单体之间的区域 ,
它们的存在可能引起部分氨基酸残基和 C hl b 的结合
位点被掩盖 , 使得 C hl b 分子无法与之结合而丢失 ,
导致寡聚体中 C hl b 的含量减少 .
4 0 0 4 5 0 5 00 5 5 0 6 0 0 6 5 0
波长n/ m
图 l 假根羽藻叨今op s is 。 o irt e u al n s )L H e fl 单体 、
寡聚体的紫外 一可见吸收光谱
已对 C ih 0 Q y 吸收峰值归一化一 {三聚体和
.2 2 稳态荧光光谱
在室温下分别用 4 36 和 4 70 n m 的激发光激发不
同聚集态的 L H C n 样品 , 分别得到如图 2 (a )和 2 (b)
所示的荧光光谱 . 从 L H C n 的吸收光谱可知在 4 36
n m 处主要激发了 C hi a , 将其从基态激发至高电子激
发态 (S or et ) , 然后 内转换至 Q 、 态和最低单重激发态
Q
y , 最终从 Q , 态发荧光 (图 2( a) ) . 从图 2 a( )还可以看
到单体 、 二聚体的荧光强度相差不大 , 而寡聚体荧光
则显著减弱 . 当用 4 70 n m 的光激发样品时 (图 2 (b) ),
发现与 43 6 n m激发得到的荧光光谱不同 , 除了 C hl a
的荧光峰 (6 8 2 n m )外 , 在其短波方向增加了一个肩峰
(6 5 5
n m )
, 而且寡聚体中该峰很明显 , 这是属于 C hl b
的荧光发射带 . 4 7 O n m 的光脉冲主要将 C hl b 激发至
其高电子激发态 , 然后经内转换至 Q y 态发荧光或者
l ( )2 8 w WW
.
S C IC h i n a
.
C 0 m
论 文 第 1 5卷 第 9 期 2 0 0 6年 5月 科 考 五 叙
0 70 0
0 0 0 6瞥 — 甲休 ( a)- 一 三聚体· … 寡聚体、丫、丫
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波长 / n m
7 () () ) (
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— 单体 (b)
-一 三聚体
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波长 n/ m
— 单体 ( c)一鬓鬓霍一一月 … 月
恻叫ō米似坦l里
4 0 0 4 5 0 5 0 0 55 0 6 0 0 6 50 7 0 0
波长 /n m
图 2 假根羽藻 (B尽叩 5 15 e o r t i e u la n s ) L H C fl 在 4 36 n m激发
下 ( a )和 4 7 0 n m 激发下 ( b )的荧光发射光谱以及在 7 0 0 n m
观测波长下的荧光激发光谱 c( )
(b )中插图已将相应荧光发射谱在约 6 82 n m 处进行 f 归一化
c( )中的荧光激发谱已归一化
将能量传递给 C hl a , 再从 C hl 。 的 Q y 态发荧光 , 所
以样品同时表现出 C hl b 和 C hl a 的荧光 .
将不同聚集态 L H C n 的荧光发射光谱在 6 82 n m
处归一化 (图 2 (b) 内插图 ) , 可以看到 , 寡聚体中 C hl b
荧光峰 的相对强度很大 , 而从吸收光谱已知在寡聚
体中 C ih b 的含量较单体和三聚体中少 , 这似乎表明
在寡聚体中 C hl b 向 C hl a 能量传递的能力较单体和
w w w
.
S C ic h i n a
.
O O m
三聚体低 . 为了澄清这一点 , 测定了 L H C n 单体 、 只
聚体和寡聚体的荧光激发谱 (图 2( c) ) , 并将其与图 1
中的吸收光谱相比较 , 目的在于得到 C hl b 向 C hl a
能量传递 的效率 . 由于 L H C n 中各种色素的光谱重
叠严重 , 无法采用 A k a h a n e 等人 2[ ]的方法选择一个
合理的归一化位点来计算能量传递效率 , 我们采用
了 D a s 等人 123 1的方法来估算 c hl b 向 c hl a 的能量传
递效率 , 即从吸收谱 和荧光激发谱中解析出各种色
素的吸收贡献 , 然后积分激发谱 中 C hl b 的面积和吸
收谱中 C h l b 的面积 , 将二者的比值作为 C h一b 向 C h l a
的能量传递效率 . 这样得到的 C hl b 向 C hl a 能量传
递的效率在不同聚集态 L H c n 中分别为 : 79 % (单体 ) ,
85 % (三聚体 )和 9 1% (寡聚体 ) . 其中 , 寡聚体中 C hl b
向 C l a 的能量传递效率最高 . 显然 , 前述寡聚体中
C hl b 的荧光相对较强的现象并不能说明 C hl b 向 C hl a
传能的效率低 .
.2 3 皮秒时间分辨荧光光谱
图 3 是以中心波长为 6 5 0 n m 的脉冲激光激发 3
种不同聚集形式的 L H C n 所得到的时间分辨荧光光
谱 . 可以看出 , 0 . 1 n s 以后随着时间变化荧光光谱形
状几乎没有变化 , 只是强度逐渐衰减 . 但是零时刻的
荧光光谱在短波长 6 65 n m 左右有弱的荧光 , 这个弱
荧光在 0一 0 . I ns 之间消失 , 表明在 10 sP 以内已经完
成了 C hl b 向 C hl a 的能量传递 , 由于时间分辨率 (30
sP )的限制 , 以下我们将主要讨论 C hl a 在较慢时间尺
度上的发光动力学行为 .
比较 3 种不同聚集形式的 L H C n 的荧光动力学
衰减曲线 (图 4) 发现 , 单体和二聚体荧光强度的衰减
动力学行 为基本一致 , 而寡聚体 的荧光衰减较单体
和三聚体加快 了 . 为 了对其动力学过程进行全面的
分析 , 选取 20 个代表性波长下的荧光动力学衰减曲
线进行了 lG ob al 全局分析 . 采用双指数函数就能够
得到理想 的拟合结果 . 图 5 是 lG ob al 拟合得到的
D A F s 特征谱 (d e e a y a s s o e i a t e d n u o r e s e e n e e s p e e t r a ) ,
其中上图是 .0 0一 0 . 5 n s 的积分荧光光谱 ; 中图实线是
实验得到的组分 1的积分荧光光谱 (由 0 . 0 一 0 . 5 n s 的积
分荧光光谱减去 3 . 5一 4 . 6 n s 的积分荧光光谱得到 ) , 圆
圈代表拟合得到的组分 l 的 D A F S 特征光谱 ; 下图实
线和圆圈分别对应于组分 2 的积分荧光光谱 (积分范
围 3 . 5一 .4 6 ns )和拟合得到的 D A F S 特征光谱 . 从图中
可 以看到拟合得到的两个组分的特征光谱与两个不
同时间段的积分光谱符合得很好 , 表明 lG ob al 拟合
10 29
拼 考 立 叙 第 1 5卷 第 9期 20 06年 5月 论 文
(
a)
一 01吸 1 5
0
(b)
一 0
.
1s n
(e )
一 01 ns
ǎ n巴翘绷米似
8 7 6 6 06 0 0 06 6 08 67 0 0 08 7 6 6 06 0 0 0
波长 /n m
图 3假根羽藻 (B今叩 51o 5 c r ri e u ls n a) H LC l的时间分辨荧光光谱 (激发波长 6 50n m)
() a单体 , (b) 三聚体 , (c ) 寡聚体
i卜东
一
1 二 1 1延 E寸/n sJ冬1 4 假根羽藻(B 今叩 5 15 e o r r ie u z a n s )L H C fl 荧光衰减
动力学曲线
已归 北 , 激发波长 6 5 0 n m , 探测波长 6 80 n陈
l
, 单体 , 2 , = 聚体 , 3 , 寡聚体
人 (b ) (c )大人代泌蠕产 组分 l人恻晒入
ǎn抽à恻卿架似
恻票洲澎职l四
得到的两个 D A F S 光谱组分很好地反映了时间分辨
光谱 (图 3 和 5) . G 10 ab l 拟合得到的 3 种不同聚集形式
的 L H C n 的荧光寿命列于表 1 , 对于长寿命组分 (几 ) ,
单体和只聚体荧光寿命分别为 .4 4 和 .4 7 ns , 而寡聚
体的荧光寿命略有缩短 (4 . I ns ) , 对于短寿命组分 ( : l ) ,
在不同聚集形式的 L H C n 中的时间常数依次为 5 37
6 6 0 6 8 0 7 0 0 6 6 0 6 8 0 7 0 0 66 0 6 8 0 7 0 0
波长 /n m
图 5 假根羽藻 (B尽叩 5 1: 。 o rt i e u za n s )L H e l 荧光动力学
曲线的 G lo b a l拟合结果
(a) 单体 , (b ) 三聚体 , ( c) 寡聚体
p s (单体) , s l g p s (三聚体 )和 13 5 p s (寡聚体 ) , 而且相对
含量依次增大 .
具有长寿命的组分 (几 )来源于 L H c n 中 C hl a 的
荧光 , 这与文献所报道的菠菜的 L H C fl 的荧光寿命
10 3 0 W WW
.
S C IC h in a
.
C O m
论 文 第 1 5卷 第 9期2 0 0 6年 5月 科 考 五 叙
表I 假根羽藻( B。 , p s is co irt cu al sn )L H C n 的时间分辨荧光光谱 (图 3) 由 lG ob al 拟合得到的荧光寿命 “ )
寿命
1T /Ps
劝 /n s
单体 三聚体 寡聚体
5 3 7士 13 ( 27% )
4
.
4土 0 . 1 ( 7 3% )
5 1 9 士 16 ( 2 6% )
4刀士 0 ,2 (7 4 % )
13 5 士 3 ( 5 4 % )
4
.
1士0 2 (4 6% )
a) 括号内的百分数表示该组分的相对含量
(约 4 sn )基本一致12 ,24] . 数百皮秒的短寿命组分 (T , )在以
前菠菜 L H C l 的瞬态光谱研究中也有类似的报道 , 但
对于其来源并不清楚 [2 4 ] . B a r z d a 等人 [2 5 ]报道 , e h l a
“ 单重激发态一单重激发态 ” 湮灭过程发生在数百皮秒
的时间尺度上 . 为此 , 我们做了荧光强度与激发光强
的依存关系实验 . 图 6 给出单体在不同激发光强下的
荧光强度 , 可以看到荧光强度与所使用的激发光强
度成线性关系 . 另外 , 荧光寿命也没有随激发光强的
增加而缩短 (图 6 内插图 ) . 三聚体和寡聚体的荧光强
度 /寿命与激发光强 的依存关系与单体一致 . 因而在
我们所采用的激发光强度下 (约 .4 0 xl 0 ’ 4 个光子c/ m Z ) ,
可以排除短寿命组分起源于单重态 一单重态湮灭 . 寡
聚体的较短荧光寿命 (丁 , = 135 sp )显著短于单体和三
聚体 (5 3 7 和 5 19 p s) , 该短寿命组分可能反映了这些
L H C l 样 品 (单体 , 三聚体 , 寡聚体 )的单体内 C hl a 分
子间的激发态能量平衡过程 .
乃
. 一一一 一 一 一
lT
. …1 . 11 2 3 4激发光强 / l创J个光子 c m 一 2
激发光强 / 10 “ 个光子 · c m 一 2
图 6 假根羽藻渭尽叩 5 15 c o rt i e u la n s )L H e fl 单体荧光强度
随激发光强度的变化趋势
插图为荧光寿命随激发光强度的变化趋势 .
. 和 . 为数据点
3 讨论
对于不同物种而言 , L H C n 单体中结合的叶绿素
分子总数目有所差别 , 一般为 12 一 14 个 19 一 ” ] . 菠菜的
L H e l 的每个单体结合着 s 个 e h l a 和 6 个 e h l 方[” ] .
以往的研究发现 , L H C n 中叶绿素 C hl b 可以将激发
w w W
.
S C IO h l n日 , C o m
能以不同的时间常数传递给 C hl :a 2 0 O fs , 6 0 fs , 4 一 9
p s l2 6 ]
,
e h l 占向 e h一a 的能量传递一般发生在 L H e 11单
体内部 27[ ] . 叶绿素分子所处 的蛋 白微环境 的不同会
影响它们的激发态能级 . C hl b 捕获的激发能可传递
给具有较高激发能的 C hl a , 也可传递给具有较低激
发能的 C hl a . 另外 , 具有不同激发态能量的 C hi a 之
间也 以不同的时间常数进行能量传递 , G r ad ina ur 等
人 128 ]报道的时间常数为 3 0 0 fs , 5 p s 和 12一 2 0 p s . 单体
内叶绿素分子间的能量传递途径极为复杂 , 一般表
现为激发态能量 的平 衡过程 , 即能量从处于较高能
级的叶绿素分子 (如高能量的 C hl b 和 C hl a) 经过多次
传递后为处于低能级的 C hl a 分子所接受 . 这种能量
平衡过程 的表观时间常数一般为数十皮秒 l20] 至数百
皮秒 l , 9 ] .
对于本工作所研究 的假根羽藻 B yr op 、 is 。 or ict u -
al n 、 的 3种不同聚集形式的 L H C n 而言 , 我们将短寿
命的荧光组分 ( 公 , )归属于相应单体中的能量平衡时间
常数 , 并提出图 7 中与 L H C n 不同聚集形式对应的荧
光动力学机制 , 这一模型可以很好地概括和解释本
研究中的各种光谱学实验结果 . 在图 7 中 , 我们没有
考虑 C hl b , 因为 c hl b * C hl a 能量传递发生在单体
之内 , 且在 3 p s 以内完成 127 ] , 远远快于我们的时间分
辨率 (30 sP ) . 对于不同的 C hl a 分子来说 , 其最低单
重电子激发态 (Q , 态 )能级分布在一定的范围内 , 能量
平衡过程 由倾斜 的虚线箭头表示 . 另外 , 文献中具有
约 15 o fs 时间分辨率的动力学研究表明【26] , L H c n 三
聚体内不同单体间的能量传递在 20 sP 左右 . 这样从
图 7 中不难理解 , (a) 和 (b) 两种情况下的能量平衡表观
时间常数基本相同 (约 5 2 0 sP ) , 能量平衡过程结束后 ,
最低能量的 C hl 0 Q y 激发态荧光寿命为 .4 4 ns (单体 )
或 .4 7 ns (三聚体 ) . 在寡聚体方面 (图 7( c) ) , 由于蛋白
质高度聚集 , 其上的 C hl b 结合位点发生了改变 , 可
能被 C h l a 替代 , 引起 C h l b 从肤链上大量解离 t ’ 9 ] , 从
而导致 C hl a 分子间距离进一步缩小 . 这样 , 所观测
到的能量平衡时间进一步缩短到了 135 sP . 事实上 ,
从基态电子吸收光谱 (图 1)中已看到寡聚体中 C hl “
对应的峰值波长红移了 5 n m , 表明由于 C hl a 一 C hl a
哮比咫冲||卜巴1
八口0nUOù日六Uù、
.八Uù工曰
ǎn照未铡似巴
10 3 1
拼 考 连 叙 第 5 1卷 第 9期 2 0 06年 s月
图 7假根羽藻 ( B尽 p osi : c oi r tcu lans ) LHcn不同聚集态的结构模型和荧光动力学机制示意图
) ( a单体 , (b ) 三聚体 , (c ) 寡聚体 . 倾斜的虚线箭头表示 L H c n单体内叶绿素分子间的激发态能量平衡过程 ;
竖直实线箭头表示荧光发射 , 荧光衰减时间常数由 lG ob al 拟合得到 (见表 ;1) 水平双向箭头表示单体间的能量传递
距离减小而导致的分子间相互作用加强 .
从荧光发射谱结果来看 , 无论是 4 36 n m 激发 (图
2 ( a ) )还是 6 5 0 n m 激发 (图 2 ( b ) ) , 寡聚体中 C h l a 的荧
光发射强度都明显弱于其他两种情况 . 从图 7( c )不难
理解 , 寡聚体中能量平衡时间 (公1 一 135 ps )与最终荧
光寿命 (丁: 一 4 . I ns )的缩短的协同效应导致非辐射跃
迁的速率远大于其他两种情况 . 另外 , C hl a 一C hl a 距
离的缩短可能导致 “单重激发态 一单重激发态 ” 的湮灭
几率增大 . 从图 2 ( a) 和 2 (b) 中还可以看出 , 三聚体内
C hl a 的荧光强度 比单体高 6% , 说明其捕光和传能的
本领高于单体 . 以上从荧光发射谱和荧光动力学两
个方面对寡聚体内 C hi a 电子激发态性质的研究表明 ,
L H C n 蛋白质的高度聚集具有碎灭 C hl a 电子激发态
的能力 . 因此 , LH C n 寡聚体可能参与光系统 n (P S n )
的光保护机制 .
M u ll i n e a u x 等人 13 0 ]的研究表明 , 由 L H C l 向 Ps l
反应中心 ( D I一D Z一c yt 丛” )激发态能量传递的时间尺
度约为 3 0 sP , 我们观测到的寡聚体的能量平衡时间
(约 135 ps )大大短于这一时间 . 这就是说 , 寡聚体的
能量平衡时间快到足以与 L H C l 向反应 中心的能量
传递过 程相 竞争并促进激发能 以热 的形式耗散掉 ,
从而起到非光化学能量碎灭的作用 , 参与 P S n 的光
保护机制 . 研究不同聚集态 L H C n 中 C hl a 的电子激
发态性质对于深入理解它们相应的生理学功能具有
重要意义 .
4 结论
本文采用稳态光谱和时间分辨荧光光谱手段研
究了海洋绿藻 (B yr op is , co rt icu al ns )的 3 种不同聚集
形式的 L H C n 中 C hl a 的电子激发态性质 . 结果表明
三聚体的 L H C n 向 P S n 反应中心传能的本领最强 ,
寡聚体具有较强的碎灭 L H C n 内 C hl a 电子激发态的
能力 . 这种保持或碎灭 C hl a 电子激发态能量的特性
是由 L H C n 单体蛋 白内叶绿素分子间的能量平衡动
力学机制决定的 , 受到蛋白质结构的调节 . 我们认为
这可能是一种通过 L H C l 分子结构的转换来实现光
保 护功 能的机制 , 对于生 活在潮 间带的海洋 绿藻
渭口印 5 15 e o r r i e u la n s )显得尤为重要 .
致谢 本工作为国家自然科学基金 (批准号 : 20 27 307 7) 资
助项 目和中国科学院知识创新工 程重要方向性项 目 (批准
号 : K S C X Z一 SW 一 1 3 0 ) .
参 考 文 献
C o g d e l l R J
,
F r a n k H A
.
H o w e a or t
e n o id s fu
n e t i o n in Ph o t o s y n
-
th e t i e b a e t e r i a
.
Bi o e h i m B i o P h y s A e t a
,
19 8 7
,
89 5 : 6 3一7 9
M a Y Z
,
H o l t N E
,
L i X .P e t a l
.
E v id e n e e fo r d i r e e t e aor
t e n o i d
i n v o l v e m e n t i n ht e er g u lat i o n o f P h o t o s y n t h e t i e l ig h t h ar v e s t i n g
.
10 3 2 Ww w
t
8 O IO h i n 二 C o m
论 文 第 51 卷 第 9期 2 0 06年 s月 科 考 五 叙
Pr o eN a tl Aa e d S e iU S A
,
2 0 0 3
,
10 0 ( 8) : 4 37 7一4 3 8 2
3 D e m m ig
一
A d a m s B
,
A d a m s W W lI
.
T h e r o l e o f x a n t h o Ph y l l e y e l e
e a r o t e n o id s i n t h e P ro t
e e t i o n o f P h o t o s y n t h e s i s T r e n d s P la n t S C i
,
19 9 6
,
l ( l )
: 2 1一 26
4 D r e u w A
,
F l e m i n g G R
,
H e a d
一
G o r d o n M
.
C h l o r o P h y l l fl u o r e s
-
e e n e e q u e n e h i n g b y x a n th o P h y l l s
.
Ph y s C h e m C h e m Ph y s
,
2 0() 3
,
5 :
32 4 7一 3 2 5 6
5 H o rt o n P, R u b a n A V, R e e s D
,
e t a l
.
C o n tor l
o f t h e l ig h t
一
h a r v e s t i n g
fu n e t i o n o f e h l o r o p l a s t m e m b ar n e s b y a g g er g a t i o n o f ht e L H c l
e h lo r o Ph y l l
一
P r o t e i n c o m P l e x
.
F E B S L e t t
,
199 1
,
2 9 2 : l一4
6 R u b a n ^ V, Ph i l一ip D , 物 u n g A J , e t a l . C a or t e n o id一 d e P e n d e n t o l i -
g o m e ir z a t i o n o f th e m aj
o r e h l o r o户y l l al b l i g h t h a r v e s t in g e o m -
p l e x o f P h o t o s y s t e m 1 o f P l a n t s
.
B i o e h e m i s t r y
,
19 9 7
,
3 6 ( 2 5 )
:
7 8 5 5一 7 85 9
7 F r a n k H ^
,
C o g d e l l R J
.
p h o t o e h e m i s t yr a n d f u n e t i o n s o f e a r o t e
-
n o id s i n P h o t o s y n t h e s i s
.
I n : oY
u n g A
,
B r i t t o n q
e d s
.
C a r o t e n o id s
i n Ph o t o s y n th e s i s
.
L o n d o n : C h a Pm a n a n d H a l l
,
19 9 3
.
2 5 2一 3 26
8 G r o n d e l l e R
,
D e k k e r J P, G il lb r o T,
e t a l
.
E n e r g y t r a n s fe r a n d t r a P
-
P i n g i n Ph o t o s y n t h e s i s
.
B i o e h i m B i o P h y s A e t a
,
19 9 4
,
1 18 7 : l 一6 5
9 K u h lb r a n d t W, W
a n g D N
,
F uj i y o s h i 丫 A t o 而 e m o d e l o f Pl a n t
l i g h t
一
h a r v e s t i n g e o m P l e x b y e l e c t r o n e ry s t a l l o g r a P h y
.
N at u re
,
19 94
,
3 6 7 : 6 14一6 2 1
10 D e k ke r J P, R o o n H
,
B o e k e m E J
.
H e Pt a m e ir e a s s o e i a t i o n o f
l ig h t
一
h a r v e s t in g e o m p l e x n t r im e r s i n p a rt ia l ly s o l u b i l i z e d p h o
-
t o s y s t e m 汀 m e m b r a n e s . F E B s L e t t , 19 99 , 4 4 9 : 2 11一2 14
1 1 L i u Z
,
aY
n H
,
W
a n g K
,
e t a l
.
C r y s t a l s tr u e t u r e o f s P i n a e h m aj o r
l ig h t
一
h ar v e s t i n g e o m p l e x a t 2
.
7 2 入 : e s o 一u t i o n . N a t u r e , 2 0以 , 4 2 5 :
2 8 7一2 9 2
12 G a r a b G, K i
e l e e z a w a J
,
S u t h e r la n d J C
,
e t a l
.
o r g a n i z a t i o n o f
P ig m e n t
一
P ro t e i n C o m P le x s i n t o m a e r o d o m a in s i n t h e t hy l ak o id
m e m b r a n e s o f w i ld
一
ty P
e a n d e h l o r op hy l l b
一
l e s s m u t a n t o f b ar l e y
a s re v e a l e d b y e i r e u lar d i e h r o i s m
.
P h o t o e h e m P h o t o b i o l
,
19 9 1
,
5 4 :
2 7 3一2 8 1
1 3 K i t aj im a M
,
B u t l e r W L
.
Q u e n e h i n g o f e h l o r o P h y l l fl u o er s e e n e e
a n d Pr im a r y Ph o t o e he m i s t r y i n e h l o or P l
a s t s b y di b r o m o th y m o
-
q u i n o n e
.
B i o e h i m B i o P h y s A e t a
,
19 8 6
,
3 7 6 : 1 05一 1 15
14 G a r a b 以 C s e h Z , K o v 应e s L , e t a l . L ig h t 一 in d u e e d t r im e r t o m o n o -
m e r t r a n s i t i o n in t h e m a i n l i g h t
一 h a r v e s t i n g a n t e n n a e o m P l e x o f
P l a n t s : T h e r m o
一 o Pt i e m e e h a n i s m
.
B i o e h e m i s tr y
,
2 0 0 2
,
4 1 : 15 12 1
一 15 12 9
15 R u ba n A V
,
Y o u n g A J
,
H o rt o n P
.
D y n a m ie Pr o P e rt ie s o f th e m i
-
n o r e h一o r o ph y l l a /吞 b in d in g p ro t e i n s o f p h o t o s y s t e m l , a n in v i t r o
m o de l fo r P h o t o Pr o t e e t i v e e n e r g y d i s s iP a t i o n i n t h e Ph o t o sy n t h e t i e
m e m b ra n e o f g re e n P l a n t s
一
B i oc h e ll l改s tyz
,
19 95
,
3 5 (3 )
: 67 4一 6 78
16 R u b a n A V
,
H o r t o n P
.
M
e e h a n i s m o f A P H
一
d e P e n d e n t d i s s i Pa t i o n
o f a b s o r be d e x e i t a t io n e n e r g y b y p h o t o s y n th e t i e m e m b r a n e s l
:
s P e e t r o s e o P i e a n a ly s i s o f i s o la t e d l ig h t
一
h a vr e s t in g e o m P le x e s
-
B i o e h im B i o Ph y s A e t a
,
19 9 2
,
1 10 2 : 3 0一3 8
17 R u b a n A V
, D e k k e r J P
,
H o rt o n P
,
e t a l
.
T e m P e r a t u r e d e Pe n d e n e e
o f e h l o r o P h y l l fl u o r e s e e n e e in t h e l ig h t
一
h a r v e s t i n g e o m p l e x 1
o f
h ig he r P l a n t s
.
P h o t o e h e m P h o t o bi o l
,
19 9 5
,
6 1 : 2 16一 2 2 1
18 C h e n H
,
S h e n S H
,
W a n g G C
,
e t a l
.
Is o l a t io n o f t h e m a i n l ig h t
-
h a r v e s t i n g e h l o r o Ph y l l a b/
一
Por t e i n e o m P l e x fr o m th y la k o id m e m
-
b r a n e s o f m a r in e a lg a
,
b ry o P s i s e o rt i e u l a n s b y a d i r e e t m e th o d
.
A e t a B o t a n i e a S in i e a
,
2 0 04
,
4 6 (8 )
: 9 15一 9 20
19 C h e n H
,
S h e n S
,
L i a n g Y,
e t a l
.
E v i d e n e e of r d i s s o e ia ti o n o f e h lo
-
r o P h y l l b fr o m t h e m a i n li g h t
一
h a r v e s t i n g e o m Pl e x i n t h e 0 11
-
g o m e ir z at io n s t a t e i s o l a t e d ofr m m
a ir n e a lg a
,
B ry op
s i s c o r r i e u l a n s
B i o e h im B i o Ph y s A e t a
,
2 0 0 5
,
17 0 7 : 17 〔卜一 17 8
20 A m e r o n g e n H
,
G or
n d e l l e R
.
U n de r s t a n d i n g t h e e n e gr y t r a n s fe r
f u n e r i o n o f L H e n
,
th e m aj
o r 一ig h t 一 h a r v e s t in g e o m p l e x o f g er e n
P l a n t s
.
J hP y
s C h e m B
,
2 0 1
,
105
: 6 04 一 6 1 7
2 1 N u s s be rg e r S
,
D o e r K
,
W
a n g D N
,
e t a l
.
L IP id
一
P or t
e i n i n t e r a e t io n s
i n e yr
s t a l s o f Pl a n t l ig h t
一
h a r v e s t in g e o m P l e x
.
J M o l B io l
,
19 9 3
,
2 3 4 : 3 4 7一 3 5 6
2 2 A k a h a n e J
,
R o n d o n u w u F S
,
F ie d o r L
,
e t a l
.
D e Pe n de n e e o f
s i n g l e t
一 e n e r gy t r a n s fe r o n t h e e o nj u g a t i o n l e n g th o f e ar o t e n o id s
r e e o n s t i t u t e d i n t o t he L H I e o m P l e x fro m R h
o
do sP i
r i l l u m ru b ru m
G g
.
C h e m P h y s L e t t
,
2 00 4
,
39 3 : 184一 19 1
2 3 D a s S K
,
F r a n k H A
.
P ig m e n t e o m P o s i t i o n s
,
s Pe e t r a l P r o Pe rt i e s
,
a n d e n e rg y t r a n s fe r e if e i e n e i e s b e tw e e n t h e x a n t h o P h y l l s a n d
e h l o ro P h y l l s in t h e m aj o r a n d m i n o r P ig m e n t 一 P r o t e i n e o m P l e x e s
o f P h o t o s y s t e m 1
.
B i o e h e而 s t四 , 2 0 0 2 , 4 1: 一3 0 8 7一 13 0 9 5
2 4 C o n n e l ly J P, M u l l
e r
M G, H
u e k e M
,
e t a l
.
U l t r a fa s t s P e e t or s e o P y
o f t r im e ir e l i g h t
一
h a r v e s t i n g e o m p l e x 1 fr
o m h ig h e r p l a n t s
.
J
P h y s C h e m B
,
19 9 7
,
10 1 : 19 0 2一 19 0 9
2 5 B ar z d a v, G
u lb i n a s 丫 K a n a n a v i e i u s R 、 e t a l . Si n g l e t一 s i n g l e t a n n i -
hi l a t io n k in e t i e s in a g g r e g a t e s a n d t r im e r s o f L H C 1
.
B i o P h y s J
,
2 0 0 1
,
8 0 : 2 4 0 9一 24 2 1
2 6 V i s s e r H M
,
K l e im a F J
,
S t o k
u m 1 H M
,
e t a l
.
P or b i
n g t h e m a n y
e n e gr y
一
t r a n s fe r P r o e e s s e s in t h e P h o t o s y n th e t i e Iig h t
一
h a r v e s t in g
e o m p l e x 1
a t 7 7 K u s i n g e n e r g y
一
s e l e e t i v e s u b
一
pi e o s e e o n d t r a n
-
s i e n t ab s o pr t i o n s P e e t r o s e o P .y Ch e m P h y s
,
19 9 6
,
2 10 : 29 7一 3 12
2 7 K le im a F J
,
G ra d in a r u C C
,
C a lk o e n F,
e之 a l . E o e gr y tr a n s fe r i n
L H C 1 m o n o m e r s a t 7 7 K s t u d i e d b y s u b
一
Pi e o s e e o n d t r a n s i e n t
a b s o pr t i
o n s Pe e tor
s e o Py
.
B i o e h e m i s tyr
,
19 9 7
,
3 6 : 15 2 6 2一 1 52 6 8
2 8 G r a d in a ru C C
,
O z de m i r S
,
G o l e n D
,
e t a l
.
T h e fl o w o f e x c j t a r i o n
e n e r g y i n L H e 五 m o n o m e r s : Im p l i e a t i o n s fo r t h e s t r u e t u r a l
m o d e l o f th e m aj o r P l a n t a n t e n n a
.
B i o P h y s J
,
19 9 8
,
7 5 : 30 6 4一
3 0 7 7
2 9 Va
s i l’ e v S , I rg a n g K D
,
S e h r o t t e r T, e t a l
.
Q u e n e h i n g o f C h l o or
-
P h y l l a fl u o r e s e e n e e i n t h e a gg er g a t e s o f L H C l
: S t e a d y s t a t e
fl u o r e s e e n e e a n d Pi e o s e e o n d r e l a x a t i o n ik n e t i e s
.
B i o e h e m i s t r y
,
1 9 97
,
3 6 : 7 5 0 3一 7 5 1 2
3 0 M u l l i n e a u x C W. P
a s e a l A A
,
H o rt o n P, e t a l
.
E x e i t a t i o n
一
e n e gr y
q u e n e h i n g i n a g g r e g at e s o f ht e L H C 1 e h l o r o P h y l l
一
p r o t e i n e o m
-
P le x: a t i m e
一
er s o lv e d fl u o r e s e e n e e s t u d y
.
Bio e h im B io Ph y s A e t a
,
19 9 3
,
114 1 : 2 3一 2 8
( 2 00 5
一
10
一 3 1收稿 , 2 0 0 6一0 2 一 13 接受 )
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.
S C ic h i n a
.
c o m 10 33