全 文 ：40 海洋科学/2002年/第 26卷/第 4期
研究报告REPORTS
管藻目绿藻刺松藻 (Codium fragi le)PSI色素蛋白复合物结
构及多肽组成 *
陈 敏 1 李爱芬 1 周百成 2
(1烟台大学生物化学系 264005)
(2中国科学院海洋研究所 青岛 266071)
提要 采用温和的聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)法 , 从管藻目绿藻刺松藻中分离到不同解
离程度的光系统 I(PSI)复合物 ,以及核心复合物 CC I 、捕光复合物 LHC I 和 LHCI 的亚组分 ,
并就其多肽组成及相互关系做了研究 。纯化的 CCI 复合物只含有 66和 56 kDa多肽 ,荧光发
射主峰在 714 ～ 715 nm ;LHCI 的 77K 荧光峰在 683 ～ 684 nm ,没有高等植物 730 nm特征荧
光 ,含有 PS I 复合物中的全部 4种 24.7 ～ 27.5 kDa 多肽。将中心复合物 CPI 再电泳 ,得到了
只含有 24.5和 27.2 kDa多肽的 LHCI 亚组分 。从而证实刺松藻 LHC I 也可分裂为含有光合
色素的两个部分 ,它们与 CCI 结合的紧密程度不同 。
关键词 PSI , LHCI ,CCI ,低温荧光 ,多肽排布 ,刺松藻
* 本工作是在中国科学院海洋研究所实验海洋生物学开
放研究实验室和中国科学院植物研究所光合作用研究
中心完成 ,并得到曾呈奎院士、匡廷云院士和李良璧教
授的具体指导;张群和冯丽洁在实验结果测定方面给予
了热情帮助 ,在此深表感谢。
第一作者:陈敏 ,出生于 1966年 ,博士 ,副教授。E-mail:che
nm clm@163.net
收稿日期:2000-11-13;修回日期:2001-03-29
色素蛋白复合物在光合作用中担负着吸收 、传递
和转化光能的任务 ,了解它们的组成以及在类囊体膜
上的排布规律 , 是光合作用机理研究的重要内容之
一 。目前对高等植物的 PSI 的结构已经有了较多的了
解 ,并根据各组分的多肽组成和能量传递关系建立了
多种可能的色素蛋白复合物结构模型 。但是研究发
现 ,管藻目绿藻等一些海洋藻类的 PSI 在结构及能量
传递方式上都与高等植物不同 , 具有特异性 [1 ] 。由于
管藻目绿藻是兼有绿色植物和杂色植物特征的一类
特殊藻类 ,因此 ,深入研究其特异性 ,对于探讨光合生
物光系统的结构 、功能及进化都将具有重要意义 。但
目前对管藻目藻类 PSI , 尤其是对 LHCI 的内部结构
所知较少。为此 ,作者以管藻目绿藻刺松藻为材料 ,对
其 PSI 复合物及各组成部分的结构及多肽关系做了
分析和研究 。
1 材料与方法
1.1 类囊体膜的制备
刺松藻(Cod ium f ragi le)采自青岛汇泉湾。依
照 Anderson 1983年方法制备类囊体膜 。
1.2 色素蛋白复合物分离
类囊体膜的增溶和电泳分离参照李桐柱 1995
年方法稍加改变 。用 2.0%DMG 或 0.75%SDS增
溶 。分离胶浓度为 10%。电泳后的凝胶管立即拍照或
在 C_910薄层扫描仪上进行扫描 。
1.3 叶绿素浓度及 Chl a/b 比值的测定
电泳后的凝胶片经研磨后加入 80 %丙酮 , 密闭
抽提 2 h 。将抽提物 3 000 r/min 离心 10 min ,上清液
依 Arnon 1949年方法与类囊体膜同样测定叶绿素浓
度及 Chl a/b比值 。
1.4 室温吸收光谱及 77 K 荧光光谱测定
将含有复合物的凝胶片切下 , 采用 UV-3000双
波长双光束分光光度计测定吸收光谱或直接插入低
温管中 , 采用 F-4500荧光分光光度计测定并记录 77
K 荧光光谱 。
1.5 多肽组成分析
复合物条带在 5 %堆积胶中进行再电泳 , 以除
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去可能存在的杂质 , 并使各条带叶绿素含量浓缩至约
2 ～ 5μg 。于样品处理液中煮沸 10 min , 依 Laemmli
1970年方法进行多肽分析 。
2 实验结果
2.1 PSI复合物、核心复合物CCI及 LHCI分离
采用 SDS 或 DMG 增溶 ,均可从刺松藻类囊体膜
上分离到 10种色素蛋白复合物 (图 1), 其中绿色的
CPI 为 PSI 的中心复合物 , 3条黄褐色的 CPIa复合
物由 CCI 及 LHC I构成 。CPa和 LHCP 1 ,2 ,3 ,3′及 Fca
分别为 PSII 的中心复合物和捕光复合物 。
将 CPI 进行再电泳 , 得到不含 LHC I 的鲜绿色
的 PSI 核心复合物 CCI(CPI-1)(图 2)。将分子量最
大的 PSI 复合物 CPIa 1再电泳 ,得到黄褐色的 PSI 捕
光复合物 LHCI(图 2)。
2.2 室温吸收光谱及 77 K 荧光光谱
经 SDS增溶得到的 4种刺松藻 PS I 复合物的吸
收及荧光光谱特性 ,在前文中已有报道 [1 ] 。DMG 增溶
的结果与其相似 ,只是 CPI 和纯化的 CCI 都只有 Chl
a 的吸收(图 3),表明已去除了 LHCI 。CCI 的吸收峰
在 434 ～ 436 nm 和 676 ～ 677 nm , 与再分离之前的
CPI 及类囊体膜相比基本没有变化 , 说明再分离过程
并未影响 CCI 中 Chl a与蛋白质的结合状态 。
LHCI 中 C hl a 的吸收峰在 435和 671 nm(图
3),Chl b在 473和 655 nm ,此外在 540 nm 附近还有
管藻黄素和管藻素的吸收肩峰 , 说明该复合物是管藻
黄素-C hl a/b-蛋白复合物 。
刺松藻 CCI 的荧光发射主峰在 714 ～ 715 nm 。
而 LHCI 在激发波长为 436 、475或 540 nm 时都发射
683 ～ 684 nm荧光(图 4)。表明分离物中各种色素之
间保持着良好的能量传递关系 , 管藻黄素和 Chl b都
可将激发能传递给 Chl a 。
2.3 多肽组成及其排布
刺松藻的 CPIa 1-3复合物主要含有 66.4 , 56以及
28 , 26.2 , 26和 24.7 kDa 6种多肽(图 5)。纯化的CC I
和 DMG 增溶的 CPI 都只含有 66和 56 kDa 多肽 ,显
然两者是 PSI 的核心多肽;而 LHC I则含有 CPIa复
合物的全部 4种小分子量多肽 。值得注意的是 , 经
SDS 增溶的刺松藻的 CPI 多肽图谱中 , 较 CPIa复合
图 2 刺松藻 C PIa 1 (DMG 增溶)和 CPI 复合物(SDS 增溶)
的 PAGE 再分离
Fig.2 Further fracti onation of C PIa 1 (resolved by DMG)and
CPI(resolved by SDS)complexes of C.f ragi le by PAGE
图 3 SDS 增溶的刺松藻CPI 和再电泳得到的 CCI 及 LHCL
复合物吸收光谱
F ig.3 A bso rption spect ra of CP I comple x of C.f ragi le resolv ed
by SDS , CCI and LHCL complex iso lated by further
PAGE
图 1 刺松藻色素蛋白复合物的 PAGE 分离
Fig.1 Pi ngment-protei n complexes o f C.f ragile isola ted by PAGE
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图 6 高等植物(左)及刺松藻(右)PSI 色素蛋白复合物结构示意图
Fig.6 The sket ch map of PSI pi gment-protein complexes in hi gher
pl ant s(lef t)and C.f ragil e(right)
图 4 刺松藻 CCI 和 LHCI 荧光发射光谱
Fig.4 F luo rescence emission spec tra o f CCI and LHCL
complex of C.f ragi le
图 5 SDS 增溶的刺松藻 CPIa ,CPI 复合物及 CCI , LHCI 和
LHCI 亚组分多肽分析
Fig.5 Pept ide analysi s of CIPa , CPI complex of C.f r agi le
resolved by SDS and sub-complexes CCI , LHC L
and LHC L
物明显缺少了 LHCI 的两个 26 kDa多肽(图 5)。说明
该复合物是由 CCI 和含有 28和 24.7 kDa两种多肽
的 LHCI亚组分构成的 。这样的复合物在以往的文献
中从未有报道 。
2.4 LHC I亚组分分离及特性
作者将 SDS 增溶的刺松藻的 CPI 进行再电泳 ,
在鲜绿色的 CPI-1(CC I)和游离色素之间还得到一条
浅黄褐色的 LHC I 亚复合物条带 CPI-2(图 2), 该条
带只含有 27.6和 25 kDa 两种多肽(图 5), 吸收光谱
中除了 435和 669 nm处 Chl a的吸收之外 , 在 464
和 540 nm 处还可看到少量 C hl b及管藻黄素和管藻
素的峰 ,说明 27.6和 25 kDa两种多肽也应是特异的
管藻黄素-Chl a/b-蛋白复合物 。在 436 nm 激发波长
下 , LHC I 亚复合物的荧光发射峰为 677 nm 。以 475
nm 光激发 ,有 645和 676 nm 两个荧光峰 ,说明色基
与蛋白的结合状态以及C hl b和 Chl a之间的能量传
递已受到影响(结果未显示)。
3 讨论
根据上述研究结果 , 作者认为刺松藻的 PSI 至
少含有 6种带有色素的多肽 , 其可能的相互关系示意
如图 6。
管藻目绿藻的 PSI 核心复合物 CCI 与高等植物
相似 , 都是由两个表观分子量约为 66 kDa的多肽构
成的 Chl a-蛋白复合物 , 只是荧光发射峰在 714 ～
715 nm ,而不是高等植物的 720 nm 。电镜观测结果表
明 , 高等植物 PSI 有 8 个 LHC I 多肽
(LHCI-730和 LHCI-680各两个)环绕在
CC I的外围 。但是它们与CC I的结合关系至
今仍有争论 [2 ]。而作者从刺松藻 PSI 复合物
多肽的组成差异中可清楚地看到 ,管藻目绿
藻 LHCI 可以分为两个部分 , 其中与 CCI
结合最紧密的是含有 28和 25 kDa 多肽的
亚组分;另外一部分含有两种 26 kDa多肽 ,
与CC I 的结合相对松散 。由 4种多肽构成的
LHC I是管藻黄素-Chl a/b-蛋白复合物 ,发
射 683 ～ 684 nm 的荧光 , 而不是高等植物的
730 nm 荧光 。
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参考文献
1 陈 敏、李爱芬、周百成。管藻目绿藻叶绿素蛋白复合物
特性及比较研究 ,植物学报 , 2000, 42(10)1019～ 1025
2 魏 捷、余 辉、李良璧等。菠菜 PSI颗粒中色素和蛋白
的光破坏进程 ,科学通报 , 2000 , 45(6)612～ 617
STRUCTURE AND PEPTIDE COMPOSITION OF PSI
PIGMENT-PROTEIN COMPLEXES OF SIPHOUNOUS
GREEN ALGA , Codium fragi le
CHEN M in 1 LI Ai-fen 1 ZHOU Bai-cheng 2
(1Departmen t of B iochemistry , Y antai U niversi ty , 264005)
(2Insti tute of Oceanology , Chinese Academy of S ciences , Qingdao 266071)
Received:Nov., 13 , 2001
Key Words:PSI , LHCI ,CCI , Low temperatu re f luorescence , Peptide arrangem ent , Codium frag i le
Abstact
By mild PAGE method , PSI complexes in vary ing decom position degrees , core complex CCI ,
light-harvesting complex LHCI and a LHCI subunit w ere resolved from a siphonous green alga , Codium
f ragile.The peptide com position and ar rangement in these complexes w ere also investigated.Purified CC I
com plex contained only 66 and 56 kDa pep tides , and its main fluo rescence emission band at 77K w as at
714 ～ 715 nm .LHC I contained all four peptides o f 24.7 ～ 27.5 kDa presented in PSI complexes , and had a
sing le f luo rescence peak around 683 ～ 684 nm other t han those at 730 nm in higher plants.When CPI w as
subjected to fur ther PAGE , the LHC I subunit containing tw o 24.5 and 27.2 kDa peptides w as isolated.I t
demonst rated t ha t LHCI o f C .fragile could be f ractiona ted into two subunits containing photosynthe tic
pigments.The tw o subunits at tached with CCI to a diffe rent ex tent.
(本文编辑:张培新)