全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (12): 2070~2082　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.03822070
收稿 2015-07-17　　修定 2015-11-04
资助 国家自然科学基金(40976083)。
* 通讯作者(E-mail: chenmclm@163.com; Tel: 0535-6902638)。
隐藻藻胆蛋白的结构与能量传递功能
陈敏1,*, 王宁1, 杨多利1, 李文军2
1烟台大学生命科学学院, 山东烟台264005; 2中国科学院海岸带研究所, 山东烟台264005
摘要: 藻胆蛋白主要存在于蓝藻、红藻及部分隐藻, 作为主要的捕光复合物担负着吸收和传递光能的作用。同时藻胆蛋白
还是具有很高量子产率的荧光蛋白, 因而在光合理论研究及应用方面受到广泛的关注。隐藻藻胆蛋白继承自红藻, 但在其
蛋白和色基结构、组成、性质、在叶绿体中的存在状态以及与光合膜上反应中心的接触方式等方面都与红、蓝藻藻胆蛋
白不同。目前对于红、蓝藻中的藻胆蛋白以及组装而成的藻胆体等均有相当透彻的研究, 而对于隐藻藻胆蛋白的了解要
少得多。隐藻藻胆蛋白在进化上可能属于比较原始的类型, 并且结构上相对于庞大的藻胆体简单得多, 因此对于了解藻胆
蛋白基本的结构与捕光功能的关系、探讨隐藻的进化地位以及光合生物进化的亲缘关系等的研究方面, 具有重要意义, 也
更为便捷。本文从结构和能量传递功能等方面对目前发现的隐藻藻胆蛋白的研究近况做了综述, 总结了目前研究存在的
不明之处, 并对今后的研究思路提出了看法。
关键词: 隐藻; 藻胆蛋白; 结构; 能量传递
The Structure and Energy Transfer of Phycobiliproteins in Cryptophytic Algae
CHEN Min1,*, WANG Ning1, YANG Duo-Li1, LI Wen-Jun2
1College of Life Sciences, Yantai University, Yantai, Shandong 264005, China; 2Institute of Coastal Zone Research, Chinese Acad-
emy of Sciences, Yantai, Shandong 264005, China
Abstract: Phycobiliproteins are mainly found in blue-green algae, red algae and some species of cryptophytic
algae. They function as major light-harvesting complexes to harvest and transfer sunlight energy. Meanwhile,
phycobiliproteins are also fluorescent proteins with high fluorescence quantum yield, and in consequence be
widely concerned in both theoretical photosynthesis investigation and application. The cryptophytic phycobilip-
roteins are inherited from red algae but varied in several ways compared to phycobiliproteins from red algae
and blue-green algae, including their protein and phycobilin structure, composition, properties, existential states
within chloroplast, as well as the contact forms with reaction centers embedded in photosynthetic membrane,
etc. At present, there is a thorough understanding with both phycobiliproteins and phycobilisome assembled by
phycobiliproteins in red and blue algae, however, much less understanding about cryptophytic phycobilipro-
teins. This is considered as the weak point of the study among phycobiliprotein family members. Cryptophytic
phycobiliproteins, which are very likely belong to a more primitive type of phycobiliproteins in the view of
evolution, and are simpler than that of phycobilisome in terms of structure, therefore, are more important and
more convenient in investigating the relation between fundamental structure and light-harvesting function of
phycobiliproteins, discussing the evolutionary position of cryptophytic algae and the genetic relationship of
photosynthetic organisms etc. In this paper, present research status in the respect of structure, function of energy
transfer of cryptophytic phycobiliproteins currently found are reviewed, the current research of the unknown is
summarized, and the new ideas for future investigation are also provided.
Key words: cryptophyte; phycobiliprotein; structure; energy transfer
光合放氧生物可被分为红蓝植物、绿色植物
和杂色植物三大类群, 除了含有叶绿素(Chl) a外,
其中绿色植物和杂色植物通常分别以含有Chl b和
Chl c为特征, 而红蓝植物则以含有藻胆蛋白为特
征(曾呈奎和周百成1983)。隐藻(cryptophytes)是
一类单细胞的真核藻类, 属于杂色植物。但隐藻
的色素成分比较特殊, 除了含有Chl a、c外, 部分
种属还含有藻胆蛋白。这种特殊的色素组成提示
了隐藻作为杂色藻类在进化上可能与含有藻胆蛋
白为特征的红、蓝藻类具有特定的联系(Hoef-Em-
陈敏等: 隐藻藻胆蛋白的结构与能量传递功能 2071
den和Melkonian 2003)。根据内共生理论, 隐藻是
由真核红藻与带鞭毛的异养真核宿主经第二次内
共生产生的次生真核光合生物(Grzebyk等2003;
Kim等2008)。因此, 隐藻尤其是含有藻胆蛋白的
隐藻类型, 在进化上具有特殊意义。
对于三大类群的光合生物的光合系统, 其反
应中心部分通常是相对保守的, 而差别较大的是
各自的捕光复合物。绿色植物和杂色植物中的各
种叶绿素以及某些类胡萝卜素可以不同的方式与
蛋白组装形成脂溶性的色素蛋白复合物, 牢固结
合于类囊体膜内部; 而红蓝植物中的藻胆蛋白则
组装形成藻胆体, 结合于叶绿体的类囊体膜的表
面。它们均可高效地捕获光能并传递给反应中心
用于光合作用(Scholes等2011)。而隐藻则利用其
特殊的色素成分, 组装形成了包括处于膜上的脂
溶性的Chl a/c-蛋白复合物和处于游离状态的水溶
性的藻胆蛋白在内的两类捕光系统, 因此在光合
系统结构组成和能量传递方式上也显得十分特别
(Ingram和Hiller 1983; Green 2003; Scholes等2011)。
尽管隐藻的叶绿体可能源于红藻, 但从红藻
中继承的隐藻藻胆蛋白在许多方面都与红藻以及
蓝藻藻胆蛋白不同。目前借助各种生物化学、分
子生物学、遗传学、光物理和光化学以及量子化
学计算等手段对于红、蓝藻中的藻胆蛋白以及组
装而成的藻胆体的结构、性质、功能等展开了相
当透彻的研究, 相较而言, 对隐藻藻胆蛋白的了解
要少得多, 是藻胆蛋白家族成员中研究的薄弱点
所在。本文从蛋白和色基的组成、结构以及能量
传递途径等方面对目前发现的各种隐藻藻胆蛋白
的研究近况做了综述, 在认识和了解的基础上为
今后的研究理清思路。
1 隐藻藻胆蛋白的种类及存在状态
红、蓝藻中主要存在有藻红蛋白(phycoerythrin,
PE)、藻蓝蛋白(phycocyanin, PC)和别藻蓝蛋白(al-
lophcocyanin, APC), 在某些没有PE而具有异形胞
的蓝藻等藻类中还有藻红蓝蛋白(phycoerythrocy-
anin, PEC) (Rowan 1989)。它们借助连接多肽连接
组装成超分子复合体——藻胆体(phycobilisomes),
包括直径50~60 nm的典型的圆盘状、半圆盘状或
扁长的半椭球状PBS, 以及棒状PBS (Watanabe等
2014), 并通过锚蛋白固着在类囊体膜的外表面
上。典型的藻胆体通常由一个核心(core)和6~8个
棒(rod)两部分构成, 核心含有2、3或5个APC构成
的筒状结构, 棒是由数个六聚体PE(αβ)6 [或(αβ)6]
或PEC以及PC(αβ)6组成。可吸收480~660 nm波长
的光, 并按照PE/PEC→PC→APC的顺序传递, 最终
借助两类APC末端发射体ApcE及AP-B (allophco-
cyanin B)传递给PSII以及PSI反应中心(Gao等2012;
Watanabe和Ikeuchi 2013; Peng等2014; Kuzminov等
2014; Chang等2015)。
根据光谱特性不同, 目前已报道的隐藻藻胆
蛋白应该有8种, 分别是隐藻藻红蛋白PE545、
PE555、PE566, 隐藻藻蓝蛋白PC612、PC630、
PC645、PC569 (或PC570) (Guard-Friar等1986), 以
及从隐藻Hemiselmis pacifica中分离到一种新的蓝
紫色的PC577 (Overkamp等2014a)。PC577与
PC612相似, 只是吸收主峰在578 nm, 在610 nm附
近处只有一个吸收肩峰。
与红、蓝藻不同的是: 不是所有的隐藻都含
有藻胆蛋白, 并且一种隐藻只含有一种隐藻藻胆
蛋白, 或PE或PC, 但不含别藻蓝蛋白APC (Rowen
1989; Gantt等1971); 隐藻内的藻胆蛋白不构成藻
胆体, 存在位置也不是像红、蓝藻那样附着在叶
绿体类囊体膜的外表面 , 而是在类囊体膜腔内
(Gantt等1971; Spear-Bernstein和Miller 1987), 但存
在状态仍有争议。Morisset等(1984)曾报道, PC645
在加入去污剂的情况下可得到三角形和斜方对称
形2种非同型晶体, 且与以往得到的任何一种红、
蓝藻藻胆蛋白结晶均不同, 认为隐藻藻胆蛋白的
聚合状态可能是不均一的, 并且自组装形式以及
与膜的结合方式也是特异的。但最新的隐藻类囊
体膜结构模型认为, PE545可能是均匀地填充于类
囊体腔中(图1), 彼此之间以及与膜上叶绿素-蛋白
复合物之间没有倾向性的结合关系(van der Weij-
De Wit等2006; Doust等2006; Scholes等2011)。只
是如此以离散存在的藻胆蛋白如何将吸收的能量
传递给位于类囊体膜上的反应中心目前还没有给
出合理的解释。
2 隐藻藻胆蛋白的结构
2.1 亚基组成及数量
藻胆蛋白是由α和β亚基聚合而成的一类寡聚
体蛋白 , 红、蓝藻藻胆蛋白亚基分子量一般在
植物生理学报2072
图1 隐藻光合系统结构模型
Fig.1 A model of the photosynthesis systems in cryptophytic
algae
参考van der Weij-De Wit等(2006)文献修改。类囊体腔中斜方
体为PE545二聚体。
15~20 kDa之间, B-PE、R-PE中存的γ亚基分子质
量约为30 kDa。藻胆蛋白α和β亚基最先形成稳定
的单体(αβ), 再由单体聚合为多聚体(αβ)n。红、蓝
藻的藻胆蛋白大多为三聚体(αβ)3或六聚体(αβ)6,
而隐藻则多为二聚体。其β亚基分子量与红、蓝
藻相近, 为18~20 kDa, 但α亚基只有正常亚基的一
半, 为8~10 kDa。MacColl和Guard-Friar (1983a)以
及Sidler等(1985)等在酸性条件下对PC645和PE545
的亚基进行变性拆分后, 均可分离得到2种α亚基,
其中α1分子量为10.4 kDa, 而α2只有9.2 kDa。由于
高分辨率的PE545晶体结构解析(Wilk等1999;
Doust等2004)以及基因序列分析结果(Broughtona
等2006)也都证实了2种α亚基的差异, 因此, 目前大
都认为, 隐藻藻胆蛋白的亚基组成为(α1β) (α2β)异
二聚体。但2011年Zhang等经温和的分子筛层析
法纯化了一种蓝隐藻(Chroomonas placoidea)
PC645异二聚体, 经二维电泳后观察到一种新的发
光亚基 , 作者命名其为β 2, 与原有的β 1 (等电点
pI=6.0, 分子量20.3 kDa)相比, 分子量更小(15~18
kDa), 等电点更低(pI=5.7)。由于β1亚基再次电泳
后并不产生β2条带; 并且借助尿素拆分后得到的不
含α亚基的β亚基纯化物电泳后也存在β1和β2条带,
因此认为β2亚基不是β1降解的产物, 也非α亚基的聚
合物。PC645中这一新的β亚基的报道, 使人们对
隐藻藻胆蛋白的亚基种类和组成有了新的认识。
2.2 色基种类及分布
藻胆蛋白是由脱辅基蛋白和开链四吡咯结构
的藻胆素(phycobilin)色基通过硫醚键共价结合而
成。迄今为止, 在隐藻中发现可能存在7种藻胆素
(MacColl和Guard-Friar 1983a; MacColl等1990;
Wedemayer等1991, 1992, 1996; Wemmer等1993;
Hiller和Martin 1987; Hiller等1992; Hoef-Emden
2008; Scholes等2011; Overkamp等2014a), 其中4种
也存在于红、蓝藻藻胆蛋白 , 分别是藻蓝胆素
(phycocyanobilin, PCB)、藻红胆素(phycoerythrobilin,
PEB)、藻尿胆素(phycourobilin, PUB)和15,16-二氢
胆绿素(15,16-dihydrobiliverdin, DBV)。DBV即为
隐藻藻胆素cryptoviolin (CV), 在文献中也称隐藻
藻紫胆素。它们的最大吸收峰分别为620~650 nm
(PCB)、568 nm (DBV)、540~565 nm (PEB)和 490
nm (PUB)。此外, 隐藻还有3种红、蓝藻藻胆蛋白
所不具备的藻胆素: 一种为中胆绿素(mesobiliver-
din, MBV), 因其最大吸收波长长达697 nm, 也被称
为697色基; 另一种为最大吸收在618 nm (也有报
道在596 nm)色基, 文献称CB618 (或CB596); 还有
一种最大吸收在584 nm的色基, 其四吡咯色基的
C-环上比PEB的多了一个丙烯酰基, 称为CB584
(Overkamp等2014a)。藻胆素色基可通过1个或2个
Cys硫醚键与蛋白结合(单结合和双结合), 目前研
究过的隐藻藻胆蛋白中, 每个异二聚体几乎都含
有8个色基, α亚基一般都只结合一个色基, 而β亚
基则结合3个(1个为双结合, 其余2个为单结合)。
将已报道的隐藻藻胆蛋白亚基所结合的藻胆素色
基种类、数量及分布情况总结如表1。
表1 隐藻藻胆蛋白亚基中藻胆素的分布
Table 1 Distribution of phycobilins in subunits of crypotomonad phycobilinproteins
PC645 PC612 PC577 PC569 PE545 PE555 PE566
α亚基 1×MBV 1×PCB 1×PCB 1×PCB 1×DBV 1×PEB 1×CB618 (CB584)
β亚基 2×PCB, 2×PCB, 1×PCB, 1×MBV (DBV), 1×PCB, 1×CB584, 2×PEB, 2×PEB, 1×PEB, 1×DBV (CB584),
1×DBV* 1×DBV* 1×DBV* 1×CB584* 1×PEB* 1×DBV* 1×DBV* (CB584)
　　*: 被报道为双结合的色基。
陈敏等: 隐藻藻胆蛋白的结构与能量传递功能 2073
2.3 亚基蛋白的一级结构
红、蓝藻藻胆蛋白α和β亚基一般各含有161~
164个和161~177个氨基酸, 而γ亚基则含有317~
319个氨基酸(Sidler 2004)。隐藻的α1和α2亚基一般
含有70~73和78~86个氨基酸, PC645的α1和α2亚基
各包含70和80个 (Sidler等1990)或72和86个氨基酸
(Harrop等2014), 每个α亚基的Cys-18 (Cys-19)连接
有一个绿色的MBV发色团; PC645的β亚基含有
177个氨基酸残基, 2个蓝色的PCB发色团分别结合
在Cys-82和Cys-158上, 1个紫色的DBV发色团通过
2个共价键连接于Cys-50和Cys-61上。
PE545的β亚基也含有177个氨基酸(Reith和
Douglas 1990; Overkamp等2014b), 与PC645的β亚
基序列高度同源(Hoef-Emden 2008; Overkamp等
2014b)。从目前情况来看, PE545、PE555、PE566
和PC612所含色基结合位置都与PC645相似, 只是
所结合的色基种类不同。α亚基上唯一的色基都
以单键结合在α19 (或α20)的Cys处; β亚基在Cys-82
和Cys-158上(分别称β82和β158)都是单结合色基,
Cys-50和Cys-61上为双结合色基(β50/61), 色基定位
与紫球藻(Porphyridium cruentem) B-PE完全相同。
据报道, 隐藻藻胆蛋白β亚基由叶绿体基因编
码 , 而α亚基则是由一组小的核基因家族编码
(Glazer和Wedemayer 1995; Maier等2000; Over-
kamp等2014b)。隐藻PC645的β亚基序列与红藻紫
球藻(P. cruentum)的B-PE的β亚基具有73%氨基酸
相同, 与蓝藻(Calothrix sp.)的C-PE也有63%的序列
相似性, 反而与藻蓝蛋白β亚基同源序列较少(Si-
dler等1986; Overkamp等2014b)。因此推测PC645
的β亚基可能与红、蓝藻藻红蛋白的β亚基同源。
但是PC645 α亚基与已知的红、蓝藻藻胆蛋白各种
亚基的序列与红、蓝藻的连接多肽或者亚基多肽
相比, 仅有15%~20%的相同氨基酸残基。即使在
隐藻藻胆蛋白之间, 除了色基周围的保守区外, 一
级序列同源性也不高, 2个α亚基与β亚基的同源性
也只有16%和11%。这表明隐藻藻胆蛋白的α亚基
很可能属于一类特殊的、不同于其他天线多肽的
藻胆蛋白类型(Glazer和Wedemayer 1995; Reith和
Douglas 1990; Bolte等2008)。
2.4 空间结构
目前关于隐藻藻胆蛋白的三维结构信息, 最
详细的资料来源于Rhodomonas CS24的PE545晶体
结构解析, 在高达1.63 Å甚至0.97 Å分辨率下, 蛋白
的空间结构以及色基微环境及其相互作用都做了
精确定位和测定(图2) (Wilk等1999; Doust等
2004)。PE545异二聚体(α1α2ββ)形成一个近似船型
的分子(75 Å×60 Å×40 Å), 尽管其β链结构除了N末
端外与其他已知藻胆蛋白的α、β链相似, 但PE-
545的总体结构颇有奇特之处: (1)存在β折叠结构:
每个α亚基都有一个特异的延伸折叠结构, 由一个
反向的β折叠及随后紧跟的α螺旋构成(图2-A), 并
与β链N末端的β折叠相互作用, 形成三链β折叠。
而红、蓝藻藻胆蛋白除了连接多肽之外, 通常缺
少β折叠结构(Wilk等1999; Watanabe和Ikeuchi
2013)。(2)异二聚体中的2个(αβ)单体之间存在一
个异乎寻常的亲水裂缝(图2-B): 此亲水空腔的作
用至今还是推测, 可能是其他多肽的停泊部位, 或
者是与PE相互作用的中等尺寸分子的结合位点,
PE545有可能借助这一裂缝与一个受体多肽结合,
并借此将吸收的能量传递给反应中心。(3)四级结
构特殊: 在PE545异二聚体的2个(αβ)单体之间, 几
乎所有的蛋白质接触都来自α亚基, 而2个β亚基之
间唯一的接触就是各自的β50/61上双结合着的
PEB色基, 两者间凭借范德华力彼此作用成为色基
对(色基排布及立体结构见图2-D)。该色基对不仅
稳定着二聚体的结构, 还因为激子耦合而导致的
激子裂分(exciton splitting), 使自身的吸收范围拓
展, 从而与其能量传递序列的上下游色基间的吸
收谱更好的重叠, 便于激发能在单体之间快速传
递, 被认为是亚基蛋白结构和功能进化的一个策
略, 也是单体二聚化最大的优势(MacColl和Eisele
1996; MacColl等1998)。
Doust等(2006)曾提到PC645解析度为1.4 Å的
结果, 认为PC645与PE545在空间结构上非常相似,
只是亚基结合的色基差异对空间构象造成影响。
PC645因β50/61处所连接的色基是DBV色基, 与
PE545不同, 因而在形成二聚体时与PE545的空间
构象亦有不同 , 在圆二色谱(CD谱)中有所体现
(MacColl和Eisele 1996; MacColl等1996, 1998; No-
voderezhkin等2010)。近年来, Harrop等(2014)和
Arpin等(2015)又给出了包括PC645 (1.35 Å)、
PC630、PC612 (1.7Å)、PC577以及PE555 (1.8Å)
植物生理学报2074
在内的5种隐藻藻胆蛋白的晶体结构, 分析结果显
示其亚基的空间结构相似, 但因一级序列差异而
呈现开放状态(PC645、PC630、PE545)和闭合状
态(PC612、PC577、PE555)两类不同的四级结构
状态(图3)。PC612以及PE555的α亚基不仅序列较
短, 而且在相对保守序列区内的α18处额外插入了
一个Asp, 使结合色基的Cys的序号从19位退后到
了20位。正是缘于这一个氨基酸的插入而导致的
空间立体效应, 可使异二聚体呈现所谓开放的状
态 , 此状态中的2个αβ单体相对于闭合状态的
PC645和PC630旋转了约73°。这一结构变化不
仅使单体之间的接触面减少到闭合状态时的一
半, 成为一种不够稳定的结构, 同时强烈干扰到
在闭合状态时2个原本处于电子耦联状态的中央
色基对之间的相互作用, 表现为激子耦合作用明
显减弱。
图2 PE545晶体结构
Fig.2 The crystal structure of PE545
参考Wilk等(1999)和Novoderezhkin等(2010)文献修改。A: α亚基的二级结构; B: PE545两个单体之间的亲水裂缝; C: PE545异二聚体
空间结构; D: 色基的立体排布图。
隐藻藻胆蛋白的二聚体状态是稳定的四级结
构形式, 即使是呈现不稳定的开放型四级结构的
PC612和PC577, 通常也不解离为游离单体。PE-
545、PC612以及PC645必须在酸性(pH 4)或存在
大于0.3 mol·L-1 NaSCN的非生理条件下才解聚为
(αβ)单体形式, 但后者结构相对独立, 虽然光谱特
性有所变化, 但蛋白构象依然可维持与二聚体时
相似(MacColl等1995, 1998; Wilbanks等1989)。
3 隐藻藻胆蛋白与能量传递
藻胆蛋白作为特定藻类主要的捕光复合物, 如
何收集光能并依照何种方式和途径在多种色基之
间传递能量, 最终传递给反应中心用于光合作用的
问题, 是了解藻胆蛋白结构与功能的核心问题。
3.1 藻胆蛋白内部的能量传递途径
目前有关隐藻藻胆蛋白内部能量传递的报道,
最多的是来自Alexander B. Doust和Robert MacColl
陈敏等: 隐藻藻胆蛋白的结构与能量传递功能 2075
所在的2个研究团队。MacColl研究团队的研究涉
及PE545、PE566、PC645、PC612、PC630等多
种隐藻藻胆蛋白, 在CD谱、荧光偏振谱以及时间
分辨光谱的解析结果基础上给出大量的能量传递
有关的信息: (1)隐藻PE545、PC645及PC612单体
和二聚体的构象基本相同, 但二聚体形成对内部
能量传递至关重要(MacColl等1995, 1998, 1999a;
Hill和Rowan 1989)。(2)红、蓝藻藻胆蛋白分子内
通常不存在激子耦合的(exciton-coupled)色基对;
而PE545、PC645及PC612二聚体所结合的8个色
基, 在PE545和PC645中形成3对激子耦合的色基
对, 2对在(αβ)单体内, 1对在单体之间的表面上
(β50/61色基); 而PC612则只有2对色基对, 且都在
单体内部, 单体间不形成色基对; 单体间的激子耦
合色基对是由能级最高的色基形成(在PE545是
PEB, 在PC645是DBV); 而单体内部的激子耦合色
基对的2个成员则有不确定, 可能分别存在于α亚
基和β亚基上 , 也可能在β亚基内部(MacColl等
1994, 1996, 1999b)。(3)提出了PC612 (H. virescens)
的能量传递初步模型 (MacColl和Guard-Friar
1983b; Csatorday等1987; Guard-Friar等1985), 认为
PC612中最先被激发的是能级最高的CV色基
(DBV), 随后激发能以Förster共振方式传递给另一
个DBV或者一个非激子耦合的PCB, 最终以同样
机制传递给一个单体内部处于激子耦合状态的
PCB色基对, 传递路径为: DBV→PCB576→PCB色基
对→末端发射。(4)在PC645中, 从α亚基中分离而
得的发色团(最大吸收峰位于697 nm的MBV), 对应
于天然状态下PC645的612 nm处吸收肩峰, 而β亚
基的2个PCB发色团分别对应于PC645的643和584
nm处吸收峰 , β亚基的CV色基(DBV)则对应于
图3 隐藻PC645、PC630、PC612和PC577晶体结构
Fig.3 The crystal structure of PC645, PC630, PC612, and PC577
参考Arpin等(2015)文献修改。PC645和PC630为闭合状态; PC612和PC577为开放状态。
PC645的550~553 nm处吸收峰; 根据色基的能级高
低, 预测PC645内部色基相互之间能量传递的方向
为DBV→PCB584→MBV→PCB643 (MacColl等1994,
1995; Guard-Friar等1985)。
Doust的研究团队主要针对PE545和PC645两
种藻胆蛋白。2004年Doust等以fs超快光谱测定了
色基能量激发和传递的路径, 并于综述中提出了
这2种隐藻藻胆蛋白初步的能量传递模型(Doust等
2006; Doust 2009)。与MacColl的预测不同的是,
Doust认为PC645吸收光谱中585、625和645 nm三
个吸收峰分别源于DBV (β50/β61)、PCB (β82、
β158)和MBV (α19), 因而能量传递方向为: DBV→
PCB→MBV, 由位于α亚基上的长波吸收色基MBV
产生660~662 nm的末端发射。近年来经过多次补
充和修正, 分别于2010年和2011年给出了PE545
(Novoderezhkin等2010)和PC645 (Martin等2011)激
发动力学测定的最新结果。
修正后的PE545最新模型(图4)显示 , 隐藻
PE545二聚体中的2个单体的能量传递是不对称的
(图4-E), 其将PE545的2个单体和亚基重新进行编
号为(αBβC)1 (αAβD)2, 8个色基中最先激发的是中
心二聚体色基对中的1个PEB (β50/61D) (图4-A);
随后偶联色基对产生的内部转换(internal conver-
sion)使激发能以最快的速度传给C亚基上的PEB
(β50/61C) (图4-B), 即2号单体所吸收的能量会优
先传给1号单体; 当能量在1号单体内传递至最终
能量受体C亚基的PEB (β82)后, 2号单体D亚基的
PEB (β50/61)所吸收的能量才传递给D亚基的PEB
(β82) (图4-E), 而后再传递给A亚基的2个DBV, 使4
个周边色基全部激发; 在5 ps时(图4-D), 除了以前
认为的最终能量受体α亚基的DBV色基外, PEB
植物生理学报2076
(β82C)仍处于激发状态, 说明该色基的能级接近于
DBV而不同于它3个PEB。最终由一个DVB产生
580 nm末端发射。虽然能量在1号单体内的传递
与MacColl所给出的模型较为相似, 能量在2号单
体内的特殊传递路径却不好解释。
图5显示的是蓝隐藻(Chroomonas CCMP270)
的PC645的能量传递动力学研究的最新结果 :
PC645的能量传递在单体间同样是不对称的(图
5 - B ) , 在5 8 2 n m光照射下 , 2号单体中D B V
(β50/61C)所吸收的能量依然优先传给偶联的1号
单体的DBV (<100 fs), 随后经过0.63 ps使2个
PCB158和PCB (β82D)激发; 在5.5 ps内2个PCB (β82)
平衡; 此外α亚基的MBV可同时被582 nm光激发,
并在 0.82 ps传能至最终受体PCB (β82); 经过约46
ps, 2号单体内所吸收的能量经PCB (β82D)至最终
受体PCB (β82C)是能量传递的最终信号。该模型
与该研究团队以往报道以及其他实验室研究结果
不同处有两点, 一是认为DBV→MBV的能量传递
几乎可以忽略, 而这一过程在其他文献中却有报
道(Holzwarth等1983; Collini等2010); 二是MBV只
将能量传递给PCB (β82), 而不给PCB (β158), 这在
以往的结果中未有提及。此外在PC645吸收峰对
应色基方面与MacColl仍有不同, 结合稳态和fs时
间分辨的光谱结果(Doust等2005; Mirkovic等
图4 PE545异二聚体内部能量传递
Fig.4 Energy transfer within PE545 heterodimer
参考Novoderezhkin等(2010)文献修改。A~D: 在0、0.1、0.7和5.0 ps四个衰减时间时激发能波及范围(圆点); E: 色基之间能量传递时
间参数。
2007), 认为PC645色基与吸收光谱的对应关系为:
585 nm↔DBV, 610~622 nm↔MBV, 630~640 nm↔
PCB (图5-A), 其中位于β亚基上的PCB (β82)为
660~662 nm末端发射的最低能级色基, 吸收在651
nm。因而PC645内部色基能量传递的路径可描述
为:
MBV
↓
DBV→PCB (β158)→PCB (β82)→Chl
近年来的二维光子反射光谱(two-dimensional
photon echo spectroscopy)研究结果给出了一些新
的藻胆蛋白结构和内部能量传递信息, 提出隐藻
藻胆蛋白内部色基的能量传递可能处于一种量子
相关性连结起来的网络状态, 因而具有高效的能
量传递效率的观点(Collini等2010; Scholes等
2011)。但同时也认为, 尽管具有闭合四级状态的
PC630和PC645的色基之间较之PC577和PC612呈
现更强的电子耦合作用(McClure等2014; Arpin等
2015), 但两类四级结构不同的隐藻藻胆蛋白的光
能传递都是成功的体系。提出光能捕获的有效途
径可以是多样化的, 隐藻在进化过程中形成了一
种由一个氨基酸插入来控制的结构开关, 用于影
响单体之间激子对的相互作用, 并进而改变藻胆
蛋白的捕光和能量传递功能(Harrop等2014)。
陈敏等: 隐藻藻胆蛋白的结构与能量传递功能 2077
3.2 藻胆蛋白与叶绿素蛋白复合物及光系统之间
的能量传递
隐藻捕光系统除了藻胆蛋白之外, 还有位于
光合膜上的Chl a/c2-蛋白复合物, 它们彼此之间以
及与同样处于膜上的光合反应中心之间如何进行
能量传递, 是一个复杂的问题, 目前的研究结果多
有相互矛盾之处。
早期采用荧光光谱法对隐藻活细胞内激发能
分配的研究显示, 隐藻藻胆蛋白只能将吸收的能
量传递给光合系统II (PSII), 并且没有典型的光诱
导的状态转变过程(Lichtlé等1980; Bruce等1986;
Synder和Biggins 1987), 可能与隐藻类囊体膜没有
基粒结构有关(Gantt等1971)。只有Cheregi等
(2015)报道隐藻Guillardia theta在对数生长期时可
表现出类似状态转变的现象。1998年Mimuro等结
合时间分辨光谱对含有PE566的隐藻完整细胞研
究显示, 隐藻光合系统能量传递是多路径的: Chl c2
主要将吸收的能量传递给吸收波长为663 nm的Chl
a663, 而PE566则将激发能传递给Chl a682, 2种Chl a
都位于PSII的捕光复合物LHCII (light-harvesting
complex of PSII)中, LHCII可将收集自2套捕光体
系的能量传递给PSII核心。Lichtlé等(1987)曾经采
用超离心方法从隐藻C. rufescens中分离到一种活
性的PE-xanthophyll (叶黄素)-PSII复合物组分, 并
图5 PC645异二聚体内部能量传递
Fig.5 Energy transfer within PC645 heterodimer
参考Martin等(2011)文献修改。A: 色基在吸收光谱中的对应波长位置; B: 色基之间能量传递时间参数。
且对该组分进行负染色, 可观察到与类囊体膜结
合着的规则的PE小颗粒; Chen等(2007)则采用等电
聚焦电泳法从蓝隐藻C. placoidea中分离到一种特
殊的PC-Chl a/c2-蛋白复合物, 该复合物中PC吸收
的能量可直接传递给Chl a。上述结果直接说明,
隐藻藻胆蛋白在结构上应该是与膜上的PSII或者
Chl a/c-蛋白复合物直接相连的, 并且在功能上存
在能量传递关系。但2004年Doust等根据含有
PE545的Rhodomonas CS24细胞的超快光谱研究数
据以及Mimuro等(1998)的测定结果, 采用量子化学
方法计算后提出一种新颖的传能模式, 认为: (1)
PE545末端发射基团(1个DBV色基)因处于异二聚
体蛋白的周边, 与膜上Chl a受体间距大约只有50
Å的距离, 采用Förster共振方式传递能量时, 只要
存在大量的Chl a受体, PE545既不需要定向排布,
甚至也无须与膜结合, 就可实现向PSII的能量传
递。(2)游离于类囊体腔中的PE545吸收的能量, 利
用DBV色基发射波长(580 nm)和吸收波长(567 nm)
之间的高度叠加, 先经异二聚体彼此之间高效穿
梭、迁移, 最终才传递到膜上受体。该模型似乎
提示了隐藻藻胆蛋白在类囊体腔中是以二聚体为
单元游离存在, 并且不需要与膜接触。但矛盾的
是, 借助该模型进行的能量传递速率较之活体状
态慢得多, 因此Doust等在2006年的综述中认为, 对
植物生理学报2078
分离出来的藻胆蛋白的光谱实验, 无法预测出活
体状态下能量传递的准确情况。
此外, 2008年该团队的van der Weij-De Wit等
对Chroomonas CCMP270完整细胞能量转移动力
学研究打破了以往的认知, 来自于PC645的激发能
基本平均的分配给PSI和PSII, 其中PSI占55%, 而
PSII占45%。由于PSII系统在膜腔侧存在大量的无
色蛋白(例如放氧复合物OEC), 使隐藻藻胆蛋白与
PSII核心接触困难, 而PSI在膜腔一侧的蛋白组成
相对简单, 因此认为Chl a/c2复合物可能调节着
PE545向PSII的能量传递, 传递路径为PE545→Chl
a/c2→PSII (与Mimuro模式相同); 但PSI则是直接敏
化的。相关的报道证实, 隐藻PSI与高等植物以及
绿藻相似, 周围也结合着属于自身的Chl a/c-蛋白
捕光复合物LHCI (张允允和陈敏2011; Jansson和
Rhiel 2008; Kereïche等2008), 但至今还没有直接分
离到藻胆蛋白与PSI或者LHCI相连的活性组分的
报道, 因此隐藻藻胆蛋白与膜上PSI的接触方式还
有待探讨。
4 隐藻藻胆蛋白结构与功能研究有待解决的问题
隐藻藻胆蛋白的研究始于上世纪50年代, 到
80年代开始被更多地关注, 目前是藻胆蛋白家族
中比较特殊而又了解不很透彻的一组成员, 有关
其结构、组成、在叶绿体中的存在状态和定位及
功能执行等方面, 都存在不少有待进一步了解的
问题。
4.1 亚基组成
目前发现的隐藻藻胆蛋白至少有8种, 除了
PE545、PC645等研究探讨较多之外, 其余的虽然
都有涉及, 但研究仍不透彻, 对PE566、PE569的了
解则十分有限。不仅有些色基不完全确定, 作为
隐藻藻蓝蛋白代表的PC645还报道可能存在未发
现的新的β亚基类型(Zhang等2011)。因此各种隐
藻藻胆蛋白亚基的结构、组成的问题还有待于更
详尽的比对、确定, 亚基蛋白的氨基酸序列分析
或者基因序列分析将有助于问题的阐明。
4.2 异二聚体的空间结构及与功能的关系
八种隐藻藻胆蛋白中PC569和PC566还没有
得到结晶的报道。而研究最多的PE545, 其异二聚
体中2个α亚基的结构和性质不同, 在维持亚基结
构和能量传递功能时也是不相同的, 其结构和功
能之间的对应关系还不确定; 此外PE545异二聚体
中2个单体界面之间明显的亲水裂缝的功能不明,
是否与红、蓝藻藻胆蛋白六聚体中央空洞那样是
连接多肽结合位置, 或者是与膜组分(例如LHCII)
结合时的接触部位, 目前还在探讨。由于PE545的
末端发射基团是位于α亚基上的DBV色基 , 而
PC645承担这一功能的很可能是β亚基的PCB, 显
然, 对于隐藻藻胆蛋白的空间结构与功能的关系,
还有待于更深入、细致的探讨。
4.3 隐藻藻胆蛋白与类囊体膜的接触问题
隐藻类囊体腔很宽, 跨度100~500 Å不等, 平
均200~300 Å (Gantt等1971)。在如此宽的区域内
游离于膜腔中藻胆蛋白如何向类囊体膜上的光合
系统传递能量是一个很让人好奇的问题。尽管
Doust等(2006)提出游离PE545能量传递方式来解
释其最新的隐藻光合系统结构模型(图1), 但更多
的实验结果表明, 隐藻藻胆蛋白至少有一部分是
与膜成分结合的(Lichtlé等1980, 1987, 1992; Lud-
wig和Gibbs 1989; Mikovic等2007), 甚至有报道认
为, PE545可能的膜结合状态或者聚集状态使其在
膜腔内的扩散受到抑制(Mikovic等2009)。此外,
曾有活体细胞的荧光动力学研究显示, 在PSI和
PSII过度激发时, 可导致藻胆蛋白向PSII能量传递
减少, 认为这是PSII的一种光保护机制(Mimuro等
1998)。Cheregi等(2015)报道, 对数生长期的隐藻
G. theta呈现状态转变的现象只能由被Chl a/c蛋白
复合物吸收的蓝光诱导, 而用PE吸收的绿光诱导
时无效, 但可产生特殊的F576 荧光, 而F589末端发
射明显减少。因而认为强光条件下, 膜腔中PE可
能发生了某种结构重排, 减少了与光合系统的偶
联程度, 并以发射多余荧光的形式耗散激发能, 从
而减少对反应中心的能量传递。而在弱光条件下,
PE则与光合系统结合。再联系分离出来PC645可
以形成不同的2种晶型的事实, 我们推测: 藻胆蛋
白在类囊体腔中与膜的结合状态有可能是动态的,
具有膜结合型和游离型2种, 与膜结合与否可能与
其所处的环境和功能状态有关(徐伟等2015), 这一
推测是否正确还有待验证。至于与膜的结合是否
需要借助相应的连接多肽, 目前实验证据有限。
4.4 能量传递途径
虽然关于藻胆蛋白PC645和PE545的内部能
陈敏等: 隐藻藻胆蛋白的结构与能量传递功能 2079
量传递的研究互为补充、日趋完善, 但就PC645而
言, 内部色基种类至多也不超过3种色基(PCB、
DBV和MBV), 但是这些色基在蛋白内部的构象、
能量状态、能量传递途径, 尤其色基与吸收光谱
的对应关系一直充满争议, 未能完全统一。至于
其他隐藻藻胆蛋白类型, 其能量传递问题多数停
留于推测状态。由于目前在结构上对隐藻藻胆蛋
白在类囊体腔中的存在状态, 以及与膜的接触机
制不能完全确定, 因而对其与膜上叶绿素蛋白复
合物之间的能量传递研究也还有待广泛深入。近
年来引进的二维光子反射光谱技术, 可在室温下
对跨度达5 nm的蛋白分子(复合物)进行测定, 并应
用于含有4 000个色素分子的光合细菌捕光系统研
究(Collini等2010; Turner等2012; Huh等2014; Arpin
等2015; Chenu和Scholes 2015), 相信对于深入认识
和了解隐藻藻胆蛋白内部以及与膜上光合系统之
间的能量传递关系问题, 将提供一个新的方法和
研究视角。
4.5 隐藻藻胆蛋白进化与亲缘关系
目前认为PC645的β亚基可能与红、蓝藻PE
的β亚基同源(Sidler等1986), 此外, 隐藻G. theta的
基因组全系列分析, 也证实它与红藻具有相同的
祖先(Douglas和Penny 1999; Broughtona等2006;
Hoef-Emden 2008), 但是α亚基与已知的红、蓝藻
藻胆蛋白各种亚基的序列并没有明显的相似性,
很可能属于一类进化上独立的特殊藻胆蛋白类
型。认为隐藻藻胆蛋白捕光系统是比较原始的,
甚至早于原核的蓝藻, 其中编码隐藻β亚基的基因
是编码红、蓝藻α和β亚基的基因家族的祖先。但
α亚基的起源和进化轨迹却有待进一步探讨, 这方
面的研究有赖于更多的分子生物学和遗传学研究
的开展, 广泛的从基因水平上做进一步的分析和
比对。
尽管在隐藻的一些种属中不存在藻胆蛋白,
但在含有藻胆蛋白的隐藻中, 其藻胆蛋白含量常
常很高, 是其主要的捕光复合物, 并且光能传递效
率不亚于红、蓝藻中的藻胆体。结合隐藻藻胆蛋
白亚基的起源来看, 隐藻藻胆蛋白不应是隐藻进
化的遗迹 , 很可能是一类原始而独立的进化分
支。隐藻藻胆蛋白作为藻胆蛋白家族的重要成员,
其结构相对于庞大的藻胆体来说要简单得多。因
此, 对隐藻藻胆蛋白的深入研究, 对于了解藻胆蛋
白基本的结构与捕光功能的关系、研究藻胆蛋白
的进化等将更为便捷, 同时对探讨隐藻的进化地
位以及光合生物进化的亲缘关系等也将具有重要
意义。
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