藻类光合原初过程的计算机模拟——Ⅲ.C-藻蓝蛋白三聚体及六聚体中的能量传递

本文以晶体结构数据为依据,计算了C-藻蓝蛋白的三聚体和六聚体(天然聚集态)内进行的能量传递过程,结果表明:在荧光发射前,激发能可以在一些途径上重复传递多次,聚集态越高,重复传递次数越少;三聚体中一个单体上的m色团与相邻单体上的f色团有最近的距离和适宜的取向,因而在这样两个色团之间的传递具有最短的时间常数(<1ps),它们构成快速传递对。三聚体内有三个这样的快速传递对,它们主要通过单体内的m(?)f和单体间的f(?)f通道联系,s色团主要与同一单体内的f色团联系;六聚体中,连接两个三聚体的主要通道有两类:即m(?)m通道和s(?)s通道,而f色团上的激发能主要通过同一快速传递对中的m色团传递到另一个三聚体上。这样的六聚体结构具有较高的能量传递效率,成为一种最优结构。     

C-藻蓝蛋白复合物能量传递过程动力学

藻类天线系统是多种藻胆蛋白和连接蛋白巧妙构成的有机功能体 .目前藻类天线系统中多种藻胆蛋白高分辨晶体结构已获得测定 ,但这些结构只是来源于孤立态的藻胆蛋白 ,因而 ,藻胆蛋白复合物的研究是了解不同藻胆蛋白之间联系的有效途径 .鉴于目前实验方法的困难 ,利用计算机模拟方法研究了C 藻蓝蛋白复合物内能量传递过程 .计算结果显示出复合物内能量传递的主要途径和动态性质 ;同时通过系统内 2个C 藻蓝蛋白六聚体盘之间激发能传递随时间的分布 ,发现快速的激发能盘间传递过程 .根据时间分辨光谱对激发能传递时间的定义 ,当以零时刻理想δ脉冲光激发第 1个盘中的色团时 ,第 2个盘内激发能上升时间仅几个皮秒 ;第 3盘的激发能上升时间小于 2 0ps .这些结果第一次直观显示出盘间传递的快速过程 ,为完整藻类天线内进行的快速、高效的能量传递提供了合理的解释 .     

变藻蓝蛋白中能量传递过程的计算机模拟

藻胆体的变藻蓝蛋白 (allophycocyanin ,APC)核外联天线杆 ,内接光合反应中心 ,在能量传递中起着承上启下的作用 .根据X射线晶体结构数据和变藻蓝蛋白亚基的吸收和荧光光谱 ,以计算机模拟方法研究变藻蓝蛋白单体和三聚体中的能量传递过程 .计算结果表明 :变藻蓝蛋白单体中两个亚基之间能量传递性质与C 藻蓝蛋白 (C phycocyanin ,C PC)相似 ;而在三聚体时则与C 藻蓝蛋白三聚体有根本的区别 .无论什么聚集态 ,C 藻蓝蛋白中β84色团总是主要的荧光发射体 ;而在变藻蓝蛋白中α84则成为主要的荧光发射体 .这与C 藻蓝蛋白中能量传递的基本单元是六聚体而在变藻蓝蛋白中为三聚体的事实一致 .由此可以推断变藻蓝蛋白中 2个三聚体是以α84相接的面面接近方式 ,因而 2个三聚体间能量传递主要靠α84色团实现 .变藻蓝蛋白这种特殊性是保证其高效传能功能的关键     

光合原初过程的计算机模拟研究——Ⅴ.藻红蓝蛋白中的能量传递

用计算机模拟方法研究藻红蓝蛋白中的能量传递过程。藻经蓝蛋白(PEC)的结构与C-藻蓝蛋白(C-PC)相似,因而两者表现出若干相似的性质;二蛋白之间的主要差别在于。亚基上的色团,在PEC中它是藻紫胆素色团,在C-PC中它是藻蓝胆素色团。这一差别,使PEC中的能量传递过程表现出特殊性。模拟计算结果表明:(1)PEC中的0_(84)色团成为比B_(155)色团功能更强的增感色团,它把能量转移到其它色团,本身极少发荧光。(2)PEC三聚体中仅有相邻单体中的0_(84)→B_(84)的传递时间常数小于1ps,因此,用fs(飞秒)级时间分辩光谱应能准确地得到这一传递的时间常数。(3)由于醚_(84)的特性,使其它色团的作用也相对地发生了变化,PEC中的1B_(155)→6B_(155)传递途径成为联系两个三聚体间能量传递的主要通道;p_(84)和e_(155)发射荧光份数都比C-PC时有很大的增加,其中,80％的总荧光由B_(84)色团发射。(4)由于p_(84)→o_(84)的传递的效率降低,快速传递对中二色团间的激发能传递次数比在C-PC中有很大的减少。(5)相比而言,PEC要比C-PC能更好地吸收与利用光能。     

77K下藻胆体模型复合物能量传递过程

利用多变鱼腥藻的藻胆蛋白（ＰＥＣ,ＰＣ和ＡＰＣ）重组出具有完整捕光系统和惟一终端发射基团的ＰＢＳ模型复合物ＰＥＣ／ＰＣ／ＡＰＣ,用超快速时间分辨光谱研究了 ７７Ｋ下重组复合物内能量传递的过程和机制．通过对不同探测波长下复合物激发态衰减曲线的拟合,讨论了不同色团间能量传递关系,尤其是能量在杆与核间的传递关系．探测到复合物杆中两个ＰＥＣ三聚体之间的能量传递时间常数为 ２９ｐｓ; ＰＥＣ六聚体与 ＰＣ六聚体间传递时间常数为 １２ ｐｓ;能量由杆向 ＡＰＣ核传递的时间常数为 ５１ ｐｓ．     

藻类光合原初过程的计算机模拟——Ⅱ.C-藻蓝蛋白的β亚基和单体中的能量传递

本文应用Monte Carlo计算机模拟方法,对晶体结构确定的两种蓝绿藻(A. Quadruplicatum和M. Laminosus)的C-藻蓝蛋白的β亚基和单体中进行的光能传递过程进行了模拟计算。结果表明:体系中任二色团间都进行正、逆方向的能量传递;在发射荧光之前,这种传递可以往返进行多次。单体的不同亚基之间存在着能量传递和一定量的能量转移,明确地显示了各色团间进行的能量传递过程和性质。本文也指出了由通常的实验数据的数学拟合得到的各组分不能对应体系中发生的各个过程。     

螺旋藻藻胆蛋白的荧光寿命、量子产率及其光谱学特性

具有不同聚集态的藻胆蛋白有着不同的摩尔消光系数。这些聚集态决定了引起各藻胆蛋白之间光谱特性差别的藻蓝胆素发色团的构象。研究结果表明,在高聚态的C-藻蓝蛋白和变藻蓝蛋白中,由蛋白质——发色团之间相互作用调制的发色团的构象,对太阳能的吸收和激发能转移到光合反应中心的过程可能有重要作用。     

红藻条斑紫菜R-藻红蛋白中的能量传递过程

本文通过对条斑紫菜R-PE(藻红蛋白)及其α-β-γ亚基的吸收光谱和荧光光谱进行计算机解叠,研究了R-PE内发色团之间的能量传递过程,并对R-PE及亚基内的各发色团进行了“s”和“f”型的指认。发现在亚基中为“f”型的发色团在R-pE(αβ)₆γ中起着“s”型发色团的作用,且将能量传递给最后的“f”型发色团。荧光激发偏振光谱进一步证明了R-PE内的能量转移过程与计算机解叠的结果一致。     

反相胶束中能量由C-藻蓝蛋白向金属酞菁的传递

利用藻类天线的C 藻蓝蛋白和锌酞菁络合物建立一种新的光合器模拟体系 .C 藻蓝蛋白通过总浓度 2 0 % (质量体积比 )的非离子型表面活性剂Tween 80和助表面活性剂正戊醇 (Tween 80∶正戊醇 =4∶1 ,质量比 )与环己烷形成反相胶束增溶 .当 [H2 O]/[Tween 80 ](Rw)≥ 9.0时 ,C 藻蓝蛋白的活性得到保持 .当激发C 藻蓝蛋白时 ,能量由C 藻蓝蛋白传递给酞菁 .能量传递效率与C 藻蓝蛋白的浓度无关 ,而仅与酞菁浓度有关 ,并且近似遵循Perrin公式 .证明能量传递属于刚性体系中的偶极 偶极作用机制 .通过计算得出不同酞菁浓度下的猝灭范界半径 .例如 ,当酞菁浓度为 2 .1 0× 1 0 -4 mol/L时 ,体系的猝灭范界半径为 1 0 .9nm .     

藻胆体核心复合物结构与功能的研究(Ⅱ)──4种变藻蓝蛋白复合物发色团相互作用机制

从螺旋藻藻胆体中分离出4种不同结构和光谱形式的变藻蓝蛋白复合物APⅠ、APⅡ、APⅢ和APB, 利用吸收光谱、荧光光谱比较了三聚体和单体的光谱特性, 通过对吸收光谱的光谱解曾以及各组分的归属, 研究了变藻蓝蛋白复合物内各色团间相互作用的性质和在能量传递中的功能.结果表明, 复合物内色团间的作用关系可以用Forster偶极-隅极作用机制来解释, 由于连接蛋白和同源亚基的存在影响其结构的对称性, 进而影响各色团间相互作用的形式和性质.     

藻胆体核心复合物结构与功能的研究（Ⅱ）

从螺旋藻藻胆体中分离出４种不同种结构和光谱形式的变藻蓝蛋白复合物ＡＰＩ、ＡＰⅡ、ＡＰⅢ和ＡＰＢ，利用吸收光谱、荧光光谱比较了三聚体和单体的光谱特性，通过对吸收光谱的光谱解叠以及各组分的归属，研究了变藻蓝蛋白复合物内各色团间相互作用的性质和在能量传递中的功能，结果表明，复合物内色团间的作用关系可以用Ｆｏｒｓｔｅｒ偶极－偶极作用机制来解释，由于妆蛋白和同源亚基的存在影响其结构的对称性，进而影响各色团间     

蓝菌(Westiellopsis prolofica)中C-藻蓝蛋白的光谱学特性及其能量传递过程

本文通过吸收光谱、激发光谱、荧光光谱、荧光激发偏振光谱、荧光偏振光谱和光谱解叠的方法,研究了蓝菌(Westielllopsis prolifica)中C-藻蓝蛋白单体和三聚体的光谱学特性及其发生在其中的能量传递过程。在三聚体中发现了能量逆传递的迹象,并建立了能量双向传递的能级模型,很好地解释了实验所观察到的现象。     

甜菜碱与藻胆蛋白超分子复合体相互作用的分子机制

甘氨酸甜菜碱是具有重要生物学意义的生物小分子,它可以保护细胞、蛋白和酶的结构功能完整性,也会导致蛋白超分子结构松散、功能钝化,这两种相反作用的分子机制尚不清楚．本文以超分子藻胆蛋白和藻胆体为模型,证明甜菜碱导致超分子藻胆体结构松散、各组份能量失耦合,最敏感的作用位点是核．膜连接多肽,其次是杆一核连接多肽．C－藻蓝蛋白三聚体与单体对甜菜碱的相应完全不同,前者结构松散而后者相对聚集．甜菜碱屏蔽静电吸引力导致结构松散但强化基元蛋白之间的疏水作用力是两种相反现象的本质,甜菜碱最终导致C－藻蓝蛋白三聚体和单体相同的光谱特征是两种机制的“折中”．     

C-藻蓝蛋白六聚体内能量传递途径及其机制

利用皮秒级时间分辨荧光各向同性和各向异性光谱技术对C 藻蓝蛋白六聚体内的能量传递过程进行了比较详细的研究 .从实验上证实 :在孤立的六聚体内 ,连接 2个C PC三聚体的能量通道是由以 1 β15 5 6 β15 5 和 2α84 5α84为代表的两条途径来承担的 ,并且其能量传递的时间分别为 2 0和 1 0 ps左右 ;所探测到一个 45ps左右的时间常数来源于该六聚体内同一C PC三聚体内 3个简并β84 PCB发色团间的能量传递过程 .这些能量传递的作用机制可用F rster偶极 偶极机制来描述     

多变鱼腥藻中藻红蓝蛋白内能量传递机制的研究

通过利用稳态光谱技术,光谱解叠技术和时间分辨荧光光谱技术对PEC单体内的能量传递过程进行详细研究.结果表明:在PEC单体内.α亚基上的PVB发色团可以将激发能传递给β亚基上的2个PCB发色团上;其能量传递时间常数分别为34.7和130ps;1.57us的组分归属为β亚基上PCB发色团终端发射;515ps的组分可初步指认为β亚基上两个PCB发色团间的能量传递时间常数.     

螺旋藻变藻蓝蛋白发色团间相互作用机理研究

本文发现从螺旋藻(Spirulina platensis)中分离出的变藻蓝蛋白三聚体(αβ)_3在解聚为单体(αβ)时,伴随着明显的光谱学特性的变化。我们利用稳态和皮秒(10~(12)S)瞬态光谱学的方法研究了导致变藻蓝蛋白单体(αβ)和三聚体(αβ)_3光谱学差别的发色团之间的相互作用。计算了变藻蓝蛋白中发色团的吸收和发射跃迁偶极矩之间的夹角。尝试性地建立了用以解释变藻蓝蛋白内发色团之间的相互作用的激子相互作用和弱偶极相互作用的机理模型。     

多变鱼腥藻藻胆蛋白共价复合物的合成及其分子内能量传递

利用双功能基偶联剂3-(2-吡啶联巯基)丙酸N-羟基琥珀酰亚胺酯(SPDP)合成了两个藻胆蛋白复合物,藻红蓝蛋白-变藻蓝蛋白复合物PEC-APC和藻红蓝蛋白-藻蓝蛋白复合物PEC-PC.利用吸收光谱和荧光光谱证明了藻胆蛋白构型与构象在反应后得到保持。通过荧光光谱观察到能量传递现象。计算出复合物PEC-APC的分子内能量传递效率约为90%.复合物PEC-PC中藻红蓝蛋白PEC的荧光寿命比PEC本身的寿命大大缩短,证明存在分子内能量传递。二硫苏糖醇(DTT)还原二硫桥键后能量传递被阻断。这进一步证明复合物合成成功及分子内能量传递。     

藻胆体发射终端能量传递过程的研究

利用超快速时间分辨光谱研究了蓝绿藻藻胆体的２个变藻蓝发射终端（ＡＰＢ,ＡＰＩ）单体和三聚体内的能量传递过程,探测到ＡＰＢ和ＡＰＩ单体的两组亚基α＾ＡＰ／β＾ＡＰ和α＾ＡＰＢ／β＾ＡＰ间的能量传递时间常数分别为３０ｐｓ和１９４ｐｓ。ＡＰＢ和ＡＰＩ三聚体所共有的９－３２ｐｓ的短寿命组分来源于同一单体内能量由α＾ＡＰ向βＡＰ的传递过程。     

以共价键相连的卟啉-酞菁化合物分子内能量传递及光诱导电子转移

合成了叶啉与酞菁以共价键连接起来的双发色团分子。测定了它们的吸收光谱,荧光光谱,荧光寿命等。计算了分子内能量传递过程的效率(φ_EnT)及速率常数(κ_EnT)。结果表明:在稀溶液中,卟啉与酞菁等克分子混合时,观察不到分子间能量传递过程现象的发生;而双发色团分子的分子内能量传递过程则明显发生了,其效率(φ_EnT=13～70%)与速率常数(κ_EnT=1.2×10⁷～2.0×10⁸s^-1)取决于分子的结构类型。电子转移与能量传递过程与介质性质有关。在极性溶剂中有利于电子转移过程的进行,而不利于能量传递过程;在非极性溶剂中,则有利于能量传递过程的进行,而不利于电子转移。 选择性激发酞菁发色团,观测到了只有电子转移发生的过程,其电子转移效率达到38%。     

过渡金属离子(Cu2+、Cd2+)对藻红蛋白单体的漂白机制

藻胆蛋白是一组同源捕光色素蛋白,由多肽链及相连的开链四吡咯环色团构成。多肽链对色团的调控形成不同藻胆蛋白的特征吸收及荧光光谱。这些色团是藻蓝胆素(吸收带590～670 nm)、藻红胆素(吸收带530～570 nm)和藻尿胆素(吸收带490～500nm)。藻尿胆素由于在共轭体系中含有较少的双键,所以与前二者比,在较短波长有吸收。它们总是与藻红胆素伴生,在藻胆蛋白中作为敏化基团存在。