从核心天线到反应中心分子传能研究

利用飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ核心复合物内β-Car分子和Chla分子传递光能到反应中心的时间特性.实验测得,在CP47中的β-Car分子用了150 ps,Chla分子用了15 ps;在CP43中β-Car分子用了160 ps,Chla分子用了20 ps.利用超快光谱动力学实验曲线,理论计算出在核心天线中β-Car分子到Chla 662之间的能量传递速率为1.18×10¹²s^-1,β-Car分子到相邻β-Car分子之间按速率 1.14×10¹²s^-1传递能量.理论研究得出,在核心天线中β-Car分子接收到光能,以Dexter电子交换机制和Frster共振传能机制进行激发能传递,最后由Chla分子把能量传递到反应中心,在CP47中用了139 ps,在CP43中用了152 ps.理论研究表明,在核心天线中,Chla分子接收到光能之后,以随机转移方式将能量迅速传递到反应中心P680,在CP47中用了16.8 ps,在CP43中用了18 ps.理论研究与实验研究基本符合.     

PSⅡ颗粒二聚体中类胡萝卜素向反应中心传能研究

运用瞬态荧光光谱技术在77 K低温下对PSⅡ颗粒复合物中类胡萝卜素（Car）分子的能量传递过程进行研究, 通过不同激发波长473 nm, 481 nm, 507 nm选择性激发PSⅡ颗粒复合物中色素分子, 得到PSⅡ颗粒二聚体中关于Car能量传递的三组时间组分：16.6 ps, 130~183 ps, 217~249 ps. 其中16.6 ps反映了LHCⅡ中的Car分子将能量通过中间体Cars、Chls分子传递到Chl639的过程; 130~183 ps为核心天线中的β-Car分子向RC的能量传递时间; 217~249 ps为LHCⅡ中Car481通过中间Chla分子向RC的传能时间.     

光系统Ⅱ核心复合物激发能传递光谱特性

采用ICCD皮秒、飞秒扫描成象光谱装置研究PSⅡ核心复合物激发能传递光谱特性,获得的PSⅡ积分荧光谱从661nm到693nm,峰值波长680nm,有四个组分谱,谱的峰值分别为670nm、676nm、681nm、686nm.CP43有Chla₆₆₀⁶⁶¹、Chla₆₆₉⁶⁷⁰和Chla₆₈₂⁶⁸⁶三个光谱组分;CP47有Chla₆₆₀⁶⁶¹、Chla₆₆₉⁶⁷⁰和Chla₆₈₀⁶⁸¹三个光谱组分.根据吸收光谱和组分光谱分析,PSⅡ核心天线各自有三种不同状态的Chla分子,它们是CP43-Chla₆₆₀⁶⁶¹、CP43-Chla₆₆₉⁶⁷⁰、CP43-Chla₆₈₂⁶⁸⁶与CP47-Chla₆₆₀⁶⁶¹、CP47-Chla₆₆₉⁶⁷⁰、CP47-Chla₆₈₀⁶⁸¹.通过四个光谱组分分析了PSⅡ核心复合物激发能传递的光谱特性.     

PSⅡ颗粒复合物飞秒分辨低温荧光动力学研究

采用飞秒时间分辨荧光光谱学对PSⅡ颗粒复合物在83 K,160 K,273 K下进行研究,实验表明随温度升高,光谱加宽.并且发现在PSⅡ颗粒复合物中至少存在以下几种特征Chl分子：Chl b640639,Chl b645640,Chl a663660,Chl a668667,Chl a676673,Chl a681680,Chl a682680/681,Chl a688/689684,685,Chl a698688.在不同的温度下,参与能量传递的色素分子传能途径各不相同,但都有一个共同点：在到达反应中心之前能量传递高效进行,绝大多数能量传递到了反应中心,而在680 nm之后的波段,能量损耗明显增大,这是由于电子传能受阻,能量绝大多数以荧光形式耗散.对荧光衰减曲线进行时间拟合,得到四组时间常数：30～40 ps,260 ps,550～670 ps,1～8 ns.几个ns的长寿命组分,反映了两个能量传递过程,即与基对态P680＋pheo－,以及能量传递过程中Chl a分子由激发态辐射荧光衰退到基态以辐射荧光形式丢失能量的过程有关.550～670 ps的时间组分,反映的是部分电荷重组的过程.260 ps的组分只在83 K出现,应归于LHCⅡ中的Car分子经中间传递体传能到Chl b 639分子后继续将能量传递到反应中心P680的时间.30～40 ps的时间组分为LHCⅡ中的Chl分子吸收光能后通过一系列中间体将能量传递到反应中心,Chl a680/681分子的能量传递过程.     

光系统ⅡChl分子能量传递超快光谱动力学

利用ICCD飞秒扫描成象和飞秒时间分辨光谱装置实验研究了高等植物捕光天线LHCⅡ三聚体和PSⅡ颗粒复合物的超快光谱动力学,经过吸收光谱和发射光谱分析,确定在LHCⅡ三聚体中至少存在7种Chl分子光谱特性,分别是Chlb_653/656^658.7、Chla_662.0^665.2、Chla/b_670/671^677.1、Chla_675.0^677.1、Chla_680/681^682.9、Chla_685.0^689.1和Chla_695.0^695.6.采用光强1013光子/cm²/脉冲激励浓度为30μg/mL的捕光天线LHCⅡ三聚体,在650nm到705nm谱段逐点探测分析处理,产生了2组短寿命组分210fs、520fs和5.2ps、36.7ps及2个长寿命组分1.8ns、2ns.最快的3个寿命210fs、520fs和5.2ps反映了三聚体Chlb分子向Chla分子的激发能传递过程;寿命36.7ps反映了Chla分子向相邻单体Chla分子的激发能传递过程;最长的2个寿命1.8ns和2ns是在三聚体中Chla分子通过中间体Chla分子辐射荧光,分别跃迁回基态的过程.获得的6个寿命组分有把激发能传递时间与Chla/b分子发射光谱相结合的特点.经拟合处理解析PSⅡ颗粒复合物光谱,得到3个组分谱,其峰值分别为686.8nm、692.2nm和694.9nm,与LHCⅡ比较分析,说明天然构型的PSⅡ有很强的吸收光能和有效传递光能的本领.     

CCD皮秒扫描成象对光系统发射光谱研究

采用82MHz、514.5nm的Ar⁺激励光源,通过我们所建立的CCD皮秒扫描成象发射光谱装置分别对PSⅡ颗粒,内周天线CP43、CP47,外周天线LHCⅡ四种样品的发射光谱进行扫描成象,直接、快速地获得了它们的发射光谱曲线.通过分析认为,PSⅡ的发射荧光很大程度上是由内周天线CP47中的叶绿素a所发出的.     

核心天线CP43、CP47的荧光光谱特性

采用快速扫描成象光谱技术对核心天线CP43和CP47的荧光光谱特性进行研究,获取了它们的积分荧光谱,通过积分荧光谱的组分光谱解析,并结合吸收光谱分析认为CP43和CP47具有这样的Chla的光谱特性,CP43:Chla₆₆₀^662.43、Chla₆₆₉^670.23、Chla₆₈₂^684.02,CP47:Chla₆₆₀^664.91、Chla₆₆₉^671.71、Chla₆₈₀^681.35、(Chla_a^e,a代表吸收峰;e代表发射峰);另外长波长组分694.86nm、702.34nm(CP43)、696.02nm(CP47)可能是由吸收>690nm的Chla分子所产生;CP43与CP47相比还存在有Chla₆₇₅^676.32,但是还没有看到CP43具有675nm吸收谱带的报道.对CP43和CP47的荧光光谱分析,认为CP47中的Chla669nm分子团和Chla680nm分子团间的能量传递比CP43中Chla669nm和Chla682nm分子团的能量传递更为有效;β-Car与Chla分子结合状态在CP47中要比CP43中紧密.     

内周天线CP43、CP47中β-Car到Chla分子间的能量传递

采用超快荧光光谱动力学对从菠菜中分离纯化的内周天线CP43、CP47进行研究,获取了它们的动力学三维荧光谱,CP43的荧光光谱范围为640～780nm,最大峰位于680nm处,在该峰值处的荧光寿命约为3.54ns;CP47的荧光光谱范围为630～775nm,最大峰位于691nm处,在该峰值处的荧光寿命约为3.22ns,在CP43和CP47中,Chla分子发射荧光的效率分别约为38.3%和40.6%.依据分子的退激发途径,我们分析认为在CP43、CP47中β-Car→Chla分子的能量传递速率常量分别为9.06×10¹¹s^-1,1.3×10¹²s^-1;能量传递效率分别为47.5%、66.5%;并估计β-Car分子与Chla分子外周之间的距离分别为0.110nm、0.085nm.     

温度升高对PSⅡCP47/D1/D2/Cyt b559复合物能量传递的影响

采用分幅扫描单光子计数荧光光谱装置,研究温度升高对PSⅡ CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物能量传递的影响.获得分别在20℃、42℃和48℃处理后,CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物主发射峰所在的波长未发生多大改变,均在682 nm,但其荧光强度逐渐降低,而大约730 nm处主发射峰的振动副带发生了明显的变化,42℃其弱峰趋势已不显著,相对荧光强度下降,48℃弱峰趋势已完全消失;最大峰值处获得两个时间组分,这两个组分都属于电荷重组.其中,1～2 ns组分随处理温度的升高变化不大,而7～20 ns组分随温度升高变化较大,并且逐渐延长.因此,处理温度的升高使CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物的二级结构、色素分布的空间位置发生变化,从而影响了CP47/D₁/D₂/Cyt b559复合物中的能量传递以及电荷重组.42℃已对其造成影响,而48℃对其影响很大.     

超快微光分子光谱探测技术研究

按照超快极微弱分子吸收光谱学,荧光光谱学,时间分辨光谱学以及偏振荧光光谱学探测特性,设计、集成组建了能够探测紫外－可见－红外快到飞秒时间分辨的单分子光学事件的激光瞬态光谱仪.其光源有从300 nm到3000 nm连续可调的飞秒激光器、纳秒氢灯及连续氙灯.光谱分辨率达0.05 nm,在泵浦探测差异吸收下有小于150 fs的时间分辨率.谱仪能够实时给出光谱曲线及生物分子组分寿命.利用该谱仪探测了PSⅡCC,PSⅡRC的能量传递动力学.在83 K温度下PSⅡCC中的β-Car分子接收507 nm光能,以单步跃迁和随机转移的方式通过Chl a641.5637/638分子传递光能到反应中心Chl a683.2680/681,平均传能时间为77 ps,有59.94％的组分用355 ps时间电荷重组.在PSⅡRC中的β-Car分子接收507 nm光能,由Chl a641.5637/638分子传递光能通过Chl a678.2675.5到反应中心,平均传能时间为88.5 ps.在83 K温度下,反应中心复合物离子对;P680+·pheo-］平均再复合寿命为19.35 ns.     

采用选择激发研究光系统Ⅱ反应中心β-Car的物理特性

光系统Ⅱ反应中心包含有2个去镁叶绿素分子(Pheo),2个β胡萝卜素分子(β-Car)和6个叶绿素a分子(Chla).对反应中心的时间分辨荧光光谱表明,两个β-Car具有不同的吸收光谱,吸收峰分别为489 nm(Car489)和507 nm(Car507),Car489靠近吸收峰为667 nm和675 nm的叶绿素a(Chl a),它的主要功能是保护反应中心免受单态氧的破坏,而不能将激发能传递给光化学反应活性的色素分子P680;Car507靠近吸收峰为669 nm的Chl a分子;能够将激发能传递给P680,进行电荷分离.采用全局优化拟合的方法对荧光光谱进行处理,Car489在61 ps时间内将能量传递给Chl a672, 随后传给Chl a677,处于激发态的Chl a677在3 ns衰减到基态;Car507在274 ps时间内将能量传递给P680,P680＋Pheo-的电荷重组发生在3.8 ns和16 ns.     

ESEEM study of the location of spin-polarized chlorophyll-quinone radical pair in membrane-oriented spinach photosystems I and II complexes

Light-induced spin-polarized radical pairs, P700⁺A₁ ^? in spinach photosystem (PS) I particles and P680⁺Q_A ^? in Zn-substituted PS II core complexes, in oriented membranes were studied by pulsed electron paramagnetic resonance (EPR). Based on the determined distance of 25.2 ± 0.2 Å between P700 and A₁, the angular dependence of the spin-polarized electron spin echo envelope modulation (ESEEM) spectra on the magnetic field suggests that the angle between $R_{P700 - {\rm A}_1 } $ , the radius-vector connecting P700 and A₁, and the membrane normaln was 24 ± 4° in PS I particles. Obtained angle and distance of P700-A₁ axis suggested Q_K side in the molecular geometry of cofactors presented in a recent X-ray crystallography of cyanobacterial PS I reaction center to be an active branch of electron transfer. The distance between P680 and Q_A was determined to be 27.4 ± 0.3 Å for a nonoriented PS II. The angle between $R_{P680 - Q_{\rm A} } $ , the radius-vector connecting P680 and Q_A, andn was determined to be 21 ± 5°. The angle of P680-Q_A axis was close to that of 20° of P870-Q_A axis reported in X-ray analysis of the purple bacterial reaction center crystal.     

Single molecule spectroscopy on photosynthetic pigment-protein complexes

Single molecule spectroscopy was applied to unravel the energy transfer pathway in photosynthetic pigment-protein complexes. Detailed analysis of excitation and fluorescence emission spectra has been made for peripheral plant antenna LHC II and Photosystem I from cyanobacterium Synechococcus elongatus. Optical transitions of individual pigments were resolved under nonselective excitation of antenna chlorophylls. High-resolution fluorescence spectroscopy of individual plant antenna LHC II indicates that at low temperatures, the excitation energy is localized on the red-most Chl a pool absorbing at 680 nm. More than one pigment molecule is responsible for the fluorescence emission of the LHC II trimer. The spectral lines of single Chl a molecules absorbing at 675 nm are broadened because of the Foerster energy transfer towards the red-most pigments. Low-temperature spectroscopy on single PS I trimers indicates that two subgroups of pigments, which are present in the red antenna pool, differ by the strength of the coupling with the protein environment and by the efficiency of the triplet state quenching. Based on single molecule and hole burning data, we envisage the dimeric nature of the strongly phonon coupled red-most Chl state.     

从捕光天线到反应中心分子能量传递研究

利用飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ中捕光天线LHCⅡ内Chla分子和β-Car分子传递光能到反应中心的时间特性,实验测得Chla分子用了25 ps,β-Car分子用了250 ps.理论研究得出:25 ps是相邻Chl分子之间随机转移传能的时间常数,250 ps是LHCⅡ内相邻β-Car分子,通过Chla分子单步FÖrster共振传递、Dexter电子交换机制、激子转移把能量转移到反应中心的总时间.理论计算与实验结果基本符合,激子随机转移传递激发能快而有效.