不产氧光合细菌异常光谱外周捕光复合体形成机制及其性质研究

摘要

不产氧光合细菌一直是阐明光合作用机理的良好模型生物。光合作用过程中光能吸收、传递和转化是由光合膜上不同类型的色素蛋白复合体（PPC）分工协作完成，其中捕光色素蛋白复合体（LH）主要完成光能的吸收和激发能的传递，相对于核心捕光色素蛋白复合体（LH1）而言，外周捕光色素蛋白复合体的数量及光谱类型存在多样性。目前报道有3种光谱类型不同的外周捕光复合体，包括典型LH2（B800-850，T-LH2）、LH3（B800-820）和LH4（B800或B800-850-low）。
　　我们前期研究发现，固氮红细菌（Rhodobacter azotoformans）R7活细胞吸收光谱类胡萝卜素（Car）区呈现一个额外423nm吸收峰，并纯化获得一种不同于T-LH2的外周捕光复合体：除在800nm和850 nm有特征吸收峰外，在423nm处还有一个较强吸收峰，命名为U-LH2。普遍认为，423nm吸收峰位于Car区域，是由Car积累所导致。本文主要阐明423nm吸收峰产生的生理条件、物质基础以及引起423nm吸收峰物质对U-LH2结构与功能的影响。主要从以下几方面开展系统研究：通过优化条件获得菌株产生423nm吸收峰的环境因素；通过对全色素组分比较，探求引起423nm吸收峰的物质基础；进一步通过色素与蛋白相互作用研究，确证引起423nm吸收峰的物质是合成细菌叶绿素a（BChl a）前体物质-镁原卟啉Ⅸ单甲基酯（MPE），而不是Car；通过对U-LH2和T-LH2的结构、功能和稳定性等的比较分析，阐明引起423nm吸收峰物质结合对LH2结构和功能的影响；还进一步探求了Car结构与LH2能量传递效率的关系和规律。主要研究结果如下：
　　R7细胞可在3000lux光照厌氧条件下，在乙酸钠-琥珀酸钠培养基（SS）产生423nm吸收峰，而在乙酸钠-酵母粉培养基（YE）中不产生423nm吸收峰。在SS培养基中，R7菌株生长周期延长，生物量也降低，胞外pH变化较小。全色素分析表明，SS和YE条件下，R7菌株均积累细菌叶绿素（BChl）a的2种衍生物，Car组分也无差异，所不同的是SS条件下R7菌株还大量积累一种含有415nm吸收峰的BChla前体物质-MPE，提示423nm吸收峰与MPE积累相关，而不是由Car积累所导致。进一步通过MPE与菌体蛋白相互作用研究证实，423nm吸收峰由MPE积累所致。
　　分别采用硫酸铵盐析和蔗糖密度梯度离心结合离子交换层析方法对Rba. azotoformans R7菌株色素蛋白复合体（PPC）进行分离纯化。结果表明，在常规培养条件下，硫酸铵盐析结合离子交换层析能纯化获得多种光谱类型的PPC，而且还能获得低丰度光谱类型的PPC。SS条件下，光合膜及膜片全色素提取液中具有423nm和415nm特征峰，说明MPE能够结合到光合膜上。SS条件下，胞内光合膜含量（A880/A660衡量）和LH2/LH1的摩尔比均较低，与光合生长下降相对应。采用吸收光谱法、硫酸铵盐析和DEAE柱层析等方法分离纯化PPC，获得了有和无423nm吸收峰的RC和LH2。以无423nm吸收峰LH2（T-LH2）为参照，对具有423nm的LH2（U-LH2）中蛋白亚基、色素组分等进行了详细的分析，表明在T-LH2中额外积累MPE。MPE与BSA、T-LH2脱辅基蛋白和T-LH2进行体外相互作用，表明MPE可以与T-LH2脱辅基蛋白和T-LH2结合，MPE吸收峰由游离时的415nm红移至423nm，证实了LH2中423nm的异常吸收峰是由MPE引起的。结果表明MPE不仅分布在光合膜上还可以结合到PPC上。
　　稳态荧光光谱测定结果显示，U-LH2具有捕获光能和传递能量的活性，但与T-LH2相比，能量传递效率降低。拉曼光谱表明2种LH2中结合Car类型相同，2种LH2中结合Car构象均为较伸展的平面构象。以类胡萝卜素和BChla特征吸收峰变化为指针比较分析了不同酸性pH值、碱性 pH值、SDS浓度和温度等对2种LH2结构稳定性的影响。结果表明MPE的结合对LH2的结构产生了一定的影响：对酸性pH值、碱性pH值的抗性降低；对B800和B850的SDS抗性产生不同的影响，B800抗性增加，B850抗性下降；对高温的抗性增强。
　　3种共轭长度和取代基不同的Car均能与部分缺失Car的LH2（LC-LH2）进行体外自组装，Car组装率约在24.0％～29.4%之间，其中SE和OK的组装率高于RP。重组Car在重组LH2中也呈现较为伸展的平面构象。重组LH2中能量传递效率与Car共轭体系大小成反相关关系，而与Car极性大小没有明显的关系。表明Car共轭长度仍是决定和影响LH2中Car-BChl能量传递效率的主要因素，而Car的取代基和极性影响较小。

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缩略语表

第1章 绪论

1.1 不产氧光合细菌色素蛋白复合体研究进展

1.2 BChl和其前体卟啉的研究进展

1.3 类胡萝卜素的合成、调控、分布及功能

1.4 现有的研究存在的问题

1.5 研究目的与意义

1.6 主要研究内容和创新性

第2章固氮红细菌产423 nm强吸收峰的培养条件确定

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 结果与分析

2.4 小结

第3章引起活细胞423 nm吸收峰的物质基础

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 结果与分析

3.4 小结

第4章 固氮红细菌多样化PPC纯化研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.4 小结

第5章产423 nm吸收峰物质的胞内定位

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3 结果与分析

5.4 小结

第6章 MPE掺入对LH2结构和功能的影响

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.3 结果分析

6.4 小结

第7章 体外组装Car对LH2能量传递活性的影响

7.1 引言

7.2 材料与方法

7.3 结果分析

7.4 小结

结论与展望

1. 结论

2. 本研究进一步努力的方向

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果