红藻光合作用捕光复合物和光合膜的超分子结构、功能及生态适应性

摘要

藻胆体(PBsomes)是蓝藻和红藻中主要的捕光天线复合物。藻胆体由亲水性的藻胆蛋白(PBPs)和连接蛋白聚集而成，作为外部的超分子天线复合物，结合在类囊体膜的基质表面。藻胆蛋白是圆盘状结构的超分子蛋白质，由具有开链四吡咯结构的发色团(bilins)与脱辅基蛋白共价交联而成，有序的构成藻胆体。藻胆蛋白一般可以分为四类：藻红蛋白(PEs)、藻蓝蛋白(PCs)、别藻蓝蛋白(APCs)和少数藻红蓝蛋白(PECs)。在没有与光合作用反应中心复合物结合的情况下，藻胆体自身具有很强的荧光性。太阳光最初被藻红蛋白的色素吸收(λmax=545～565 nm)，然后被依次传递到藻蓝蛋白(λmax=620nm)和别藻蓝蛋白(λmax=650 nm)，最终高效的传递到光反应中心的叶绿素。
　　 本论文研究了红藻中藻红蛋白的基本性质和藻胆体光谱结构特性，并应用显微镜技术从纳米尺度上揭示了红藻光合膜的天然构象和光适应性，藻胆体在类囊体膜上的扩散动态学，以及从单分子水平上探索了藻胆体的荧光动态过程。另外，对光合细菌Rhodobacter sphaeroides的LH2在二维晶体上的排布进行了研究。光合作用简介光合作用是光合生物体将太阳能转化为生物能的一个重要的生物过程。这种高效的反应从光合反应中心的捕光天线进行光能吸收开始。本论文第一章对光合作用的生物学意义、多样性和进化做了一个简介，重点介绍了蓝藻和红藻中的光合作用，以及其光合作用元件，如藻胆体、光反应中心、细胞色素Cyt b6f复合物和ATP合成酶。特别对蓝藻和红藻的捕光天线系统--藻胆体的研究进展进行了综述，介绍了藻胆体的组成、光谱特性、结构和其中蛋白质一蛋白质之间的相互作用。本章还讨论了不同类型的光合作用复合物之间的相互关系，以及整个类囊体膜系统的超分子构象和生理的光适应性。
　　 藻红蛋白的分离纯化藻红蛋白被广泛应用在食品、化妆品、免疫诊断和分析试剂中。本论文第二章介绍了高效分离和纯化多管藻R-藻红蛋白的一步色谱法。该方法包括硫酸铵分步沉淀、DEAE-Sepharose Fast Flow离子交换层析。与以前报道的离子交换层析法相比，我们首次采用pH梯度洗脱蛋白的方法。通过该方法，纯化后的藻胆蛋白溶液的光吸收比(A565/A280)达到5.6，回收率高达67.33％。这种有效的分离手段大大减少了传统工艺的分离步骤，降低了分离过程中蛋白损失和变性的几率，因此可以达到一个很高的蛋白回收率。随后我们对R-藻红蛋白的光谱特性、亚基组成和对pH的稳定性进行了研究。R-藻红蛋白的吸收光谱呈三峰型，吸收峰分别位于565、539和498 nm，室温荧光发射峰位于580 nm。非变性电泳和SDS电泳检测了分离蛋白的纯度。结果证明，该方法是一种有效分离纯化多管藻R-藻红蛋白的手段，为进一步研究R-藻红蛋白的结构与功能打下了基础。 R-藻红蛋白的活性结构与功能X-射线晶体衍射技术可以对蛋白质肽链和氨基酸结构进行高分辨率的解析。但是这个技术对于研究不同环境条件下蛋白的结构和功能的稳定性有一定局限性。在建立了有效分离R-藻红蛋白技术的基础上，第三章研究了pH诱导的R-藻红蛋白结构和功能的动态学过程。采用吸收光谱、荧光光谱和圆二色谱对R-藻红蛋白的光谱和结构变化进行检测，结合对现有的晶体结构进行分析。结果表明，R-藻红蛋白在pH 3.5-10范围内光谱特性稳定，而在pH 5-9范围内结构相对稳定。对结构的分析有助于我们了解R-藻红蛋白亚基的组成规律。R-藻红蛋白的四级结构通过一些关键位点的相互作用而构成。脱辅基蛋白肽为色素基团提供了稳定的蛋白环境，有利于其生理的能量传递功能。蛋白肽链局部的柔性构象是应对外界环境变化的一种策略。试验进一步揭示带电氨基酸和芳香族氨基酸在R-藻红蛋白结构的重要作用。芳香族氨基酸，尤其是酪氨酸(Tyr)能够与相邻的色素相互作用，从而影响其能量传递。该研究方法将静态的晶体结构分析与动态的蛋白质活性结构和功能研究相结合，为今后研究蛋白质的结构和功能提供了新的思路。
　　 藻胆体的单颗粒结构分析电子显微镜已经被用于观察紫球藻藻胆体的结构。第四章介绍了电子显微镜结合单颗粒平均技术在紫球藻藻胆体的超分子结构上的首次应用。结果表明半椭球状的藻胆体具有相对柔性的空间结构。相比而言，藻胆体一类囊体膜上藻胆体的结构比分离的藻胆体结构更稳定，从而有利于半椭球状构象的空间观察，并建立了半椭球状藻胆体的三维结构模型。另外研究表明，在低光照条件下，藻胆体在类囊体膜上形成有序排列结构域，而在相对强的光照下，藻胆体成无规则排列，藻胆体密度降低。这是首次在分离到的类囊体膜上观察到不同的藻胆体排列方式。这些结构数据有利于分析红藻藻胆体与光系统Ⅱ，以及集胞藻(Synechocystis)PCC 6803突变体中半圆盘状藻胆体与光系统Ⅱ可能的结合方式。红藻类囊体膜的天然构象和动态学在超分子水平上，整个光合作用膜网络的构象决定了大量光合作用蛋白复合物的生理作用。到目前为止，对红藻的类囊体膜表面的天然构象研究还较少。在第五章中，我们首次利用原子力显微镜(AFM)来研究红藻紫球藻的天然类囊体膜的超分子构象。在AFM中，单个藻胆体在空间上呈现半椭球状。另外，在不同的光强条件下，藻胆体在天然类囊体膜上表现出不同的排列方式：无规则排列和成排排列。而在上述不同的情况下，藻胆体的排列都是十分紧密的。这种紧密的分布不仅决定了类囊体膜上藻胆体的排列方式以及类囊体膜内光系统的排列规律，同时也限制了藻胆体在类囊体膜表面大范围的横向扩散。
　　 光脱色荧光恢复技术研究藻胆体的运动过程藻胆体被认为在蓝藻的类囊体膜表面上是可以横向移动的。而结构观察表明，膜上蛋白的拥挤排列大大限制了藻胆体的快速移动。在第六章中，我们利用光脱色荧光恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching，FRAP)来研究紫球藻的类囊体膜上藻胆体的动态运动过程。对天然细胞的研究结果证实了荧光恢复现象的存在，这与蓝藻的观察结果一致。但是在用戊二醛固定的细胞体内以及体外分离出的藻胆体内也同样观察到了荧光恢复现象，这证明了藻胆体在红藻类囊体膜上的紧密排布限制了其水平的扩散运动。我们在红藻细胞中所观察到的荧光恢复现象是由于被光淬灭的藻胆体的自身光物理原因造成的，而不是由藻胆体在类囊体膜上的快速扩散所产生。藻胆体在类囊体膜上的快速扩散被认为与光能在两个光系统之间的分配有关，因此在红藻中一定有其他的与藻胆体相关的机制来完成光能的重新分配过程。
　　 同时，检测了光淬灭过程中藻红蛋白的荧光动态过程。体内和群体试验结果表明FRAP中的淬灭荧光可以引起藻红蛋白的荧光增强。对藻胆体和细胞进行戊二醛固定的对比试验揭示了光淬灭可以导致藻红蛋白在藻胆体杆上的能量解偶联。该反应可以使部分藻胆体的荧光从藻红蛋白散发出来，从而可以解释FRAP中只有部分荧光可以恢复的现象。藻胆体的单分子光谱研究在群体试验结果的基础上，第三章利用单分子光谱首次对红藻紫球藻(Porphyridium cruentum)的藻胆体进行研究，通过同步检测完整藻胆体中藻红蛋白和整个藻胆体的荧光强度，实时观测藻胆体在强光下的荧光动态过程。结果表明强绿光可以诱导藻胆体的荧光降低，而藻红蛋白的荧光在光淬灭(photobleaching)初期荧光增强。这说明藻胆体中藻红蛋白与邻近的藻胆蛋白之间发生了能量的解偶联。藻红蛋白的荧光随即降低，说明当藻胆体内能量传递受影响后，藻红蛋白作为单个荧光元件被淬灭。相比较，戊二醛固定后的藻胆体以及缺少B-藻红蛋白而只含有b-藻红蛋白的突变型藻胆体都没有发生能量解偶联。因此，结果表明这种能量解偶联是特异的发生在藻胆体杆中B-藻红蛋白和b-藻红蛋白的连接位点。同时，这种能量解偶联被证明具有光强依赖性和氧依赖性。
　　 光合作用生物体已经进化出多种保护机制来避免强光对细胞体内的光损伤。实验证明，橙色类胡萝卜素蛋白(orange carotenoid protein，OCP)在蓝藻的光保护机制中起到了重要的作用。然而藻胆体自身在蓝藻和红藻中的光保护作用还不清楚。这种能量解偶联被看作是藻胆体为了避免光系统受到光损伤所产生的生理对应机制，并揭示了红藻中含有γ subunit的藻红蛋白的新的光保护功能。
　　 AFM研究LH2的排布与蓝藻和红藻中的藻胆体不同，光细菌Rhodobacter sphaeroides的光合捕光复合物2(LH2)位于光合膜的内部，将光能传递给捕光复合物1(LH1)和反应中心。采用显微镜和光镜技术研究光合膜的超分子结构，证明光合作用蛋白复合物紧密的排列在膜上，蛋白的紧密排布对光合作用的功能结构域的形成和膜弯曲起到了重要作用。为了深入研究这种紧密排布效应，第八章利用AFM观察了R.sphaeroides LH2的二维晶体膜。与之前报道的一到二种排列方式不同，我们在一次制备中共观察到七种不同的排布阵列，其中LH2与膜表面均有倾斜角度。虽然LH2在体外以单体形式存在，但是我们发现了两种新的二聚体的排列方式。在第一种二聚体中，两个LH2单体相内倾斜；在第二种二聚体中，单体相外倾斜。进一步研究表明，这两种排列方式与“Z”型排列方式相似，倾斜角度也相对一致。其中第二种二聚体构象可以带动脂双层进行弯曲，在R.sphaeroides体内构成弧形的光合膜结构。

目录

论文说明：Abbreviations

声明

英文文摘

摘要

Chapter 1 Introduction

Photosynthesis, one of the most important biological reactions on earth

Diversity and evolution of photosynthesis

Pigments

Reaction centers

Light-harvesting complexes

Morphology of photosynthetic membranes

Photosynthesis in cyanobacteria and red algae

Individual protein complexes of the photosynthetic apparatus

Molecular architecture of thylakoid membrane

Phycobilisome arrangement on the thylakoid surface

Arrangements of photosystems

Association between phycobilisomes and photosystems

State transition

References

Chapter 2 One-step chromatography method for efficient separation and purification of R-PE from Polysiphonia urceolata

Introduction

Results

The separation of R-PE

The identification to purification of R-PE

The analysis to each separation process

R-PE stability to pH variations

Discussion

Materials and methods

Organisms

Chemicals

Phycoerythrin purification

Determination of purification

R-PE stability to pH variations

References

Chapter 3 Probing protein folding interactions by investigations on active conformation and function of R-phycoerythrin

Introduction

Results

Absorption spectra

CD spectra

Fluorescence spectra of R-PE as a function of pH

Refolding experiment

Discussion

R-PE hexamer assembly and flexible conformation

Aromatic residues in R-PE play essential roles in energy transfer

γsubunit in R-PE

Materials and methods

Sample preparation

Spectral measurement

Structural analysis

References

Chapter 4 Structure and organization of phycobilisomes on membranes of the red alga Porphyridium cruentum with transmission electron microscopy

Introduction

Results

Spectral properties of isolated PBsomes

PBsome components

Electron microscopy

Discussion

Materials and methods

Isolation of isolated PBsomes and PBsome-thylakoid membranes

Spectral analysis

SDS analysis

Electron microscopy

References

Chapter 5 Probing the native architecture and photoacclimation of thylakoid membranes in red algae with atomic force microscopy

Introduction

Results

AFM topography of isolated PBsomes

Native architecture of PBsome-thylakoid membrane

Discussion

Native architecture and photoacclimation of photosynthetic membrane in red algae

Packing of PBsomes on the crowded thylakoid membrane

Configurational heterogeneity of thylakoid membrane

Interactions between PBsomes and PSs

Materials and methods

Separation of intact PBsomes and thylakoid membrane

Spectral analysis

Atomic force microscopy

Transmission electron microscopy

References

Chapter 6 Unrevealing the dynamics of phycobilisomes on the thylakoid membrane in red algae using fluorescence recovery after photobleaching

Introduction

Results

Fluorescence recovery of PBsomes

Fluorescence properties of PE emission during photobleaching

Discussion

Materials and methods

Transmission electron microscopy

FRAP measurements

References

Chapter 7 Light-induced energetic decoupling as a mechanism for phycobilisome-related energy dissipation in red algae: a single molecule study

Introduction

Results

Fluorescence photobleaching of single PBsome

Power-dependence of single PBsomes during photobleaching

Green laser induces an energetic deeoupling of the PBsome

Oxygen-dependence of single PBsome during photobleaehing

Fluorescence photobleaching of mutant PBsome

Discussion

Green-light-induced energetic decoupling of PBsome in red algae

The specific association ofγ-subunit-containing PE

The contribution of PBsomes in the photoprotection of red algae

Materials and methods

Sample separation and immobilization

Single-molecule experimental setup

References

Chapter 8 Dimers of light-harvesting complex 2 from Rhodobacter sphaeroides characterized in reconstituted 2D crystals with atomic force microscopy

Introduction

Results

Discussion

Dimeric LH2

Packing lattices

Tilting of LH2

Materials and methods

LH2 purification

Two-dimensional crystallization

Atomic force microscopy

References

Summary

Acknowledgments

Publications