理化因子诱导的CP43和CP47结构与功能变化规律的研究

摘要

CP43和CP47是PSⅡ中位于类囊体膜上的两种内周天线色素蛋白复合体，它们都是由六个跨膜的α-螺旋和五个膜外环组成。CP43和CP47的主要功能是把光系统Ⅱ(PSⅡ)外周天线色素蛋白复合体(LHCⅡ)吸收的能量传给反应中心(RC)，从而引起光化学反应。因此，研究CP43和CP47的结构与功能对于揭示植物光合作用高效吸能、传能的分子机理具有重要意义。由于CP43和CP47的分离纯化比较困难，所以相对于其它的光合膜蛋白来说，人们对CP43和CP47的研究比较少。在本文中，我们在分离、纯化CP43和CP47的基础上，采用多种光谱学和波谱学技术对CP43和CP47在Gu-HCl和高温作用下的变性过程及其结构与功能的变化规律进行了比较深入的研究，获得了如下结果：
　　 1.CP43和CP47膜外区的结构特点及盐酸胍(GuHCl)引起的变性研究
　　 我们用荧光光谱、园二色(CD)光谱研究了GuHCl引起CP43和CP47的变性过程及其膜外区的结构特点。研究发现：CP43和CP47的膜外区具有一定的有序结构，而不是一种没有规则的伸展状态；和CP43相比，CP47的三级结构及Chlα的微环境对GuHCl更敏感。在GuHCl作用下，从β-Car到Chlα的能量传递变化和三级结构的变化密切相关，而与二级结构变化的相关性则较小；和大多数水溶性蛋白不一样，CP43和CP47对GuHCl变性有一定的抵抗力，而且其变性过程不表现为二态过程，这些都是膜蛋白的特点。
　　 2 CP43和CP47中与芳香族氨基酸有关的能量传递研究
　　 我们用吸收光谱、荧光光谱并参照PSⅡ的3.5(A)的晶体结构分析结果研究了CP43和CP47中与芳香族氨基酸有关的能量传递。发现：和水溶性蛋白不一样，CP43和CP47中的酪氨酸(Tyrs)并不能有效的把其能量传给色氨酸(Trps);CP43和CP47中的芳香族氨基酸能通过F(o)ster机制和Dexter机制把其能量传给Chlα，并且CP47中的传递效率要大于CP43；在CP47中F(o)ster机制是芳香族氨基酸和Chlα之间能量传递的主要方式，而在CP43中Dexter机制则是主要方式。这些结果也暗示了，太阳光中的紫外辐射对植物来说除了其伤害作用以外也有一定的益处。
　　 3 GuHCl诱导CP43和CP47变性的太赫兹(THz)光谱研究THz时域光谱技术(THz-TDS)是研究分子构型状态的一个新工具。近年来，已被应用于物理或化学分子的研究中。我们首次把这个技术应用到光合膜蛋白CP43和CP47的GuHCl变性研究上。研究发现，在小于1.5 THz时，THz吸收光谱强度随着频率的增加而增加可以看作是蛋白质变性的标志。在GuHCl作用下频域光谱中出现的1.8 THz峰应来源于Chlα和GuHCl之间的相互作用。实验结果表明，THz光谱是区分蛋白分子的不同构型状态以及监测蛋白变性过程的有力工具。
　　 4 CP43热变性的傅立叶变换红外光谱和THz光谱研究
　　 我们用傅立叶变换红外光谱技术(FT-IR)、SDS聚丙稀凝胶电泳(SDS-PAGE)和THz光谱技术对CP43的热变性过程进行了研究。结果表明，在高温处理下，CP43的二级结构发生了变化，且其跃变点发生在59℃。随着温度的逐渐升高，CP43先发生凝集，接着又发生降解；CP43的低频振动模随着温度的升高和分子量的减小也发生变化。我们还证实THz光谱技术在监测膜蛋白的热变性时既有它的优越性，也存在一些不足之处。这些结果为THz-TDS技术在生物样品上的应用提供了基本的资料，并完善了相关的理论。

目录

文摘

英文文摘

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声明

第一章前言

1 PSⅡ的结构和功能

2 CP43、CP47的基本结构

2.1 CP43和CP47的脱辅基蛋白的结构

2.2 CP43、CP47所含色素及其存在状态

3 CP43和CP47的基本功能

3.1能量传递及传递机制

3.2 CP43在D1蛋白光抑制降解中的可能作用

3.3 CP43、CP47在维持PSⅡ结构完整性及其在放氧中的作用

4 本文的研究目的和意义

第二章CP43及CP47的分离与纯化

1菠菜PSⅡ颗粒的制备

1.1 类囊体膜的制备

1.2 PSⅡ颗粒的获得

2 PSⅡ放氧核心复合物(OECC)的制备

2.1 OECC的制备

2.2 OECC的纯化

3 CP43和CP47的分离与纯化

4 CP43和CP47纯化产物的鉴定

4.1分离纯化产物多肽组分的鉴定

4.2色素浓度的测定

第三章CP43及CP47的光谱学特性及其研究方法

1研究CP43和CP47所利用的各种光谱技术

1.1吸收光谱

1.2荧光光谱

1.3圆二色(CD)光谱

1.4傅立叶变化红外光谱(FT-IR)

1.5 太赫兹时域光谱(THz-TDS)

2 CP43及CP47的各种光谱学特性

2.1吸收光谱

2.2 CP43和CP47的低温荧光光谱

2.3 CP43及CP47的CD光谱

2.4 CP43和CP47的FTIR光谱

2.5CP43和CP47的THz光谱

3讨论

第四章CP43和CP47膜外区的结构特点及盐酸胍(GuHCl)引起的变性研究

1引言

2材料和方法

2.1 CP43和CP47的分离纯化

2.2GuHCI处理

2.3荧光光谱和圆二色(CD)光谱的测定

3结果

3.1荧光光谱

3.2 CD光谱

4讨论

4.1 CP43和CP47的膜外区结构

4.2 GuHCl对CP43和CP47的脱辅基蛋白的影响

4.3 CP43和CP47内的能量传递及其在GuHCl作用下的变化

4.4小结

第五章CP43和CP47中与芳香族氨基酸相关的能量传递研究

1引言

2材料和方法

2.1 CP43和CP47的分离和纯化

2.2 盐酸胍GuHCI处理

2.3吸收光谱和荧光光谱的测定

3结果和讨论

3.1 CP43和CP47中能量从酪氨酸向色氨酸的传递

3.2 CP43和CP47中能量从芳香族氨基酸向Chlα的传递

3.3 CP43和CP47中芳香族氨基酸和Chlα之间的能量传递方式

3.4 CP43和CP47中两个很特殊的芳香族氨基酸

3.5小结

第六章盐酸胍(GuHCl)诱导CP43和CP47变性的太赫兹(THz)光谱研究

1引言

2材料和方法

2.1 CP43和CP47的分离和纯化

2.2 GuHCl处理

2.3荧光光谱的测定

2.4 THz-TDS的测定

3结果

3.1 GuHCl诱导的CP43和CP47THz光谱的变化

3.2 GuHCl诱导游离Chlα频域光谱的变化

3.3 GuHCl诱导CP43和CP47中Chlα低温荧光光谱的变化

4讨论

第七章CP43热变性的傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和太赫兹(THz)光谱研究

1引言

2材料和方法

2.1 CP43的分离和纯化

2.2热处理

2.3 SDS-Urea-PAGE分析

2.4FT-IR的测定

2.5 THz-TDS的测定

3 结果和讨论

3.1高温下CP43的聚集和降解

3.2高温下CP43二级结构的变化

3.3 高温下CP43 THz频域光谱的变化

4小结

结论

参考文献

致谢

个人简历及在学期间发表或待发表论文