植物非光化學(xué)能量耗散機制的理論研究.pdf

1、主要捕光復(fù)合物在低光照條件下可以有效地吸收光能進行光合作用，在強光照條件下它可以有效地耗散光能來保護植物免受氧化損傷。激發(fā)能的非輻射能量耗散是植物重要的光保護機制。在高強度光照條件下，類囊體腔內(nèi)積累的ΔpH能夠激活葉黃素循環(huán)和PsbS蛋白。葉黃素循環(huán)和PsbS蛋白對植物的光保護機制有重要的調(diào)節(jié)作用，但是它們并不是植物非光化學(xué)能量耗散所必需的。
　　植物非光化學(xué)能量耗散機制是現(xiàn)在研究的一個熱點。雖然在這個方向有大量的研究報道，但是有

2、很多問題仍然不清晰明了。因此，在本論文中我們利用了各種理論方法來研究植物能量耗散的機制。這些方法包括計算蛋白質(zhì)中酸性氨基酸pKa的方法，拉伸動力學(xué)方法和高溫動力學(xué)方法。
　　在本論文中試圖從三個方面研究非光化學(xué)能量耗散的機制。首先，植物體內(nèi)和體外實驗表明，ΔpH可以直接將主要捕光復(fù)合物從光能吸收狀態(tài)轉(zhuǎn)變到光能耗散狀態(tài)。但是主要捕光復(fù)合物中哪些氨基酸在光保護中通過應(yīng)答ΔpH而在植物光保護中發(fā)揮作用仍然不清楚。因此，用H++程序計算了

3、類囊體腔側(cè)酸性氨基酸的pKa值，并且與植物非光化學(xué)耗散的pKa進行對比來發(fā)現(xiàn)哪些氨基酸是應(yīng)答ΔpH的潛在位點。其次，因為蛋白的結(jié)構(gòu)決定了蛋白的功能，因此探究主要捕光復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特點對理解主要捕光復(fù)合物有重要的啟發(fā)。主要捕光復(fù)合物中兩個結(jié)構(gòu)域，螺旋A-lutein1和螺旋B-lutein2呈現(xiàn)出二重對稱性。但是主要捕光復(fù)合物的這種二重對稱性并沒有導(dǎo)致功能上的對稱性。比如，螺旋A-lutein1在能量耗散和整個復(fù)合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面都發(fā)揮了很

4、重要的作用，而螺旋B-lutein2的功能卻并不明確。用拉伸動力學(xué)探究了lutein1和lutein2與主要捕光復(fù)合物是否具有相同的結(jié)合活性。最后，接著用高溫分子動力學(xué)的方法研究主要捕光復(fù)合物這兩個結(jié)構(gòu)域的動力學(xué)特點。
　　主要得到如下的結(jié)果：第一，用理論計算的方法發(fā)現(xiàn)，Asp211和Asp215可能是主要捕光復(fù)合物應(yīng)答pH變化的氨基酸。進一步我們發(fā)現(xiàn)，Asp215是三聚體中最外側(cè)的酸性氨基酸，因此它的質(zhì)子化/去質(zhì)子化狀態(tài)在植物的

5、光保護中可能發(fā)揮了很重要的作用。第二，拉伸動力學(xué)結(jié)果表明這兩個lutein與主要捕光復(fù)合物的結(jié)合活性沒有明顯的差別。進一步研究了lutein的兩個環(huán)狀頭部是否對lutein的結(jié)合具有相同的貢獻。結(jié)果表明，靠近基質(zhì)側(cè)的環(huán)狀頭對主要捕光復(fù)合物具有更強的結(jié)合活性。因此，lutein1和lutein2在非光化學(xué)能量耗散中的作用并不是由它們的結(jié)合活性造成的。并且lutein的靠近類囊體腔側(cè)的部分與蛋白結(jié)合地更加松散，這可能與它發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變，進而誘

6、導(dǎo)非光化學(xué)能量耗散有關(guān)。第三，分子動力學(xué)模擬的研究表明螺旋A和螺旋B具有不同的熱穩(wěn)定性。與螺旋B相比，螺旋A更不穩(wěn)定。但是當有l(wèi)utein存在的時候，螺旋A變得穩(wěn)定。在動力學(xué)過程中，螺旋A的Ala187-Gly193區(qū)域表現(xiàn)出熱不穩(wěn)定性。以前的研究表明主要捕光復(fù)合物通過構(gòu)象變化由光能捕獲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰亢纳顟B(tài)，并且這種構(gòu)象轉(zhuǎn)變是由結(jié)合在螺旋A上的lutein誘導(dǎo)的。并且以前的研究認為結(jié)合在A螺旋上的lutein是主要捕光復(fù)合物成熟的必要