forster 在叶绿体的完整的细胞中，激发能是由几个PSII单位所共享的，

在叶绿体的完整的细胞中，激发能是由几个PSII单位所共享的，

从Forster能量传输，到相干能量传输，再到Forster能量传输（三）

已有 1219 次阅读 2011-4-13 11:24 |系统分类:科研笔记|关键词:光合作用；能量传输；机理

（接上）

梁先庭 译

 

5. 敏化荧光：在光合作用生物体内能量传输之证据

5.1 1940年代与1950年代

“敏化荧光”的最早记录实例，以及能量传输研究肇始于G. Cario与James Frank于1922 [35]的研究工作。这一年，他们发现，在汞与铊的混合蒸汽中，当汞（作为Donor）在253.6nm被激发后，铊（作为Acceptor）发出了荧光。一直到1943年，才有第一个光合作用物敏化荧光清晰的实验报道。在硅藻的细端菱形藻（Nitzschia clostertum）里，Dutton等人[36]展示了从黑角藻黄素（fucoxanthin）到叶绿素a的几乎100%的能量传输，因为当黑角藻黄素被激发时，会导致一些叶绿素a的荧光，就好像直接激化叶绿素a所发出的荧光一样。这也是生物体内类胡萝卜素具有捕光功能的第一个清晰实例（见Dutton[37]与Govindjee[38]）。三年后（1946年），Wassink与Kersten[37]对另一种硅藻细端菱形藻的研究独立地得到了相同的结果。这些实验首次证明了在光合作用系统内激发能从一个色素传输到另一个色素的事实。

Louis N. M. Duysens[40-41]对如下系统的激发能传输提供了最系统的研究：（i）紫质细菌着色菌属（Chromatium） 与红螺菌属（Rhodospiritlum molischianum） [能量几乎100%的从细菌叶绿素B800转移到B850和B890，约50%从类胡萝卜素转移到B890]；（ii）绿藻小球藻（Chlorella）[100%从叶绿素b转移到叶绿素a]；（iii）红藻紫球藻（Porphyridium cruentum）[约80%从藻红蛋白(phycoerythrin) 到藻青蛋白（phcocyanin），约80%从藻青蛋白到叶绿素 ]；（iv）蓝绿藻（一种藻青菌）藻属[约80%从藻青蛋白转移到叶绿素 ]。加之，Duysens [40-41]发现了两种叶绿素a的存在，一种是发（荧）光的，而另一种是不发（荧）光的。C. Stacy French与V. M. K. Young[42] 独立地发现了在红藻中藻红蛋白向藻青蛋白，藻青蛋白向叶绿素a的能量转移。

Willian Arnold 与E. S. Meek[43]于1956年通过观察叶绿素荧光的退极化为叶绿素分子间的能量迁移提供了清楚的证据。在小球藻细胞中，荧光的极化度很低（0.030），因此不可避免的结论是：荧光一定由叶绿素分子放出。而这些叶绿素分子并没在此之前吸收过激发光，这就是说在光合作用单元内，一定存在叶绿素分子之间能量的有效传输（迁移）。最早对激发能转移的时间观察是1958年在Eugene Rabinowitch实验室获得的，当时Steve Brody [44－45]（参阅简评[46]）测量了叶绿素a荧光的延时，该实验是将红藻中紫球藻属(cruentum)的藻红素用纳秒级的绿光照射；此时能量从藻红素通过藻青素传到叶绿素，时间约500ps，测量是在Brody此前自制的非常先进的直接测量荧光寿命的设备上做的。该工作的改进与延拓可见Tomita与Rabinowitch的文献[47]。一直到1978年，George  Porter与合作者[48]用高速照相机验证并扩展了这些观察。

5.2 1960年代－1990年代

在此期间，对激发能量传输以及激发引起的叶绿素a的荧光谱,从室温到液氦温度（4K）都做了大量的研究，可参见评述[49－52]。我们中的一人（Govindjee）的实验室的实验显示，当光合作用系统II（PSII）接近室温时，不管在高光强下还是使用阻抑制剂敌草隆（该剂阻止这种系统外物质的电子输运），在693nm附近会出现一个新的辐射带，并且叶绿素a荧光极化减少[55－57]。 这些结果暗示，天线内激发能的迁移增加了。在1960年代，也就是Brody[58]在77K的绿藻小球藻中发现720nm辐射带后不久，已经变得非常明显的是，在77K，至少有4个辐射带：F685（来自PSII）；F695（来自PSII）；F720（来自PSI）和F735nm（来自PSI），参见[59－64]。更重要的是，当温度降到77K（甚至4K）时，在绿藻、红藻与藻菌中，发现辐射谱与能量传输发生了极大的变化，人们曾尝试将这些现象与Forster共振能量传输理论建立联系，但是由于该类完整系统的复杂性以及由于缺乏相关参数的详细信息，无法得出任何严格的结论。另一个，我们中的一人（Govindjee）曾经提出过的，与激发能量传输（或称迁移）相关的问题是，是否存在所谓的“湖模型”（一个由G.whlse Robinson创造的术语，这里指激发能量很多单元间自由移动），或“单独封装”模型（这里指个体单元之间没有能量交换）。这是一个Joliot在1964年处理过[66]并且有结论了的一个问题，其结论是能量从不活跃到活跃单元的几率是0.55。在考茨基（Kausky）跃迁（连续照射的荧光跃迁）下，叶绿素a荧光寿命作为荧光强度的一个函数的测量证明这样一个概念，即在叶绿体的完整的细胞中，激发能是由几个PSII单位所共享的，见文献（67-68）。该研究频域一个更流行的图像包含在最近光合作用研究特别卷两本书的几个章节中[67-70]。

5.3 激发能级联，例子

当超快（飞秒到皮秒）光照射被用于donor分子的激发时，我们可以直接测量激发能从donor分子传输到acceptor分子的时间，即donor分子荧光减小到acceptor分子荧光增加所用的时间。当donor与acceptor分子具有不同的吸收谱时，这是能观察到的，在红藻紫球藻属Cruentum中，一个漂亮的激发能传输的级联可以观察到，它们是：从藻红蛋白（F575，荧光在575nm处辐射）到藻青蛋白（F645）到别藻蓝蛋白（F665）；到了500ps后，激发能全部转移到叶绿素a上（F685）。类似的，这样的结果，即能量从藻红蛋白的别藻蓝蛋白到叶绿素a，在蓝藻细菌组囊藻中与项圈藻中[71-75]也发现了，虽然它们的光谱频率不定量相同，这些能量传输的路径一定遵循FRET机制。最近，Komura与Itoh[76]总结了在温度77k与4k时，能量在波菜，一种高等植物中的一种叶绿素传输到另一种叶绿素的结果。这些测量使用了一种高速单光子计数模式的照相机，显示了一系列反应能量传输的荧光，在77k时从677nm（F677）到F689，约5ps；从F685到F695，约180ps；从F680到F689，约30ps；冷却样本到4k导致这些传输时间缓慢减少约5倍！利用快速照相机，Gilmore等人[77]展现了小麦，另一种高等植物在室温下的整体光谱结果，但是，只有当PSII反应中心用高光靠近（所有非PSII介质减少），叶绿素的荧光寿命从250—500ps增加到1250---2500ps，并且伴随着两种光合作用系统激发能传输的改变，（产生了重构）。