| 单词 | 光合细菌P870 |
| 释义 | 【光合细菌P870】 1952年，L．N．M．Duysens发现酒色红硫细菌可以通过照光产生1%～2%的红外区吸收光谱变化，主要在870nm和蓝区吸收降低。后来其他工作者发现用氧化剂处理细菌可产生同样的光谱变化。1965年，R．K．Clayton指出此吸收变化是由于叶绿素分子中1%左右的特殊叶绿素分子在经历氧化反应，这个反应不但量子产率≥90%，而且可以在低到1K的温度下发生。当时尚未弄清这个吸收变化是由于大多数叶绿素分子经历小的变化或是少数叶绿素分子经历大的变化引起的。1978年，R．K．Clayton和W．R．Sistrom发现在一个含有正常数量叶绿素但不能进行光合作用的球形红假单细胞菌的PM－8株突变体里，照光时不产生这种吸收光谱变化。用强氧化剂K2IrCl6处理正常细菌的载色体时可将大多数叶绿素分子氧化，使其漂白失色。但那些少数特殊叶绿素分子可以抵制这种氧化，并且还可以通过照光氧化而产生吸收变化。以上两个实验得出这一概念：通过照光产生的少量吸收光谱变化是代表细菌里由少数特殊叶绿素分子构成的成分所产生的氧化反应，而且它代表光合细菌的原初电子供体的氧化反应。这个原初电子供体称P870。 1968年，D．W．Reed和R．K．Clayton用去垢剂细菌载色体分离反应中心复合体时指出后者氧化还原时产生的光谱差代表了原初电子供体的吸收光谱。这个光谱差在870nm处有较大降低(含叶绿素b的细菌这个变化在960nm处)，在≤600nm和385nm处也有降低，在800nm处有个蓝移。整个吸收光谱差类似于细菌叶绿素有机溶液的氧化还原光谱差，特别在蓝绿区、红外区，由于色素分子间的强烈相互作用，原初电子供体细菌叶绿素分子的吸收带从770nm红移到865nm。1987年，葛培根和V．A．Shuvalov描述了3种色素分子细菌膜(球形红假单胞菌R－26里的集光色素复合体B850、球形红假单胞菌R－26反应中心复合体，绿色红假单胞菌反应中心)的圆振二向色谱，显示在红外吸收圆振二向色谱分两个谱带：正850nm带和负876nm带，根据激子相互作用理论，这种情况是由于B850复合体里叶绿素分子是以二聚体形式存在，假如叶绿素二聚体激发到单位或三重线激发态，激子相互作用消失，负带也消失。20世纪50年代Commoner等观察到光合细菌经光化学电荷分离产生带正电荷的原初电子供体P870+应该显示EPR信号，后证实大多数光合细菌原初电子供体自由基的EPR信号的g值是2．0025±0．0002，△H=9．66，绿色红假单胞菌的△H=11．86。由于陆续发现：①EPR信号与照光产生的869nm吸收率变化比是1∶1；②闪光产生的EPR信号的上升时间受限于测量仪器的时间分辨率，即低于1μs；③EPR信号在1．5K下仍能可逆地产生；④EPR信号和860－nm吸收率变化有同样的衰变化力学；⑤EPR信号和860－nm吸收率变化有同样的作用光谱；⑥EPR信号和860－nm吸收率变化可以同样地通过化学氧化导致；⑦缺乏反应中心的球形红假单胞菌突变体细胞不能产生自由基EPR信号。一般认为细菌叶绿素是原初电子供体的成分。鉴于吸收光谱变化已明确证实光合细菌的原初电子供体由细菌叶绿素组成，将P870+的ERP信号与氧化细菌叶绿素分子在溶液中的EPR信号比较可获得认实。结果发现两者有相同信号形状和g值，仅线宽不同。Norris等认为这个差别是归因于原初电子供体叶绿素的二聚体，而且那个单电子在两个叶绿素分子上是“非定域的”。这个叶绿素分子对间还含有1个水分子。1975年，G．Feher等给出了Bchla+溶液和球形红假单胞菌R－26载色体的电子核磁双共振谱，显示载色体hfs常数恰是单体叶绿素自由基的一半，说明原初电子供体是叶绿素分子二聚体，那单电子在两个叶绿素分子间是非定域的。细胞色素的低温氧化反应 50年代光合细胞细胞色素的氧化反应已由很多工作者研究过，后来发现细菌里的C型细胞色素被光照射时氧化的速度很快，最早测量的数值是20μs。不过氧化了的细胞色素在室温下重新还原要慢得多。1960年Charce和西村对光合细菌里的C型细胞色素光氧化与温度的关系作了一个重要的观察，他们发现酒色红硫细菌在80K下照光时它的一个低电位细胞色素C553还可以经历氧化，这个细胞色素叫做C423．5。酒色红硫细菌的C型细胞色素在300K和200K照光时的氧化速度差不多一样，不过在200K细胞色素重新还原的速度变慢了10倍，更重要的是在液氮温度(77K)下细胞色素的氧化速度更快。可是在这个温度下，氧化的细胞色素不能重新还原，因此即使再加闪光，也看不到氧化反应了。后来Chance和Devault对细胞色素光氧化与温度的关系作了详细的测量。他们用10ns长的694nm激光作为闪光去测量酒色红硫细菌细胞色素C的氧化速度。室温下t1／2是～2μs，这个速度随温度的降低而变慢。在这段温度中，活化能等于13．8kJ／mol。这活化能代表细胞色素的血红素作转动或振动扩散使叶绿素分子达到最适当位向所需的能量。等温度达到～100K或更低时，速度慢到恒定的2．3ms，此后与温度无关。这个细菌的C型细胞色素在低温下用恒定时间氧化，这确定地证明反应中心叶绿素和细胞色素间的电子传递是经过电子隧道穿透方式进行的。这就是说，细胞色素的电子可穿透一个比它自己的动能珲要大的势垒。根据量子力学计算，这个势垒的能幅度是0．3～1eV，宽(3～8)×10－9。电子隧道穿透是一种量子力学特性，这就是说，颗粒的波动性可使它穿透一个能量比它的动能还要大的势垒，穿透的几率与反应体间的距离相关。这种电子传递方式最适应于存在蛋白膜上的不易移动的成分，或是在低温下迁移率低的反应成分。因此除了这个细胞色素与反应中心叶绿素之间的直接电子传递外，在几种情况下电子传递也用这个方式进行。细胞色素与反应中心叶绿素分子间的直接电子传递 1968年Parson发现用20ns闪光去氧化酒色红硫细菌载色体的P870时所产生的吸收减低的速度很快，在0．5μs以下，同时可以看到这个变化的复原(衰变)也很快，只要1～2μs。这个吸收变化复原照讲应该是代表P870+重新回复到P870的吸收变化。问题是还原P870+的电子是从哪里来的?Parson发现细胞色素c(C555)氧化时的吸收光谱变化与P890+重新还原具有同样的速度，而且这个细胞色素氧化的量子产率也差不多是等于1。这些结果很清楚地表明P870+是直接从c型细胞色素C555提取一个电子去还原自己。Parson用了一个很灵巧的实验方法利用P870和C555的吸收变化动力学去间接地推测受体的性质。当第2次闪光是在第1次闪光后500μs时发射的情况下，C555的氧化吸收变化可以测量到。当两个闪光间的时间差是1ms时第2次闪光效果最大。如果两次闪光间时间差短，第2次闪光的效果就小，当两次闪光的时间差是60μs时，第2次闪光的功效只有第1次的一半。一直等到两次闪光的时间差是3μs时，它们的总效应就如同只有第1次闪光一样。这个观察可以最简单地解释是因为电子受体A－还没有充分的时间来传递走它原来接受的电子，回复到氧化状态。换言之，P870就没有适当的反应配合，因此不能被氧化。再者，酒色红硫细菌载色体里每个P870有两个C555，所以只有第2次闪光能氧化P870，载色体里有足够的C555去供应电子给P870+。第1次闪光后氧化的C555要在10ms以后才能被受体侧来的电子重新还原。因此第2次闪光所氧化的C555是第1次闪光后剩余的一半未氧化的C555。这些结果显示每个P870可以氧化两个C555细胞色素。用细胞色素C作次级电子供体的模型反应 从球形红假单胞菌突变体R－26分离出的反应中心复合体已经失去了原来所含的细胞色素，葛培根、Reed等在1970年在就利用这个复合体加进哺乳动物的C型细胞色素去检验光活化后氧化的反应中心叶绿素是如何与外加的细胞色素相反应的。因为这反应中心复合体已失去次级电子供体，在没有外加电子供体时，虽然闪光可以在1μs内氧化P870，但是它衰变(即重新还原)很慢。P870+可以用外加的还原PMS去供应电子。用0．1mmol／L浓度的还原态PMS时，P870+可以在36μs内还原。在室温与0℃间，这个反应的活化能是～25．1kJ／mol。外加的(还原状态)哺乳动物(牛心)细胞色素c也可以高效地供应电子给P870+。当外加的细胞色素C浓度适当高时，P870+的还原时间(t1／2)可以短到25μs。就是在完整的球形红假单胞菌细胞里，P870+被内源的细胞色素C2还原的t1／2也只是12μs。所以外加的(牛心)细胞色素c供应电子的速度比细胞里也只慢一半!假如温度从室温往下降，这个反应的t1／2也增长。从室温下降至0℃，P870+的还原速度和细胞色素c的氧化速度可以用来作Arrhenius标绘图。从这图可以计算出在这段温度里反应的活化能是～50．2kJ／mol。不过反应溶液一旦冰冻，反应也就停止了。对这个反应系统闪光不但可以在870nm处测量P870产生的吸收变化，同时也可以在550nm处测量细胞色素c氧化时所产生的吸收变化。870nm／550nm的吸收变化比是5．8。因为细胞色素c的吸收系数已准确地知道，如果采用那时通用的P870的吸收系数，870nm和550nm所产生的吸收变化指出P870∶细胞色素c的比值是近于1。Parson等利用这个反应重新测量了P870的准确克分子吸收系数。1970年，葛培根等发现在浓度比等于10时，P870的整个吸收变化可以在t1／2=25μs内复原。这种情形相当特殊，因为P870+复原的速度是恒定的，与细胞色素浓度无关，仅是在t1／2=25μs内还原的部分随细胞色素／P870的浓度改变。这种情形似乎表明P870必须有一个在适当位向上结合的细胞素才能接受它的电子。至于细胞色素／反应中心叶绿素比例是10时才能在25μs内全部还原似乎暗示每个反应中心是与10个细胞色素相结合，但也可能指示有很多细胞色素是结合在不适当的位向或成分中。通过超过滤实验我们观察到反应中心与24个细胞色素相结合。1980年Rosen等用平衡透析测量反应中心上所结合的细胞色素数目，观察到每个反应中心结合一个细胞色素，不论是存在于氧化或还原状态，也不论是哺乳动物的或是从同种细菌分解出来的细胞色素C2。这些新实验结果指出我们以前用的反应中心复合体可能不够纯。后来也知道这制品还含有未分解的细胞色素和醌，特别是磷脂，结果不纯的反应中心制品可能具有很多无关的结合位置。葛培根等指出P870+的衰变速度对H+更敏感些。电位相反的离子间的反应速度随离子强度的增高而减低也符合于电解质溶液理论。P870和细胞色素间静电吸引力的存在也可以从赖氨酸聚合体对它的影响得到证实。我们发现，加进赖氨酸聚合体到反应系统可以减弱P870+与细胞色素间的偶联反应。当赖氨酸聚合体(分子量是～150000)的深度仅是0．3μmol时，偶联的反应失去一半。当赖氨酸聚合体的浓度是～0．5μmol时，t1／2=25μs的反应完全消失。这些结果当然是因为带多个正电荷的赖氨酸聚合体可能与带负电荷的反应中心复合体相结合，结果阻止后者与细胞色素结合。【参考文献】：1 Leigh JS,Dutton PL. Ann N Y Acad Sci, 1973:222,8402 Slooten L. Isolation and Properties of Reaction Centers from Photosynthetic Bacteria, Leiden. 1973. 1193 Shuvalov, et al. Dokl Akad. Nauk SSSR. 1976. 9864 葛培根．光合作用．合肥：安徽教育出版社．1990．60～69(安徽省农业科学院朱永和撰) |
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