光合作用氧释放机理研究进展
光合作用机理的研究进展
光合作用机理的研究进展光合作用，是生物体依靠太阳能将无机碳和水转化成有机物的过程，是地球生命得以延续的重要基础。
自古以来，人们就对光合作用的机理进行了探索和研究。
今天，随着科学技术的不断发展，光合作用机理的研究也取得了很大的进展，为我们深入理解生命的奥秘提供了更加有力的工具。
光合作用的基本过程光合作用是绿色植物、蓝菌和一些原生生物等生物体的常见特征。
在光合作用中，植物通过利用太阳能、光合色素、水和二氧化碳等原料来制造出有机物和氧气。
具体而言，可以分为光反应和暗反应两个过程。
光反应需要光的作用，发生在叶绿体的基质中。
当受到光的照射时，光合色素激发后，能够通过一系列的传递过程，将获得的光能转化成ATP和NADPH等能量物质。
同时，在光反应中还会产生氧气，其释放是通过水的光解反应所致。
暗反应是在光反应的基础上进行的，其发生在叶绿体的基质和质膜中。
在暗反应中，植物通过利用上述能量物质来消耗二氧化碳并转化为有机物，其中较为重要的反应是卡尔文循环。
通过这个过程，植物能够合成出葡萄糖等有机物，为整个生态系统提供了重要的能量和物质基础。
光合作用机理的研究历程早在19世纪，就有学者研究过光合作用的机理。
当时，人们已经知道了光合物颗粒对光的敏感性及其中所含的一些化学物质，例如叶绿素和类胡萝卜素等。
随着科学技术的进步，人们开始从光合物颗粒的结构和组成方面进行深入研究。
1929年，威克斯提出了光合作用的大致过程，引领了光合作用机理的研究和探索。
接下来的几十年里，科学家们陆续发现了多种功能各异的光合色素，并建立了光反应和暗反应的基本模型。
其中比较具有代表性的是，1954年黄显宏合成的光合物体系的成功，在人工环境下实现了大规模的光合作用。
此后，神经科学家Klaus Schulten等人通过计算机模拟，模拟出了整个光合作用的分子结构，为光合作用机理的进一步深入研究提供了新的思路和切入点。
从1970年代开始，关于光合色素蛋白复合物的分离、定序和空间结构分析的研究已经逐渐成为了光合作用机理研究中的重要领域。
探究光合作用是否产生氧气的实验
探究光合作用是否产生氧气的实验概述:研究光合作用是否产生氧气的实验是生物学领域中一个基础和成熟的实验。
光合作用是植物、藻类和一些细菌将阳光、二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气的过程。
本实验旨在演示光合作用过程中氧气的释放，使用一个简单的装置，包括水生植物、光和气体收集装置。
身体:1. 实验装置:1.1选择水生植物:本实验中，由于Elodea或Cabomba等水生植物具有较高的光合活性，因此通常选用水生植物。
这些植物很容易获得，并且可以很容易地在受控的环境中种植。
1.2气体收集装置:需要气体收集装置来捕获和测量光合作用释放的氧气体积。
这种仪器通常由一个装满水的试管和倒置在一个充满水的烧杯。
植物被放入试管中，随着氧气的产生，它取代了水，使水在倒置的试管中上升。
氧的体积可以通过水的排水量来测定。
2. 进行实验:2.1设备设置:将烧杯装满水，放入装满水的试管，确保没有气泡被困住。
将试管倒置在烧杯中，确保开口的一端浸没在水中。
2.2植物介绍:将健康的水生植物小心地插入试管中，确保试管内没有气泡。
植物应完全浸没在水中，茎部应用塞子或气密盖密封，以防止气体与周围环境交换。
2.3提供光线:将装置置于光源下，如灯或阳光。
光是光合作用的重要因素，因为它提供了光合作用发生所需的能量。
2.4观察:在一段时间内观察安装过程并记录任何变化。
随着光合作用的进行，植物会释放出微小的氧气气泡，并聚集在试管的顶部。
倒置试管内的水位会随着氧气的置换而逐渐降低。
3. 结果解读:3.1产氧:实验证明，光合作用产生氧气。
试管中氧气气泡的存在表明水生植物释放氧气。
3.2光合作用的证实:实验证实了植物发生了光合作用。
该植物利用光能将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气，氧气是副产品。
这个过程对植物的生存至关重要，在地球的氧气循环中起着至关重要的作用。
简介:综上所述，研究光合作用是否产生氧气的实验是一种简单而有效的展示光合作用过程的方法。
通过设置气体收集装置，观察水生植物释放的氧气气泡，我们可以确认光合作用过程中氧气的产生。
光合作用反应机制研究新进展
光合作用反应机制研究新进展光合作用是地球上最重要的生物化学过程之一，它为地球上生命的存续提供了氧气和能量。
光合作用的基本过程涉及光能的吸收、电子传递、化学能的转化以及光能的释放。
随着科学技术的不断进步，人们对光合作用的理解也在不断深化。
最近，科学家们在光合作用反应机制的研究方面取得了一些新的发现和进展。
首先，研究人员对光合作用反应中的光能吸收和电子传递过程进行了深入研究。
他们发现，光合作用中的光反应主要由两个光系统组成：光系统I和光系统II。
光系统I和光系统II 在不同的波长区域吸收光能，并将其转化为电子能量。
之前的研究表明，光系统II主要参与光能的吸收和电子传递，而光系统I则负责接收来自光系统II的电子，并通过电子传递链将其传递给其他反应中心。
最近的研究表明，光系统I和光系统II之间存在更加复杂和多样的相互作用关系，这一发现为我们进一步理解光合作用的电子传递过程提供了新的线索。
其次，利用结构生物学的研究方法，科学家们对光合作用反应中的关键蛋白和光合色素进行了深入探究。
他们通过解析光系统I和光系统II的结构，揭示了这些反应中心蛋白的空间构型和相互作用方式。
研究人员还发现了一些新型的光合色素和与其相互作用的蛋白。
这些结构信息的揭示为我们深入了解光合作用的反应机制提供了重要的基础。
此外，光合作用反应过程中的化学能的转化也是科学家们关注的焦点。
通过瞬态吸收光谱技术的应用，研究人员能够观察到光合作用反应的各个阶段和中间产物。
最近的研究发现，光合作用中电子传递过程中，中间产物的寿命可能比之前研究所认为的更长。
这一发现意味着在光合作用反应中，某些寿命较长的中间产物可能发挥了重要的功能，进一步影响着光合作用的整个过程。
最后，科学家们利用生物化学方法研究了光合作用反应机制中的一些调控和修饰机制。
他们发现，光合作用的反应速率和效率受到多个因素的调控，包括温度、光照强度和pH值等。
此外，研究人员还发现了一些新的蛋白激酶和修饰酶，这些酶可以调控光合作用反应中的蛋白活性和结构。
光合作用研究进展与未来展望
光合作用研究进展与未来展望光合作用是指植物、蓝藻和藻类通过光合作用将光能转化为化学能，生长和繁殖的过程。
在光合作用中，光子被植物捕获，通过植物体内的光合色素变为化学能，最后成为可储存的生物能量。
光合作用是地球上生命产生的基础。
随着人类对能源的需求日益增长，如何利用光合作用的能量进行人工合成逐渐成为了研究热点。
本文将介绍光合作用的研究进展和未来展望。
一、光合作用的结构和机理研究光合作用的过程涉及多个分子和物质的相互作用。
先进的监测工具和技术可以帮助科学家深入研究这一复杂的过程。
例如，经过多年的研究，科学家们终于成功地解析了植物叶绿体结构，揭示了叶绿体光合作用的主要步骤。
此外，利用新技术可以研究草地植物与森林植物等光合作用不同的生理生态学特点，从而揭示植物光合作用实施的多样性。
更具体而言，光合作用的研究重点有以下几个方面：光合膜的结构与作用，电子传输链的作用和机理，氧化还原能的转换，ATP合成机制，环境对光合作用的影响和热停机的机制。
随着新的技术的不断发展，我们相信这些方面的研究会得到更加深入和全面的发展。
二、光合作用应用的研究光合作用在生物领域中有着非常广泛的应用。
在植物生长和产量提高方面，科学家们利用了对光反应的深刻理解，通过优化农艺方式和药物配方，提高了植物生长的效率。
同时，在食品、医药等领域，光合作用和光合生长生命过程也有着广泛的应用。
最近的研究还表明，光合作用可以用于环境保护。
利用人造光合作用设备，人类可以通过使用太阳光合成水中的氢气，从而净化空气和水。
这种技术被称为“人造光合作用”，是未来环境污染治理的重要途径。
三、未来展望：从光合作用到人造光合作用随着科技的不断发展，科学家们正在尝试从光合作用到人造光合作用的跨越。
这一技术，基于人造金属复合材料光合作用效应，利用太阳光能将水分子分解成氢和氧，是实现环保、创治的一种重要方式。
人造光合作用技术的研究具有重要的理论和应用价值，可以为研究非生物多维化合物的光合合成、太阳能利用、新能源半导体材料以及人类社会的可持续发展做出重要贡献。
光合作用的相关研究
光合作用的相关研究光合作用是指绿色植物和蓝藻等光合生物在光能的作用下将二氧化碳和水转化为有机物质和氧气的生化过程。
它是地球上最为重要的生物化学过程之一，对于地球的生态环境和气候变化具有重要的影响。
在过去的几十年里，对光合作用的研究一直是生物学领域的重点之一。
本文将从光合作用的组成结构、机理和调控机制三个方面探讨光合作用的相关研究进展。
光合作用的组成结构光合作用主要分为两个过程：光反应和暗反应。
光反应的发生需要光能的作用，它是指光合色素吸收光能后释放出的能量形成ATP和NADPH的生化过程。
暗反应是指在光反应的基础上，在植物叶绿体的基质中发生独立的化学反应，将二氧化碳转化为有机物。
暗反应又分为碳同化和光呼吸两个过程。
其中，光呼吸是指部分光合色素在光缺少或受到气体胁迫时发生的反应，通过一定的途径将电子转移到氧分子上，产生反应性的超氧负离子和过氧化氢，对植物的生长和发育产生负面的影响。
在光反应过程中，光合色素组成了光系统I（PSI）和光系统II （PSII），它们分别位于叶绿体中的不同位置，有着不同的功能和结构。
光系统I和光系统II是由蛋白和许多小分子组成的膜蛋白复合物，在结构上具有相似性。
光系统I主要负责产生还原型为NADPH的电子传递链，光系统II则负责产生还原型为NADPH和ATP的电子传递链。
在光合作用的过程中，光合色素与助色素以及叶绿素共同协作，吸收不同波长的光，并将能量转化为电子激发能。
光合作用的机理光合作用的机理是有关色素的电子传递链的机制。
在叶绿体的内膜系统中， PSII和PSI形成了两个连通的电子传递链，在不同的电位梯度下，将产生ATP和NADPH。
由于植物细胞外部环境的影响和内部基因表达的变化，这些传递链的基础结构和机制一直在不断地调整和改善。
近年来，关于光合作用机理的研究主要集中在色素蛋白、电子传递链和水分子的分解三个方面。
色素蛋白是光合作用中的核心组分，也是制约光合作用产生的蛋白质。
植物光合作用产生氧化还原电位的机理研究
植物光合作用产生氧化还原电位的机理研究植物光合作用是指植物通过光合色素对光的吸收和反应，将二氧化碳和水转化成糖类化合物，并产生氧气的过程。
这是所有植物的基本生理功能，也是维持生态系统平衡的重要过程之一。
在这个过程中，植物生成氧化还原电位的机理一直备受科学家们的关注。
一、植物光合作用基本原理植物光合作用需要光合色素、光照、水和二氧化碳等物质的参与。
在植物细胞中，叶绿体是光合作用的发生地点。
光合作用的基本方程式为：6CO2 + 6H2O + 光能→ C6H12O6 + 6O2可以看出，光合作用需要光能的参与，这是产生氧化还原电位的关键因素。
二、氧化还原电位的介绍氧化还原电位是描述物质氧化还原能力的物理量。
它代表了氧化还原反应中电子在两个状态间跃迁所释放或吸收的能量差。
在光合作用中，氧化还原电位的大小反映了电子传递链的有效性和叶绿体内ATP合成的强度。
三、植物光合作用释放氧化还原电位的过程植物光合作用中，光的能量被光合色素吸收后，电子从低能级跃迁到高能级，进而发生一系列的光化学反应。
最后，在反应中电子转移到细胞色素等载体上，形成传递链。
在这个过程中，一些分子的氧化还原状态发生变化，产生氧化还原电位，从而释放能量。
这些能量被ATP酶催化生成ATP，供细胞使用。
四、氧化还原电位对植物光合作用的影响氧化还原电位的大小会影响植物光合作用的效率。
当氧化还原电位越大，电子传递链越强，ATP合成的速率越快，植物的生长和发育也越好。
而当氧化还原电位降低，电子传递链会变得不稳定，甚至出现机能障碍，导致植物失去光合作用的功能。
综上所述，植物光合作用产生氧化还原电位的机理是科学家们长期以来的研究方向。
这个过程中包括了光合作用、氧化还原反应和ATP产生等多个环节。
对于这个机理的深入研究，不仅可以为植物光合作用以及ATP产生提供更全面的认识，同时对于环境保护、生命科学等领域也具有重要的科学指导意义。
光合作用机理的研究进展
２ 光 合 作用机 理 的研 究侧 面
上 的有 机 物 开 始 大量 积 累 使 无 数生 物 的 生命 活动 得
以 直接 或 间 接 地 在 消耗 这 些 光合 产 物 的 基 础上 蓬 勃 发 展 、 变 ， 至人 类 的 出现 。 类不 仅 自身 的生命 活 演 直 人 动 要 以 由光 合 产 物直 接 或 间 接转 变 而 成 的 食 物作 为 有 机 物和 能量 的来 源 ， 而且 还在 生 产和 生 活 中大量 利 用 进行 光 合作 用 的植 物 做燃 料 和原料 。 随着社 会 的不 断发展 ， 类还 得依 赖 光合 作用 提供 的越 来 越 多 的产 人 物来满 足 自己的需 要 。所 以 ， 合 作用研 究 既在 生 命 光 科 学 中非 常重 要 ， 又和人 类 的生 存发 展 有 十分 密切 的 关 系 ，因而诺 贝尔 奖金 委员 会 １８ ９ ８年 在宣 布 光合 作 用 研 究成 果 获 奖 的 评语 中 ， 光合 作 用 是 “ 球 上 最 称 地 重 要 的化学 反应 ” 近 年来 ， 于光 合作 用 机理 的研 究 。 对
瓦 布 尔格 用 荧 光 方 法证 明 的光 合 作 用 中 光反 应 物理 的 和暗反 应 生化 的存 在 ， 瓦布 尔格 的 工作 基 础 在
一
光 合作 用 的研 究是 多方 面 的 ：从个 体 到群 体 ， 从
细 胞 到 分 子 ，从 化 学 过 程 到光 物 理 学 的 动力 学 研 究
等， 因而对光 合 作用 机理 的研 究 也是 从 多个 侧 面进 行
的， 主要有 以下 四个 方 面 ：
２１ 从 功 能 方 面研 究 光 合 作 用 的 机 理 ．
并很 快 受到 高度 重视 ， 时也取 得 了重 大成 绩 ， 同 还将 光 合 作 用机 理 与 其 生理 相 结合 进 行研 究 ， 工农 在
光合作用研究进展及应用前景
光合作用研究进展及应用前景光合作用是生物界中依靠光能转化为化学能的重要能量来源，它对于维持生命、维持生态平衡及人类的经济发展都有着巨大的意义。
近年来，随着对于光合作用的研究深入，人们对于光合作用的理解不断加深与完善，更多的应用前景也被探索。
1、对于光合作用机理的研究进展随着高通量技术、三维图像技术、超快光谱技术的引入，人们对于光合作用机理的研究正在进行深入。
目前，光合作用机理的研究主要集中在两方面，一方面是研究光合通路的各个环节，另一方面则是研究光合色素复合物的结构和性质。
在研究光合通路方面，随着最新的高通量技术和三维图像技术的引入，人们对光合通路中各个环节的构成和运作机制有了更为清晰的认识。
例如，通过使用冷冻电镜技术，人们对于光合色素复合物的三维结构有了深入的了解，这为理解这些复合物的能量传递和电荷分离等重要过程提供了重要的依据。
此外，利用超快光谱技术，人们研究了光合作用中电荷分离等过程的动力学特性，进一步深化了对于光合作用机理的理解。
2、光合作用在生产中的应用前景光合作用由于其独特的能量转化机制和可持续性，一直被人们所关注。
随着科技水平的不断提高和应用领域的不断拓展，光合作用在生产中的应用前景也越来越广阔。
目前，光合作用在生产中的应用主要集中在两方面，一方面是在粮食生产领域的应用，另一方面则是在新能源领域的应用。
在粮食生产领域，由于光合作用是植物生长和开花的能量来源，因此，人们可以利用光合作用来提高作物的产量和质量。
据研究，通过控制光照强度和光照时间等因素，可以显著提高小麦、大豆、棉花等作物的产量和品质。
此外，光合作用还可以用来改良果蔬品质，例如，通过控制光线的种类和光照强度等因素，可以提高水果、蔬菜的颜色、口感和口感等方面的品质。
在新能源领域，由于光合作用是一种可持续的能源来源，因此，人们可以通过光合作用来生产清洁能源。
例如，利用光合作用，可以将光能转化为电能或氢气，从而实现清洁能源的生产。
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综 述R evie w2002208223收到,2003202211接受。
国家自然科学基金项目(No.30170079)和国家重点基础研究发展规划项目(No.G 1998010100)资助。
3通讯作者(E 2mail :xch @ )。
光合作用氧释放机理研究进展翁 俊 徐春和3(中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所,上海200032)摘要:植物在光合作用过程中不仅为同化CO 2提供能量和还原力,同时裂解水放出氧气。
放氧反应主要由光系统Ⅱ(PS Ⅱ)氧化侧的4个锰原子组成的锰簇催化完成的。
因此,锰簇在光合放氧过程中起着至关重要的作用。
文章概述了对锰簇及其微环境的结构和功能的研究进展。
关键词:光合作用;放氧;锰簇中图分类号:Q945 61年前,Ruben 等(1941)通过质谱分析手段,证明光合作用释放的氧原子来自于水分子而不是来自于CO 2分子。
人们通过不断研究,了解到光合作用氧释放过程发生在光系统Ⅱ(PS Ⅱ)中,面向类囊体膜内腔一侧。
光合色素吸收的光能传递到反应中心P680(PS Ⅱ反应中心叶绿素a 双分子)引起原初电荷分离。
P680+从PS Ⅱ放氧复合体(OEC )中的次级电子供体Y Z (D1蛋白上161位的酪氨酸残基)接受一个电子,产生Y Z +。
Y Z +再通过结合在类囊体膜囊腔侧的锰簇从水分子接受电子。
锰簇逐步积累氧化当量,在逐次给出4个电子后,裂解水分子释放氧气和质子。
研究光合放氧机理,离不开提取PS Ⅱ放氧核心复合物,即最小的PS Ⅱ放氧活性单元。
现在,人们基本公认PS Ⅱ放氧中心复合物有7种主要蛋白组成(Ghanotakis 和Y ocum 1990),其中嵌膜蛋白有CP43、CP47、D1(30kD )、D2(32kD )蛋白、细胞色素b 559(Cyt b 559)的α(4kD )和β(9kD )亚基,外周蛋白有33kD 蛋白。
D1和D2蛋白构成PS Ⅱ反应中心的核心。
两个内周天线捕光色素蛋白CP43和CP47共同组成紧密结合的内周捕光天线色素复合物。
Cyt b 559对放氧的贡献目前还不清楚。
33kD 外周蛋白和4个锰原子组成的锰复合体结合在PS Ⅱ放氧中心复合物的类囊体囊腔侧。
33kD 蛋白对锰簇具有保护作用,又被称为锰稳定蛋白(manganese stabilizing protein ,MSP )。
除了33kD 蛋白之外,在高等植物和绿藻中另有表观分子量为23和17kD 的2个外周蛋白结合于PS Ⅱ的囊腔侧,对PS Ⅱ放氧活力的维持起重要作用。
外周蛋白并不直接参与放氧反应,也不直接提供锰簇主要的结合位点,但它们是PS Ⅱ执行完整的放氧功能的必需组分。
1 S 态模型1969年,Joliot 等用脉宽为几微秒,时间间隔为0.5s 的逐次闪光,研究经过几分钟暗适应的植物样品中氧释放量和闪光周期的关系。
Joliot 等通过加宽氧电极的表面宽度,设计出时间响应快和灵敏度高的新型极谱测氧仪,精确地测定单一闪光后的氧释放量。
他们发现经过暗适应的植物样品在第3次、第7次、第11次闪光后的放氧量达到最大值,即植物样品的放氧有四闪一周期的规律(图1A )。
1970年K ok 等提出了一个S 态模型,成功地解释了放氧四闪一周期现象。
他们认为水氧化复合物应当有5种不同的存在状态,即S 0、S 1、S 2、S 3、S 4,分别表示状态0至状态4,下标代表氧化还原当量的数目(图1B )。
反应中心每吸收一个光量子就推动水氧化复合物向下一个S 态前进一步,从邻近的水分子夺取一个电子,通过Y Z 转移给P680+。
当处于S 0态的水氧化复合物吸收4个光量子到达S 4态时,由于S 4态是瞬时过渡态,S 4态又回复到S 0态,同时放出一个分子氧气。
在正常的暗适应情况下,S 1态居多。
样品在3次闪光后到达S 4态,放氧出现最大值。
由此,K ok 的S 态循环模型成功地解释了放氧量在第3闪、第7闪、第11闪后具有最大值的现象。
通常在一次闪光后,反应中心会产生一次原初光化学反应,偶尔也会产生双闪(double hit 2ting )或缺闪(missing )现象,即在一次闪光(脉宽几微秒)后,反应中心有时会接连产生两次原初光化38植物生理与分子生物学学报,J ournal of Plant Physiology and Molecular Biology 2003,29(2):83-91学反应或不产生原初光化学反应,其对应结果是S态转换两步或者不转换。
测定样品中各反应中心的S 态转变不完全同步,经过多次积累,最终导致S 0到S 3各态的平均分布,放氧量的周期震荡就逐渐消失。
现在,我们知道各S 态实质上对应着锰簇不同的氧化还原态。
由于光合放氧需要积累4个正电荷,整个过程应当串联着4个电荷分离的步骤。
锰簇也被称为“四电子门”或“四正电荷累积器”。
放氧复合体中H 2O/O 2的氧化还原电位约为+1V ,而P680/P680+的氧化还原电位至少为+1.12V 。
因此,光系统Ⅱ可以完成光合放氧。
若要全面了解S 态的状态转换,应当在模型中图1 放氧四闪一周期现象(A )与K ok S 态模型(B )Fig.1 Oscillation pattern of oxygen evolution in flashing light (A )and K ok S state model (B )具体地描述出质子释放的每一个细节。
80年代起,人们曾借助指示介质中p H 变化的染料,结合闪光技术,来测定质子释放。
通过测定的结果,提出了许多模型(Forster 等1981)。
其中有1∶1∶1∶1模型、1∶1∶2模型和2∶1∶1模型。
与S 态的状态转换一样,人们对这些模型如今仍然莫衷一是。
我们也曾报告过毫秒延迟荧光的快相变化与水氧化的质子释放关系密切(Xu 和Shen 1984)。
任汇淼等(1996)也报告通过研究毫秒延迟荧光的快相变化,发现低温条件有利于水氧化释放的质子在类囊体上形成区域化。
由于目前还没有测定单个质子活动的专一手段,所以这一问题的解决还有待新技术的出现。
2 锰簇早在50年代,就有人通过植物营养学研究指出光合放氧与植物中的锰相关。
到了50年代末及60年代初,科学家经过仔细测定Hill 反应与锰的关系,进一步肯定了锰在光合放氧中的地位。
锰与放氧的关系的研究,还与从光合机构中抽取锰和提取组成相对确定的放氧复合体密切相关。
现已有多种方法可以用来抽取锰,如用羟胺、氰化钠、Tris 、蛋白变性剂如盐酸胍、尿素等处理叶绿体,都导致不同程度的锰释放,并抑制放氧。
高压力(250MPa )处理PS Ⅱ复合体,也可导致锰的释放(Yu 等2001)。
人们还发现锰释放动力学在各种处理下是不同的,而且与放氧外周蛋白的释放也并不完全对应。
研究发现4个锰的释放,并不是同步的。
有人发现高浓度的Tris 处理PS Ⅱ复合体(Y ocum 1981),只释放其中的2个锰;去除33kD 外周蛋白时,若没有高浓度的Cl -存在,也只释放其中的2个锰(Miyao 和Murata 1983)。
这促使科学家考虑4个锰有可能是两两成对存在的。
对于锰在放氧中结构与功能的关系的研究,始于70年代末,得益于波谱手段的发展。
人们最初用比色、原子吸收或同位素方法来研究锰的作用机制。
后来,科学家发现电子顺磁共振方法(electron paramagnetic resonance ,EPR )对于研究锰是十分有用的手段。
电子顺磁共振,也叫电子自旋共振(ESR ),是一种通过检测不成对电子(即单电子)来研究物质分子结构和组成的波谱学技术。
检测EPR 谱实质上就是测定样品在频率恒定的微波场中,吸收的微波功率与不断改变的外磁场的关系。
应用EPR 技术研究生命现象时,可以抛开EPR 本身的物理意义,而将它作为一种常规的波谱学手段如光谱来认识。
EPR 谱线的特征可以通过其形状、宽度、强度、以及g 因子表示。
g 由共振线中心的场与频率之比决定的。
在常温下,含有6分子水的[Mn (H 2O )6]2+由于锰核超精细作用,使Mn 2+能级线劈裂成6个组分(Blankenship 和Sauer 1974),具有十分明显的6线EPR 特征谱(中心位置g =48植物生理与分子生物学学报 29卷2)。
人们可以用[Mn (H 2O )6]2+的6线EPR 特征谱半定量地测定PS Ⅱ颗粒中全部锰的含量(Y ocum等1981)。
在利用这一手段进行锰定量测定中,人们逐步确定了每1个P680及2个去镁叶绿素分子对应着4个锰原子,即一个PS Ⅱ反应中心中有4个锰原子。
此外,还可以用[Mn (H 2O )6]2+的EPR 信号研究锰的氧化还原状态变化及锰释放的动力学特性。
80年代初,科学家又在叶绿体样品中发现锰的多线EPR 特征谱(Dismukes 和Siderer 1981),中心位置g =1.96。
此信号可由叶绿体样品接受一次闪光后降温至7～10K 产生,也可在195K 时对叶绿体样品持续照光产生。
此信号随闪光也产生四闪一周期的变化,其最大值产生于第1或第5闪之后,于是被认为是S 2态的标志性信号,产生此信号的锰簇中应当包含一个Mn (Ⅲ)2Mn (Ⅳ)对。
由于锰的多线EPR 特征谱的发现,提供了Mn 参与氧化还原反应的直接证据。
与此同时,人们还发现了处于S 2态的锰的g 中心位置在4.1的谱形简单的EPR 特征谱(Zimmermann 和Rutherford 1986,见图2),称为g =4.1信号。
此特征谱的产生方法与上述信号稍有不同,它在140K 下对叶绿体照光时产生,随锰的去除而消失。
在200K 下照射样品,测得的EPR 谱由g =4.1信号转换成多线特征谱。
而在150K 时,用波长为820nm 的红外光照射样品,测得的EPR 谱又由多线特征谱转换成g =4.1信号(Boussac 等1996)。
因此有人认为它是多线特征谱的前体。
在Cl -缺失或用F -、CH 3N H 2或N H 3取代时可被观察到。
Cl -对Mn 复合体EPR特征谱g =4.1信号的影响表明Cl -与维持Mn 复合体的构象有关(Haddy 等1989)。
人们对S 2态EPR 特征谱的研究与对其他S 态EPR 信号的研究相比均更为透彻。
经过科学家的不断努力,S 0到S 3态所对应的EPR 特征谱都一一被确定(图2)。
最近,又发现了一些新的与S 0、S 1、S 3态相关的EPR 特征谱。
其中,Messinger 等(1997)发现了一个S 0态的EPR 多线信号,其线宽较其他信号宽。
Dexheimer 和K lein (1992)发现了一个总宽度较宽的S 1和S 3态的EPR 信号。