在光合作用中番茄红素对叶绿素a的影响

陈晨 高爽 常艺 王德鑫 刘平

摘要：研究了叶绿素 a（Chl-a）和番茄红素混合溶液在溶剂中的吸收光谱和荧光光谱。在光合作用中番茄红素通过调节能量流转移，从而减少叶绿素 a的荧光程度。当溶解在二氯甲烷中时，随着番茄红素浓度的增加叶绿素 a呈现出吸收光谱增强和荧光光谱减弱，这也就意味着叶绿素 a的构象发生变化。

关键词：叶绿素a，番茄红素，吸收，荧光，淬灭

1 引言

在光合作用中叶绿素、类胡萝卜素等光合色素能够起到吸收和传递光能的作用，从而为生物提供能源，来持生物体的碳氧平衡[1-2]。类胡萝卜素的独特之处在于它的功能的是多样性，参与了动物和人类的大部分过程。在这些过程中，胡萝卜素能够预防夜盲症和预防衰老，避免皮肤的上皮细胞发生角质化，对经常使用电脑或者手机的人群有一定的好处[3]。

类胡萝卜素在光合作用中起着不可替代的作用，比如通过单态能量转移进行光捕获或者通过与叶绿素的三重态淬灭相互作用以达到光保护的作用。虽然对类胡萝卜素与叶绿素的相互作用已经研究几十年了，但能量耗散过程的分子机制仍然存在一定的争议。类胡萝卜素是一种含有电子的共轭双键的烯烃分子，其结构和组成相对来说比较复杂，如果只是单纯的通过分析类胡萝卜素和叶绿素的分子结构，来推断光合作用中两者的性能是不可能的。所以本文采用类胡萝卜素中的一种番茄红素，来研究其对叶绿素a的吸收光谱和荧光淬灭的影响。

2 实验部分

样品：叶绿素、番茄红素;溶液为二氯甲烷。测量吸收光谱的由型紫外-可见光分光光度计，步长。激发光是，波长为。荧光信号垂直于激发光接收。测量的温度为室温。

3 实验结果与讨论

叶绿素在可见光区域的吸收光谱显示有两个吸收峰，分别位于640-660nm和410-430nm，叶绿素的种类不同两个位置的吸收峰也会有差异。如图1所示，在二氯甲烷溶液中的叶绿素和番茄红素的混合溶液的吸收光谱，显示随着番茄红素浓度的增加，光谱重叠越多，其，和吸收峰有很明显的提高。番茄紅素是纯的碳氢化合物，也是一种典型无环四帖化合物，其它的类胡萝卜素可以通过在番茄红素的基础上加氢、氧、环或者氧化衍生而来。当番茄红素的浓度增加，溶剂中番茄红素与叶绿素a分子之间的距离更近，更加有利于能量转移。

叶绿素a的荧光会随着番茄红素浓度的增加会出现淬灭的现象（图2）。类胡萝卜素具有的两个重要的吸收和能量转移的激发电子态，S1和S2。关于类胡萝卜素对称效应的研究显示，其S0-S2的电子跃迁是被允许的，但是由于S1态在理想化的C2h点群中具有Ag对称性，S0-S1电子跃迁是不能够实现的，所以S1态没有办法直接测量。番茄红素淬灭叶绿素a的激发单态主要通过三重态湮灭、电子转移和增强的内部转换这三种途径。在激发单态番茄红素与叶绿素a相互作用时，能量主要用作能量转移或电子转移这两个过程 [4]。番茄红素含有11个共扼双键及2个非共扼双键，其S1态将低于叶绿素a。在这种情况下，电子转移更加适合反应过程[5]。此外，番茄红素的电离电位比较低，更容易成为电子供体，叶绿素a则变成电子受体。这样就会产生Chl–和Car+，而在这个电荷转移的过程中，也会有Chl+产生。因此Chl+·Chl–的产生就会导致叶绿素a的荧光淬灭。当番茄红素浓度增加时，电子供体会增加，非发光的激基复合物中间体也会增多，叶绿素a的荧光程度就会呈现减弱的趋势。

4 结论

在光合作用过程中，吸收和荧光光谱显示番茄红素具有有效的淬灭作用。增加番茄红素的浓度可以降低叶绿素a荧光程度。在光合作用中，叶绿素a与番茄红素相互作用形成非发光的激基复合物中间体。

参考文献

[1] N. H. Lewis，N. L. Gruenke，T. A. Oliver，M. Ballottari，R. Bassi，G. R. Fleming，Observation of Electronic Excitation Transfer Through Light Harvesting Complex II Using Two-Dimensional Electronic–Vibrational Spectroscopy， J. Phys. Chem. Lett. 7（2016） 4197-4206.

[2] A. Gall，A. A. Pascal，B. Robert， Vibrational techniques applied to photosynthesis： Resonance Raman and fluorescence line-narrowing，BBA-Bioenergetic，1847（2015） 12-18.

[3] J.Nolan，K.Meagher，S.Kashani，S.Beatty，What ismeso-zeaxanthin，andwhere does it come from？ Eye 27 （2013） 899–905.

[4] G.S. Beddard，G. Porter，Concentration quenching in chlorophyll，Nature 260 （1976）366–367.

[5] J.P. Connelly，M.G. Müller，R. Bassi，R. Croce，A.R. Holzwarth，Femtosecond transient absorption study of carotenoid to chlorophyll energytransfer inthe light-harvesting complex II of photosystem II + ，Biochemistry 36 （1997） 281–287.

作者简介：

陈晨，女，汉，1994年5月生，吉林省公主岭，研究生，助理工程师，研究方向： 物理。