紫细菌光合作用反应中心的原初电子传递和蛋白质动力学研究

光合作用是地球上最基本的化学反应，发生在反应中心的电子传递过程是光能转化成化学能的关键步骤，其反应机理一直为人们所关注。最新的研究结果表明原初电子传递反应是由蛋白质的构型运动所控制的，使人们对光合作用的根本机制有了新的认识。目前反应中心的蛋白质动力学研究只能算是刚刚起步。本项目拟在研究组前期工作的基础上以紫细菌光合作用反应中心为研究体系，围绕蛋白质动力学对原初电子传递及其它路径反应过程的影响来进行。具体将采用改变环境和温度以及分子生物学等手段来改变蛋白质的运动，并结合电子传递反应动力学的研究，探索光合作用反应中心中控制原初电子传递反应的蛋白质运动的物理起因和电子传递的普遍机制。研究结果不仅有助于回答能量势垒分布这一蛋白质科学中的基本问题，也为有效开发新型太阳能的系统和制造分子尺度的生物光电子器件提供坚实的理论基础。

项目的研究工作围绕紫细菌光合作用反应中心中蛋白质动力学对原初电子传递及其它路径反应过程的影响来进行，执行过程中严格按照计划书的内容开展。建立完善了超快激光光谱实验室并合作建立了生物样品提纯实验室。室温下多种突变体反应中心的原初反应的电荷复合过程研究，发现蛋白质动力学不仅控制了原初电荷转移过程，而且也在电荷复合过程中起着决定性的作用，使的反应中心的电荷分离态超级稳定。研究了不同缓冲剂、PH值下野生型反应中心的电荷转移过程，发现反应中心的原初反应受外界影响很小；对另一种反应中心Chloroflexus aurantiacus的研究发现蛋白质动力学模型同样适用，但是不同蛋白质结构具有不同的固有蛋白质动力学过程。采用反应-扩散模型定量地分析不活跃侧电子传递的过程，发现蛋白质动力学模型同样适用于其电荷转移过程，电子耦合强度决定了其具有较慢的传递速率和低的电荷转移量子产率。设计了多种新突变体，对于所设计的电荷转移最快的两个突变体，研究表明反应中心的电荷转移过程已经是是绝热的，这种情况下，电荷转移速率完全由蛋白质运动控制和其固有的反应势垒无关。上述系统地研究给出了个较为完整的反应中心原初电子传递过程总体描述。按计划也研究了电子传递态不涉及到叶绿素二聚体的电子传递过程，在叶绿素二聚体被氧化后，通过激发叶绿素单体或脱镁叶绿素还可以形成新的电子传递态，表明反应中心含有丰富的电荷转移路径。进一步拓展研究了人工太阳能电池体系如聚合物和染料敏化的电荷分离的物理机制，证明聚合物中激子通过激子离域化实现高效电荷分离；得到了统一描述染料敏化体系的电荷分离过程物理模型。目前总计发表SCI论文12篇（其中两篇影响因子大于10，大于3的有10篇）和EI论文1篇，圆满完成项目。