植物结构中电子阱 Z 的叶绿素 - 蛋白质（偶极）模型。Z 阱热致发光发射行为的解释

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects》：Сhlorophyll-protein (dipole) model of electron trap Z in plant structures. Explanation of the behavior of thermoluminescence emission of Z trap

　　

# 77 K 光照激发下植物结构热致发光的研究

## 摘要

研究了植物结构在77 K温度下受光照激发所产生的热致发光现象。该发光表现为一条积分Z带，其最大值出现在Tmax ≈ 118 K处。研究提出，Z陷阱是一个结构复杂的偶极体，作为一个具有多能谱和红、蓝区间双能级激发的电子中心发挥作用。它表现为Chl? + Z?…Z?…Z? + D?类型的叶绿素-蛋白质复合物。其中包含还原态叶绿素Chl?、周缘的氧化供体D?以及由一系列束缚粒子Z?（j = 1,2, …, m）构成的蛋白质组分Z?…Z?…Z?。蛋白质组分以缺陷为特征，如电子传递失败和空间分布不均匀。叶绿素Chl?提供电子系统的主要光激发，并在其还原过程中充当复合中心。电子陷阱的直接功能由子系统"蛋白质组分Z?…Z?…Z? + 供体D?"实现。Z?起关键作用，它是从叶绿素开始的第一粒子，是Chl?光激发过程中释放的电子的通用局域化中心。Z陷阱的完整光谱由Z??中心各态的叠加形成，其能量展宽取决于D?供体静电场影响的可变性。

在T?? = 77 K时的光激发氧化了Chl?。由于中心内事件，复合物从平衡偶极态转变为被激发的热致发光活跃态Chl + Z??…Z?…Z? + D?，其中光偶极体Z??…Z?…Z? + D?具有还原中心Z??。多级Z??中心的热失活导致Chl被还原，并伴随以积分Z带形式的热致发光发射。当T??点在Z带高温斜率上向"紫外方向偏移"时观察到的一系列子带Z?，是激活复合物总体中具有高氧化能量的光偶极体比例增加的结果。

研究提出了关于Z陷阱生物学功能的假说。从生物学合理性的角度来看，Z陷阱可以被视为光保护机制的组成部分。

## 引言

热致发光是有机和无机结构共有的发光现象，在这些结构中，外部光激发使电荷载体在电子子系统中发生离域。光生载流子被电子陷阱捕获并在足够低的温度下稳定。随后缓慢加热为稳定的正负电荷提供复合所需的热能，从而以光的形式释放能量。

植物结构（光合细菌、藻类细胞、叶片和高等植物的叶绿体）在80–350 K温度范围内发射热致发光，记录为Z、Z?、A、Q、B?、B?和C带。A、Q、B?和B?带组与光系统II相关，是其中发生的光合过程的结果。这些带的光暴露温度（T??）、pH、加热速率、胁迫因子和许多其他参数的依赖关系已被全面研究。关于低温光化学生物学不活跃电子陷阱Z积累了大量的实验数据。

植物物体中陷阱研究的根本缺陷是它们的物理化学本质的基本问题仍未解决——这是该领域科学分析的最终阶段。电子陷阱中心的特征参数尚未严格确定。这完全适用于Z陷阱。本研究致力于确定Z陷阱的物理化学本质及其特征参数。

## 各章节摘要

### Z带形状的Z带热致发光发射特性

最大值在Tmax ≈ 118 K的Z带是光系统PS-I和PS-II植物结构的特征（叶片组织、叶绿体、叶绿素的分离形式）。该现象在一系列实验研究中得到了详细研究（如[1]、[2]、[3]、[4]、[5]）。Z带与光化学反应无关，这通过其在光化学中心经煮沸失活的叶片中观察到这一现象得到证实[1]。该发射光谱为……

### Z陷阱的物理化学模型

Z陷阱是一个结构复杂的偶极体，作为一个具有多能谱和红、蓝区间中心内双能级激发的电子中心发挥作用。该偶极体可表示为Chl? + Z?…Z?…Z? + D?形式的叶绿素-蛋白质复合物。它由还原态叶绿素Chl?、一系列蛋白质粒子-介导者Z?和氧化周缘供体D?组成。电子陷阱的角色直接由"蛋白质组分Z?…Z?…Z? + 供体D?"承担。

### 基本Z带和导数Z?带行为的解释

在Z带以下温度区域（如在液氮温度T?? = 77 K）进行光激发后，具有氧化能分布EZ? = EZ? + ΔE?（图3）的Z?中心在所有陷阱组分中发生中心内转变至填充态Z??。以Z带形式发射的热致发光是从具有最低氧化能EZ? = EZ? + ΔE?的粒子开始，对Z??中心进行依次热氧化的结果……

### Z陷阱的特征参数

借鉴半导体物理学的方法已广泛应用于估算生物结构中电子陷阱的参数。然而，文献中仍缺乏系统的、允许明确判断特定方法使用正确性的数据，这些判断需根据电子陷阱的动力学特性来确定。特定理论模型[10]的使用导致活化能Et和频率因子ν?被高估（综述[6]）。应用……

### Z陷阱

文献中报告的Z陷阱实验光谱存在一些方法学上的缺陷。在文献[19]中，光谱以非线性温度坐标给出。在文献[3]中，热致发光光谱仅在高温段被记录。从文献[5]中用于分析的光谱（图1，曲线a、b）也表现出异常——发射强度在带发光的起始点超过了衰减区域的强度。

## 结论

基于对实验数据的分析和理论建模，可以得出以下结论：

1. 提出了一种新的物理模型来解释光合系统中宽热致发光Z带的本质。该模型的关键公设是将Z陷阱表示为一组沿长度分布的Chl? + Z?…Z?…Z? + D?类型的叶绿素-蛋白质偶极体，能够在红……条件下通过中心内激发发生转变

## CRediT作者贡献声明

М.А. Rizakhanov：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式化分析，数据管理，概念化。

## 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文中报告的工作。

М.А. Rizakhanov

达吉斯坦国立医学院，俄罗斯马哈奇卡拉 367001