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光合作用被认为是地球上最重要的化学反应，为生物生存提供了物质基础。天然光合作用体系拥有高效的原初能量传递和电荷转移机制，以及完善的自我保护机制，是创制人工模拟分子器件和探索新能源途径的理想蓝本。本论文围绕着高效光能利用和光保护作用机制，运用飞秒时间分辨光谱、闪光光解、超瑞利散射光谱、稳态拉曼光谱、变温荧光光谱并结合三维蛋白结构模拟等手段，研究了若干源自紫色光合细菌和藻类的关键色素-蛋白复合物的激发态能量传递和电子转移过程，探讨了色素分子的光物理性质及其构型和排布方式对捕光、传能和光保护功能的影响。主要结果归纳如下：
一、嗜热菌Tch.tepidum的两种核心复合物构造体的结构与动力学研究
自然状态下，紫色光合细菌Thermochromatium(Tch.) tepidum的核心复合物(LH1-RC)中细菌叶绿素(BChl口)的Qy吸收峰值波长为915 nm，在Ca2+被去除或被其它二价金属离子取代的状态下，该吸收谱带蓝移到889 nm；向889-nm样品中加入Ca2+可使Qy带恢复到915 nm。令人感兴趣的足：Ca2+的结合与该嗜热菌的高热稳定性(生长温度～50℃)有怎样的关联？Ca2+如何调控BChlα的吸收波长？Qy吸收处于915 nm和889 nm的两种不同LHI-RC中激发态能量传递和电荷分离动力学过程有何不同？
Ca2+与LHl-RC的相互作用机制。针对前两个问题，我们通过稳态拉曼光谱、变温荧光光谱并结合三维蛋白结构模拟等手段对比研究了915-nm和889-nmLHI-RC构造体的热稳定性、BChlα分子结构、以及脱辅基蛋白构象。结果表明(i)915-nm构造体比889-nm构造体的热稳定性高～20℃；(ii) LHI中β多肽的残基β-Trp-8与BChlα分子的C9/C10a羰基氧之间存在氢键；(iii) LH1中α多肽的C末端存在一个Ca2+的特异结合位点，Ca2+结合后引起BChlα分子构型变化(卟啉环扭曲)和脱辅基蛋白的构象变化，并导致BChl-BChl激子相互作用强度的变化，这些分子与电子结构因素是BChlα长波吸收(915 nm)的内在原因。
LHI-RC中BChla的电子结构及其传能和电荷分离过程。超快时间分辨光谱研究表明(i)类胡萝卜素(Car)向BChlα传能的途径为Car(S2，S*)→BChlα(Qx)，传能效率(～20％)低于其它菌种(～35％)；(ii)对915-nm和889-nm两种构造体而言， LH1→RC传能时间尺度没有明显差异：当RC处于“open”状态时，时间常数为50～60 ps，与常见嗜温菌种(生长温度～30℃)的情况大致相同。因此，尽管吸收处于近红外区，LH1仍然可高效捕光和传能；(iii)该复合物含有局域能量相差240 cm-1的两类BChlα分子，二者之间的传能时间常数小于100 fs，并且相对于915-nm构造体而言，889-nm构造体中的高能BChlα分子寿命稍长；(iv)两种构造体中BChlα与Car分子的相对取向存在细微的差异。这些结果意味着紫色光合细菌的核心复合物具有耐受结构扰动的本领，即在一定结构变化范围内可保持完整的生理学功能。
上述结果加深了对自然体系如何高效利用近红外光的认识。
二、用超瑞利散射探测生理条件下光合色素-蛋白复合物的拓扑结构
类胡萝卜素分子的链状π共轭电子使其具有较大的一阶超极化率(β)，我们利用这一特点通过超瑞利散射光谱技术(HRS)研究了Tch. tepidum的LH1-RC、LH2、RC三类色素-蛋白复合物，以及这些复合物在载色体(chromatophore)中的宏观结构对称性。LH1-RC、LH2和RC的β值分别为～10000x10-30 esu、～0 esu和～500x10-30 esu，光合膜的β值为～10000×10-30 esu。基于已知的结构信息，我们通过理论模拟研究了Car分子排布方式对HRS信号的影响。实验和理论结果表明，光合膜的HRS响应几乎全部源自LH1复合物，LH1在生物活体内是存在一个缺口的椭圆结构。该工作第一次将超瑞利散射光谱技术用于考察光合作用色素一蛋白复合物的拓扑结构。
三.假根羽藻细胞色素Cyt bf中叶绿素的三重激发态动力学及其光保护机制
我们采用非离子型DDM和β-OG以及阴离子型SDS等三种表面活性剂从假根羽藻中制备了细胞色素Cyt b6f；并利用不同的表面活性剂调控其结构完整度(DDM优于β-OG优于SDS)。闪光光解和近红外发光实验结果表明(i)结构完整度和酶活性越高的Cyt b6f中3Chl a*量子产率越低(分别为0.02、0.12和0.20)，并且1O2发光强度越弱；(ii) Car与Chlα因为相距太远(～14 A)而不能发生有效的Chlα-to-Car三重态能量传递；(iii)受到光激发后，Cyt b6f通过猝灭1Chlα*来减少3Chlα*产量，从而避免生成过量的有害1O2，但1Chlα*猝灭的分子机制还有待于进一步解明。该工作通过对1O2和3Chlα*的直接探测，指出了Cyt bf的结构完整性对其光保护功能的重要作用。
四、氢键桥联组装体系的光诱导电子转移动力学
我们运用飞秒时间分辨吸收光谱研究了通过四氢键结构单元桥联组装的N，N-二甲基苯胺-蒽“给-受体”体系(I～VI)的光诱导电子转移过程，观测到UPDMA-UPAN(体系I)和UPDMA-UPETAN(体系II)中的单重激发态电子转移过程，速率常数为2～5x108 s-1；我们还通过闪光光解手段观测到蒽的阴离子信号，寿命为0.1～1.0 ms，表明电荷分离过程中的复合现象得到了有效的抑制。对体系I～VI的对比研究发现：在受体(蒽)与四氢键结构单元之间引入亚甲基或乙基从而改变桥体长度，可调控给体(N，N-二甲基苯胺)向受体的电子转移过程。结果对设计长寿命光诱导电荷分离分子组装体系有一定参考价值。