揭秘!光合作用產氧關鍵步驟原來是這樣

光合作用的研究始於17世紀。經過數百年的研究,我們雖對光合作用各步已有不少瞭解,然而對於光合作用涉及的電荷轉移及其伴隨的分子級別層面的變化,認識還十分有限。

由美國勞倫斯伯克利國傢實驗室Junko Yano研究員和Vittal K. Yachandra研究員領銜的研究團隊揭示瞭藍藻T. elongatus光合作用中產氧關鍵步驟在分子層面的圖像。該過程隸屬光合作用起始階段(圖1紅色虛線),涉及電子、質子傳遞和水氧化產氧。相關研究成果已發表於《美國科學院院報》(PNAS)上。

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圖1. 光合作用光反應過程。本文研究的過程涉及氧化水產生氧氣(紅虛線)。

光合作用中光解水釋放氧氣的過程需要一種放氧復合體——含錳簇合物Mn4CaO5的參與。這種簇合物在光解水過程中通過氧化還原歷經五種中間體S0-S4(圖2)。本工作所研究的S2→S3過程是公認的產氧反應中最困難的一步。

揭秘!光合作用產氧關鍵步驟原來是這樣
圖 2.光合作用光系統II中的光化學反應流程示意圖。右側展示Mn4CaO5簇合物參與氧化水分子前後分子構型變化。橘球X:O2-或OH-;黃球:Mn3+;紫球:Mn4+;綠球:Ca2+;紅球:O;W1-W4:配位水分子。E189:谷氨酸碳端。

作者們利用美國國傢加速器實驗室(SLAC)的直線加速器相幹光源X射線激光技術揭示瞭光反應中S2→S3的分子級別微觀過程(圖3)。

這種超快X射線技術可瞬時記錄催化中心Mn4CaO5及其周圍環境在光照後不同時間的結構。通過對比各時間下的結構演變,研究者們推導出S2→S3反應分三步。首先,光照後50 µs內Mn4CaO5鄰近的谷氨酸E189碳末端遠離Mn4CaO5。

隨後的100 µs內,Mn4CaO5中Mn1和Mn4相對遠離。與此同時,從O1通道進入的一個水分子取代與Ca相連的水分子W3,迫使後者解離為質子和Ox(O2-或OH-)。最後100 µs內,Ox與Mn4CaO5中的Mn1和Ca相連,並質子化後同谷氨酸E189以氫鍵作用,形成S3。此三步不斷重復,Ca上的W3水分子持續被新進入的水分子替換,從而維持後續氧氣生成。

揭秘!光合作用產氧關鍵步驟原來是這樣
圖 3. 光合作用產氧關鍵步驟S2→S3過程。右側為水分子與Mn4CaO5簇合物的交互。圖源:PNAS。

本文所揭示的過程僅是光合作用紛繁過程的冰山一角。作者們希望今後利用SLAC的超精細表征手段並與其他機構合作最終闡明光合作用全過程的分子級別圖像。

更多細節請見原文:

https://www.pnas.org/content/early/2020/05/19/2000529117

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