光合作用水解放氧的結構基礎
日期:2019-12-02 19:32:05

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光合作用過程中,光系統II核心復合體接受來自外圍捕光復合體II(LHCII),次要捕光復合物葉綠素結合蛋白(CP29、CP26和CP24))的激發能,以誘導稱為P680的特殊葉綠素發生電荷分離,實現光能到電能的轉化。這一復雜的光物理過程是由PSII的許多蛋白質亞基和各種輔助因子,包括葉綠素、類胡蘿卜素、一個Mn4CaO5簇、一個血紅素、質體醌和脂質體共同完成的。目前比較常見的說法是PSII核心蛋白復合體發生電荷分離后會將電子傳遞給脫鎂葉綠素(Pheo),PSII核心復合體會形成“電子陷阱”,進而PSII的另一個特征功能特性發揮作用,通過Mn4CaO5簇蛋白誘導水氧化反應從水分子中奪取電子。PSII核心復合物的電子傳遞給原初電子受體,并從原初電子供體H2O中獲取電子,實現了光合電子傳遞的起始步驟。為了更好的理解電子傳遞鏈的起始過程,本文將從放氧復合體的結構模型展開,希望能給廣大讀者以新的啟示。

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光合放氧的高等植物和藻類PSII都有放氧復合體結構。1998年H. Schiller 等人用X射線吸收光譜研究了高等植物(菠菜)和單細胞綠藻(Scenedesmus obliquus )PS II處于暗穩定狀態(S1-state)結構,其中一個發現就是綠藻和高等植物的PS II錳簇復合物的結構和取向高度相似或完全相同

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放氧復合體工作時存在中間體最早可以追溯到1955年ALLEN和Franck發現在黑暗中光合機構接受單次閃光并不釋放氧氣。在之后的1965-1969年間P.Joliot通過改進的極譜技術對這種放氧失活的現象進行了研究,認識到放氧失活現象為光化學產生的中間體穩定性有限。1970年,Kok,B.在前人研究的基礎上研究了分離的葉綠體在弱光和閃光下的氧氣釋放,分析光和氧氣釋放,中間體及其在黑暗中衰變的關系,得出閃光總是產生與前體或氧氣相同數量的氧化當量。每個光化學中心在穩態光合作用中存在的不穩定前體當量數= 1.2四個光化學過程形成的氧化當量的協同作用基本上發生在各個反應中心,最終的O2釋放步驟是一個量子過程。數據與線性四步機制吻合,在該線性四步機制中,反應中心或相關的催化劑(S)連續累積四個電荷。S4狀態產生O2并返回到基態S0。除了S0態,第一氧化態S1在黑暗中也是穩定的,兩個較高的態S2和S3不穩定。他們還估算了一些光氧化步驟的時間。最快的反應可能是S1*-S2),半衰期時間小于等于200μs。S2狀態,可能還包括S0*狀態的處理速度會稍慢一些(≈300-400 μs)。

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上世紀九十年代初的諸多研究結果顯示S0-S1和S1-S2躍遷都涉及錳的氧化。1998年Lucia Iuzzolino用X射線吸收光譜研究光系統II膜顆粒的結果也建議將水循環中的S2-S3 狀態變化歸因于放氧復合體的錳氧化。提出光合作用的放氧反應與PS II錳簇復合物中四核錳配合物的四種不同氧化態循環有關。

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1999年匡廷云院士團隊根據前人的研究提出新的放氧復合體結構模型及放氧機理。兩個H2O分子在“ C”形簇的開口端與兩個錳離子(Mn1II和Mn4III)不對稱結合,并保持相當大的距離。兩個組氨酸殘基通過咪唑的氮原子與處于較高氧化態的另外兩個錳離子(Mn2IV和Mn3IV)配位。作為末端配體結合到Mn4III的Cl連接到Ca,后者需要通過oxo橋連接羧酸配體來維持兩個Mn2O2單元的特殊構型。放氧中心的整體結構是不對稱的。新的放氧機理可以預測兩個H2O分子的不對稱氧化,放氧中心的動態結構變化和間接質子傳遞。

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之前的大多數研究都是在推測放氧復合體錳簇蛋白的狀態及其結構,KennethSauer等人在2005年的綜述文章系統總結了在那之前借助X射線吸收光譜(XAS)、X射線發射光譜(XS)、共振非彈性X射線散射(RIXS)和擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)研究的成果,提出了較為清晰而詳細的PS-II中錳簇放氧復合體及其內部各元素分布的模型。


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由O原子橋接的4個Mn原子的簇內排列示意圖

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由O原子橋接的4 Mn和1 Ca的簇內排列與Mn-和Sr-X射線吸收精細結構二色性一致

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2004年3月19日,Kristina N等人在Science上發表題為Architecture of the PhotosyntheticOxygen-Evolving Center的文章。報道了在3.5?分辨率下細長嗜熱聚球藻的PSII結構,描述PSII輔助因子結合位點,提出一個新的放氧復合體(OEC)的結構。Kristina N認為放氧復合體含有一個類似立方烷的Mn3CaO4團簇并通過mono-μ-oxo橋連到第四個Mn原子。


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Kristina N提出的放氧中心(OEC)模型

 (A)具有側鏈配體和可能具有催化作用的重要側鏈殘基的OEC的立體圖。Mn離子,Ca2+和氧原子分別以紅色,青色和紅色顯示。OEC一種未鑒定的非蛋白配體以綠色標記。蛋白質主鏈顯示為淺灰色;側鏈和碳原子遵循蛋白質亞基的顏色(D1,黃色; CP43,綠色)。σA加權2 [Fo]-[Fc]密度顯示為輪廓為1.5σ的淺藍色絲網。1.89340?(Mn邊緣,輪廓為10σ)和2.25430?(高亮Ca2,輪廓為7σ)的異常差異傅立葉圖分別顯示為紅色和藍綠色。(B)與(A)相同,但繞y軸逆時針旋轉40°。(C)OEC的示意圖。 D1,D2和CP43亞基中的殘基分別以黃色,橙色和綠色顯示。 X1,X21和X22是與Mn4(X1)和Ca2+(X21和X22)可能存在的底物水結合位置,這是根據非蛋白質配體的位置以及Mn和Ca2+離子的配位方式確定的。在當前分辨率下不可見但可能的水分子顯示為W。可能的氫鍵顯示為淺藍色虛線。(D)活性部位和管腔之間的親水途徑(藍色箭頭)。殘基的顏色與(B)相同。

 

Kristina N水氧化機理。在Kristina N之前的研究表明緊密結合的Ca2+靠近Mn離子是水氧化機理的先決條件。在S狀態循環中,只有一個Mn離子與底物水分子結合,并且在形成雙氧之前會生成高活性的親電中間體,即Mn(IV)氧基或Mn-oxo基。Pecoraro等人的觀點也支持Mn(V)參與水氧化。Kristina N的OEC結構強烈表明Mn4是這種反應性Mn離子。實際上,在Kristina N的電子密度圖中檢測到Mn4的X1位置在水氧化反應過程中可能被水分子或氧氣中間體占據。根據上述機制,提出O = O鍵的形成是由于金屬離子與Ca2+連接的第二底物水分子的親核攻擊而發生的,其中該金屬離子還可能部分充當弱路易斯酸,并受Mn3簇和Cl-配體的輔助。在Kristina N的結構中,接近X1位點的Ca2+離子 X21或X22配體似乎是第二底物水分子的理想結合位。附近的殘基D1 Gln165和CP43 Arg357可在形成O=O鍵之前提供氫鍵以穩定中間體。實際研究中發現,CP43 Arg357突變為絲氨酸完全抑制了氧氣的釋放并阻止了光合養生物的生長。

 

在這之前的研究認為,水的氧化涉及質子耦合電子轉移到TyrZ自由基,TyrZ和D1 His190之間的氫鍵不僅對穩定TyrZ至關重要。而且還為水氧化產生的質子提供出口通道。TyrZ靠近水的氧化位點,并且還可以為反應中間體提供氫鍵。但Kristina N研究表明質子更有可能通過另一條途徑逸出。水分子和一些殘基(包括Glu189)可以將假定的水氧化位點與質子通道連接,該質子通道由將D1 Asp61(與Mn4緊密相關)連接到腔表面的極性殘基形成,而無需位于OEC的另一側TyrZ和D1 His190參與。

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以上的研究讓我們對PSII放氧結構有了比較清晰的認識,但受于分辨率的限制,仍有很多細節不能確定。2011年5月5日,日本的科學家Yasufumi Umena在Nature雜志上發表題為Crystal structure of oxygen-evolving photosystemII at a resolution of 1.9 ?的研究文章,以嗜熱藍藻為研究對象,將PSII放氧復合體的結構解析提升到一個新的高度。通過對光系統II的晶體結構1.9 ?分辨率的分析,Yasufumi Umena找到了Mn4CaO5團簇的所有金屬原子及其所有配體。發現五個氧原子充當了連接五個金屬原子的oxo橋,并且四個水分子與Mn4CaO5團簇鍵合。它們中的一些可以用作形成雙氧的底物。在每個光系統II單體中識別出1300多個水分子。其中一些形成了廣泛的氫鍵網絡,可以用作質子,水或氧分子的通道。PSII的高分辨率結構揭示了Mn4CaO5團簇及其氧橋和配體以及四個結合的水分子的幾何排列。這為揭示水分解和O = O鍵形成的機理提供了基礎。此外,該研究對氨基酸側鏈和輔因子的精確排列的確定使我們對PSII內發生的能量遷移,電子轉移和水分解反應有扎實的結構理解。

 

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Yasufumi Umena提出的Mn4CaO5團簇結構模型

a,與Mn4CaO5團簇相關的單個原子確定。團簇結構與錳/鈣原子5σ輪廓的2Fo- -Fc圖(藍色)以及氧原子/水分子7σ輪廓的縮略圖(綠色)重疊。b,金屬原子與氧oxo或水分子之間的距離(單位為?)。c,每對錳原子之間的距離。d,錳和鈣原子之間的距離。e,Mn4CaO5簇及其配體環境的立體圖。所示距離是兩種單體之間的平均距離。錳,紫色;鈣,黃色;氧氣,紅色; D1,綠色; CP43,粉紅色。

 

Yasufumi Umena的研究結果將放氧復合體中四個錳原子和單個鈣原子的電子密度被確定并清晰地分辨出來,鈣原子的電子密度低于錳原子的電子密度,這使我們能夠清楚地識別單個原子。另外,發現了五個氧原子作為oxo橋,連接了縮略圖中的五個金屬原子。在這五種金屬和五個氧原子中,三個錳,一個鈣和四個氧原子形成了類似立方烷的結構,其中鈣和錳原子占據了四個角,而氧原子則占據了另外四個角。類立方烷結構中氧和鈣之間的鍵長通常在2.4-2.5?范圍內,而氧氣和錳之間的鍵長在1.8-2.1?范圍內。但是,在立方烷一角的一個氧(O5)與鈣之間的鍵長為2.7?,而O5與錳之間的鍵長為2.4-2.6?。由于鍵長的這些差異,Mn3CaO4類立方烷不是理想的對稱結構。

 

第四錳(Mn4)位于類立方烷結構之外,并通過O5與類立方烷結構內的兩個錳(Mn1和Mn3)相連,通過第五氧(O4)以雙-μ-oxo橋與Mn3連接。Mn4CaO5團簇的整體結構類似于變形的椅子,不對稱的類立方烷作為椅子底座,孤立的Mn4和O4作為椅子的靠背。

 

Mn4CaO5團簇的最重要的結構特征就是扭曲的椅子形式,這對于闡明水分解反應的機理可能很重要。該研究的很多結果顯示,大的變形主要是由Mn4CaO5簇中鈣和O5的存在引起的。O5和金屬原子之間的距離明顯更長,表明相應的鍵很弱,因此O5的負電荷可能比oxo橋中正常氧原子的價低。這反過來表明,O5可能以氫氧根離子的形式出現在S1狀態,并可能為形成雙氧提供底物之一。因為W2和W3都在與O5氫鍵結合距離之內,所以這兩種水之一可能會提供另一種底物。

 

由于在Kok循環中S0和S1之間的躍遷最快,因此在此躍遷期間釋放的質子可能會被D1-Tyr 161(又稱YZ)接受,并通過質子耦合電子轉移使其質子化。W3比O5更接近YZ,可能比O5更適合作為質子釋放基團。因此,在S1狀態下,W3而不是O5,可能是氫氧離子,這表明W2和W3之間可能會形成O=O鍵。無論如何,我們的結果表明O=O鍵的形成發生在O5,W2和W3三種中的兩個間。

 

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YZ附近的氫鍵網絡

a,YZ附近的氫鍵(D1-Tyr 161)。金屬原子和水配體之間的鍵以實線表示,氫鍵以虛線表示。距離以?表示。b,從Mn4CaO5團簇通過YZ到管腔體的氫鍵網絡。參與氫鍵網絡的水分子以橙色表示,而未參與氫鍵網絡的水分子以灰色表示。左上角的綠色區域代表腔體表面。PsbV,淺黃色;其他顏色代碼與前面的相同。OEC,放氧復合物。

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兩個Cl-結合位點的結構

a, 兩個Cl-離子的位置。藍色網孔,在0.9?的波長下測得的輪廓為4σ的2Fo-Fc圖;橙色網格,在1.75?波長下測量的輪廓為8σ的異常差分傅立葉圖。左上角的小密度來自D1-Met 328的硫原子。距離以?表示。b,從Mn4CaO5團簇通過Cl-1結合位點到腔體的氫鍵網絡。 c,從Mn4CaO5團簇通過Cl-2結合位點到腔體的氫鍵網絡。顏色代碼與前面相同。

 

放氧復合物(OEC)是一種天然酶,可在自然條件下光合作用中催化水的氧化,產生地球上絕大多數生物生存所必需的氧氣。正因如此,科研人員對自然界這一最偉大反應的探索從未停止。

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2015年1月,Nature雜志在線發表了來自日本岡山大學(第一單位)沈建仁課題組與合作者題為“Native structure of photosystem II at1.95 ? resolution viewed by femtosecond X-ray pulses”的研究論文,該研究使用自由電子激光(SACLA)技術解析了嗜熱藍藻的PSII的S1狀態的“無輻射破壞”結構,其分辨率為1.95?。通過對OCE高分辨率的解析,研究人員認為在S1狀態,O5是氫氧離子而不是氧陰離子(去質子化的氧)。O5的不尋常特性以及在S1狀態下是OH-離子的指向表明,它在S0狀態下是水分子。從S0過渡到S1時,質子從O5位置釋放,導致S1狀態的OH-產生。O5為形成O = O鍵提供了底物水分子之一,這與17O電子-電子雙共振檢測NMR實驗一致。O5的參與,水氧化反應中O = O鍵的形成可以在O5與附近的另一個氧原子之間進行,這可能是一個新插入的水分子。基于上述結果,研究人員指出行程O=O的第二個氧原子可能由已經存在的末端水配體W2或W3其中之一提供,因為兩者W2和W3在與O5氫鍵結合的距離之內,因此可能能夠在S態過渡期間移向O5以形成O=O鍵。該成果為氧氣釋放的機理提供了結構基礎,同時將為水氧化人工催化劑的設計提供藍圖。


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2015年沈建仁在文章中提出的可能的放氧反應機理

S1狀態的O5同時連接到Mn1D(III)和Mn4A(III)。從S1過渡到S2時,電子可能會從Mn4A中脫離,從而導致右側開放結構(“ R型”),或者從Mn1D中脫離,從而導致左側開放結構(“ L型”)。兩種結構都允許在隨后的S狀態過渡過程中插入新的水分子,為即將形成O = O鍵(由底部右側結構中的紅色鍵表示)之前的過渡狀態做準備。或者,可以通過將W2或W3移向O5來準備好形成O = O鍵的過渡狀態(由底部左側結構中的橙色箭頭指示)。灰色:錳;藍色:鈣;紅色:oxo氧;黃色:O5;橙色:水。

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2017年沈建仁在文章中提出的可能的放氧反應機理

OEC中O = O鍵形成和質子轉移途徑的可能機制。虛線圓圈表示與O4鍵合的水(W567)H附近的水分子(W665)的位移,這導致W567接近O4。虛線箭頭表示質子轉移的可能途徑。用紅色虛線包圍的兩對氧原子代表O = O鍵形成的可能位點,而O5和O6之間的氧原子距離更短,因此代表了O = O鍵形成的實際位點。

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2017年3月,Nature雜志在線發表了來自日本岡山大學(第一單位)沈建仁課題組與合作者題為“Light-induced structural changes andthe site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL”的研究論文,該研究使用使用X射線自由電子激光(XFEL)技術捕捉到了光激發和黑暗狀態下PSII復合物的結構,發現了Mn4CaO5簇在水光解過程中的結構變化,更加細致的分析了放氧復合體的結構。結果顯示,在OEC周圍的區域中,距離Mn4CaO5簇3.5?的水分子在兩次閃光照明下從圖中消失了。這縮短了另一個水分子與氧原子O4之間的距離,說明質子轉移也發生了。重要的是,兩次閃光減去暗處同構差異傅立葉圖顯示了O5附近的明顯正峰,而位于Mn1和Mn4準中心的是獨特的μ4-oxo橋。這表明在O5附近插入了一個新的氧原子(O6),這兩個氧原子之間的O = O距離為1.5。這為O = O鍵的形成機制提供更為細致的解釋。從分子水平上揭示出氧氣形成的可能機理。

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2019年10月18日,Science雜志刊登日本岡山大學沈建仁團隊最新研究成果,在標題為An oxyl/oxo mechanism foroxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser的文章中,研究人員將SACLA X射線自由電子激光(XFEL)設備產生的量子束照射到光系統II晶體上,分析了S1,S2和S3狀態的PSII結構。在S2中未發現水的插入,但是在S2過渡到S3時D1 Glu189的翻轉會導致水通道的打開,并提供了一個用于插入其他氧配體的空間,從而導致開放的Mn4CaO6簇與oxyl/oxo橋。PSII在不同S狀態之間的結構變化揭示了光合水氧化過程中底物水通道,質子釋放和雙氧形成的協同作用。


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PSII中的供水網絡

OEC周圍有五個氫鍵結合的水網絡。所示氫鍵的上限距離為3.3。 CL1和CL2代表在OEC附近發現的氯離子。

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OEC的示意圖結構以及S1-S3狀態中O1和O4通道的狀態

 可將來自O1通道的水分子摻入S3中的O6中,或重新填充水分子以等待下一個催化反應。

 

綜上所述,光合作用光系統II(PSII)放氧復合體的結構解析經歷了由最初的推測有中間體存在,到放氧過程放氧復合物存在S0-S4五種狀態,再Mn3CaO4團簇中的原子定位,直到目前水氧化位點,O=O形成位點的確定。PSII氧化水生成氧氣過程清晰和系統的研究為PSII供體側反應,質子產生,氧氣釋放的機理有了更新的認識,為合成氧化水的人工催化劑提供了扎實的理論基礎,意義深遠。


由于相關研究內容非常專業,難免有些理解不準確或者編輯整理的疏漏,請以英文原文為準。



參考文獻

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3Schiller, H., et al.(1998). "Structure and orientation of the oxygen-evolving manganesecomplex of green algae and higher plants investigated by X-ray absorptionlinear dichroism spectroscopy on oriented photosystem II membraneparticles." Biochemistry (Moscow) 37(20): 7340-7350.

4Zhang, C., et al. (1999)."New structure model of oxygen-evolving center and mechanism for oxygenevolution in photosynthesis." Chinese Science Bulletin 44(24): 2209-2215.

5Ferreira, K. N., et al.(2004). "Architecture of the photosynthetic oxygen-evolving center."Science 303(5665): 1831-1838.

6Sauer, K., et al. (2005)."X-ray spectroscopy of the Mn 4 Ca cluster in the water-oxidation complexof Photosystem II." Photosynthesis Research 85(1): 73-86.

7Umena, Y., et al. (2011)."Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of1.9 ?." Nature 473(7345): 55.

8Suga, M., et al. (2015)."Native structure of photosystem II at 1.95 ? resolution viewed byfemtosecond X-ray pulses." Nature 517(7532): 99.

9Suga, M., et al. (2017)."Light-induced structural changes and the site of O= O bond formation inPSII caught by XFEL." Nature 543(7643): 131.

10Suga, M., et al. (2019). "An oxyl/oxo mechanism foroxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser."Science 366(6463): 334-338.

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