Nature | 沈建仁团队揭示光系统II (PSII) 的S1-S2-S3状态转换的分子机制

责编 | 王一

光合作用是地球上分布最广，最重要的化学反应之一。蓝细菌（cyanobacteria），藻类（algae）和植物均通过光合作用将水和二氧化碳转化为氧气和糖。氧气是呼吸的基础，而糖为地球上几乎所有生命提供了所需的能量。据保守估计，地球上的有氧光合作用可以追溯到约24亿年前的蓝细菌时期。随后，在约6.5-8亿年前和3.5-4.5亿年前，藻类（algae）和植物相继在地球上出现。光合作用的出现对整个地球生命体系的稳定和繁荣至关重要。

光合作用可分为光反应和暗反应两个关键阶段。光反应中，光系统II（PSII）和光系统I（PSI）起着吸收光能的关键作用，它们通过体内的叶绿素（Chlorophyll）吸收和传递能量。在PSII中，吸收的光能用于催化水分子的裂解，生成氧气(O 2 )、电子 （e-） 和质子 （H+） 【1】 。这一反应需要四束光照催化，并牵涉到5个反应中间态的状态转换（图1a）。

研究PSII如何运用光能分解水分子生成氧气具有重要意义。2011年，沈建仁团队通过解析了1.9 Å分辨率的PSII （S1状态） 的晶体结构，揭示了催化水裂解反应的放氧中心（Oxygen evolving complex， OEC）是由4个锰（Mn），一个钙（Ca）和五个氧原子组成，形成“歪曲椅子”状的复合物Mn 4 CaO 5 （图 1 b 左侧）（Umena et al., Nature 2011）。随后，沈建仁团队运用时间分辨自由电子激光技术（Time-resolved crystallography）陆续解析了无X射线损伤的S 1 ，S 2 ，S 3 状态的PSII结构【2-5】 。这一系列研究为解明PSII中发生的水分子裂解反应的机理提供了关键信息。尤其值得注意的是，在S 3 状态下成功观察到OEC中O5原子附近出现了一个新的氧原子（O6）（图1b右侧），这表明O5和O6可能是在S 4 状态释放的氧气分子的潜在来源。然而，上述反应中间态的结构仅涵盖了光照后5毫秒（ms）及5毫秒以上的，催化剂在“准稳定”状态下的结构，而 PSII在不同状态之间转换的中间过程仍不为人所清楚。

图1. 光系统II催化水裂解的 Kok cycle。虚线长方形区域为本研究的重点。

2024年1月31日，沈建仁团队在Nature上发表了题为Oxygen-evolving photosystem II structures during S1-S2-S3transitions的研究论文。该研究深入探讨了PSII在分别经历1束光照和2束光照下，在纳秒 (ns) 至毫秒 (ms) 时间尺度内的动态结构变化。研究结果揭示了在S 1 -S 2 -S 3 状态转换过程中，电子传递、质子释放和水分子进入OEC的关键过程。

这项研究表明，位于OEC和光吸收特殊叶绿素P680之间的酪氨酸电子供体Y Z 及其附近的氨基酸和水分子，在一束和两束光照下，都在纳秒至微秒(μs)时间尺度上都发生了结构变化，详细揭示了Y Z 上快速的电子和质子传递过程（图2，3）。尤其重要的是，在经历两束光照后，一个被命名为O6*的水分子在1 微秒时与OEC中的Ca原子结合，在5 ms时消失。相比之下，在200 微秒和5毫秒的时间点，OEC中出现了O6的信号，表明这个水分子（O6*）在200 微秒和5毫秒之间转移到了O6的位置，是O6的来源（图2）。

图2. S1-S2-S3状态转换过程中OEC附近的动态变化。

图3. 1F和2F之后，YZ在不同时间点的氧化还原状态。

此外，OEC附近的三个水分子通道（O1-，O4-，Cl-1-channels）中的水分子和氨基酸也呈现出动态的结构变化，表明它们受到电子传递、质子释放和底物水分子传递的影响，或者参与了这些过程。图4总结了PSII在S 1 -S 2 -S 3 状态转换过程中发生的电子供给端的事件。简而言之，第一束光和第二束光的协同作用导致了OEC附近的一个水分子（W10）的去质子化，使其结合到OEC上，并随后转移到O6的位置。这项研究为理解光合作用中PSII的状态转换以及氧气生成提供了重要的机理解释，同时为利用太阳能人工分解水分子，获取可再生的清洁氢能等提供了重要的理论依据。

图4. 电子供给端在S1-S2-S3状态转换期间所发生的事件的总结。

沈建仁教授课题组博士后李洪杰和助理教授中島芳樹为该论文的第一作者。沈健仁教授与菅倫寛教授为该论文的共同通讯作者。

参考文献：

1.Y. Umena, K. Kawakami, J. R. Shen, N. Kamiya, Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 A. Nature 473, 55-60 (2011).

2.M. Suga et al., Native structure of photosystem II at 1.95 A resolution viewed by femtosecond X-ray pulses. Nature 517, 99-103 (2015).

3.M. Suga et al., Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL. Nature 543, 131-135 (2017).

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

5.H. Li et al., Capturing structural changes of the S1 to S2 transition of photosystem II using time-resolved serial femtosecond crystallography. IUCrJ 8, 431-443 (2021).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06987-5