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作者：fengfeixue0219
編輯：Calo ?曉嵐
光合作用算得上是地球上最為偉大的光化學反應，沒有之一。它利用陽光這種取之不盡用之不竭的能源，將二氧化碳和水合成為有機物，從而推動整個地球生物圈的能量流動和物質循環。盡管存在深海熱液口這種“另類”生態系統，但毫無疑問的是，光合作用是地球生物圈最為重要的動力轉化器。
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光合作用為生物圈的運轉和人類社會的發展提供了絕大多數物質和能量。圖片來源：images.wisegeek.com
長期以來，無數科研工作者力圖洞悉光合作用的深層機制。光合作用第一步，也是最為重要的一步，是吸收光能，并利用光子的能量分解水分子，來生成具有高能量的質子和電子（當然，這一過程的副產物就是氧氣）。
人們很早就發現，葉綠體類囊體膜上存在一系列的大型蛋白復合體，它們形成了異常復雜的結構，和所結合的葉綠素、類胡蘿卜素、錳簇合物等輔基一起構成了復雜而精密的光能轉化和傳遞系統，即光系統（photosystem，PS）。
植物的光系統可分為兩類，其中一類對不同波長光的吸收峰位于700nm左右，被稱為光系統I（PSI），而另一類則位于680nm左右，被稱為光系統II（PSII）。后者起到了最初的光能傳遞、分解水及產生質子和電子的作用。此外，PSII還和一組稱為光捕獲復合體II（light-harvest complex II，LHCII）的蛋白復合體相互結合，后者起到收集光能的“天線”作用。
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光合作用中光系統II的作用。圖片來源：jpkc.yzu.edu.cn
人們一直試圖解析PSII-LHCII的結構，以期了解植物如何在光合作用中高效的捕獲、轉化和傳遞能量。然而，由于PSII-LHCII是由幾十個蛋白和上百個輔基一同組成的大型蛋白復合體，因此傳統的X-光衍射和核磁共振技術，難以準確和完整的獲得PSII-LHCII的高分辨率結構。不過，這一問題已經獲得了突破。來自，就采用冷凍電鏡（Cryo-electron microscopy， Cryo-EM）技術，成功解析了PSII-LHCII超復合體的結構，并深入探究了PSII中能量傳遞的精細過程。
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300KeV冷凍電鏡。圖片來源：emworkshop2010.ibp.ac.cn
冷凍電鏡技術是近年來發展起的一項解析生物大分子、尤其是復雜的蛋白復合體結構的新技術。相比于需要繁瑣的蛋白結晶過程的X-光衍射技術，冷凍電鏡技術只需要將純化后的蛋白質迅速于液氮中冷凍，然后采用高分辨率電鏡進行觀察、拍攝即可。迅速的冷凍，可以瞬時“固定”蛋白復合體的真實結構，避免結晶或其他處理過程中對蛋白復合體結構和組成的影響。而高分辨率電鏡則可以生成分辨率在埃（10^-10m，即百億分之一米）級別的分子電子云分布圖像。通過高性能的計算機分析，可以從大量圖像中找到蛋白復合體不同角度的“身影”，然后通過計算機的重組和處理，即可生成高分辨率的蛋白復合體3D結構。
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冷凍電鏡技術圖示。圖片來源：參考文獻2?
通過對近20萬張不同角度照片的處理，柳振峰團隊獲得了分辨率高達3.2埃的菠菜PSII-LHCII結構。
他們發現，一個完整的PSII-LHCII超復合體是由兩個大型蛋白復合體構成的二聚體。而每個單體，則是由4大12小共16個蛋白亞基構成的核心，以及4個呈冠狀排列在膜內側的額外蛋白亞基（PsbO、PsbP、PsbQ和PsbTn）組成。而LHCII則由3個蛋白亞基構成三聚體，位于核心區的一側，通過一個蛋白亞基（CP26）與核心區相連。
精細的結構分析表明，這四個額外的蛋白亞基與核心間所構成的空間，正是對水的光解起重要作用的錳簇合物所在位置，而錳簇合物與周邊氨基酸殘基，共同參與了水的光解與氧氣的釋放。
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PSII-LHCII的冷凍電鏡照片及重構的3D結構。圖片來源：參考文獻1
更為重要的是，研究進一步明確了鑲嵌在這些蛋白間的輔基，包括105個葉綠素、28個β-胡蘿卜素/葉黃素以及質體醌、血紅素等分子的位置和相互作用關系。葉綠體中的葉綠素賦予植物以綠色，但是這些葉綠素分子并非隨機分布，而是被諸如PSII、LHCII等大型蛋白復合體以極高的有序性進行排列，從而構成復雜而精巧的能量傳遞網絡。
對PSII-LHCII超復合體結構的解析表明，LHCII在整個超復合體中起到光能的收集作用；鑲嵌在LHCII內的葉綠素分子所收集的能量隨后被傳遞給與之相鄰的CP26蛋白中的葉綠素分子，然后進一步傳遞到位于核心的反應中心葉綠素分子。其所激發的高能電子，在錳簇合物及其它蛋白殘基的共同作用下，將水光解為質子和氧氣。
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PSII-LHCII超復合體中鑲嵌的葉綠素分子排布和可能的能量傳遞路徑。圖片來源：參考文獻1
解析PSII-LHCII的精細結構，除了讓人們更為深入的了解光合作用的內在機制外，再次證明了冷凍電鏡技術在解析生物大分子復合體結構上無與倫比的優勢。越來越多的研究顯示，生物體內的多種重要的生化反應——包括光合作用在內——并非人們之前所想象的由單獨、游離的酶催化，而是由多個具有催化活性的蛋白組成大型、復雜的蛋白復合體，以“流水線”般的方式進行催化。因此，對這些重要生物過程內在機制的探究，就必須對這些蛋白復合體的結構進行高準確性、高精度的解析。
而冷凍電鏡技術以樣品需求量少、操作過程簡便、分辨率高、能真實反映蛋白復合體結構等特點，改變了長期以來壟斷蛋白結構解析研究的X-射線衍射、核磁共振等傳統技術，一躍成為復雜生物大分子結構解析研究的新利器。
目前，采用冷凍電鏡技術，人們已經在近乎原子的分辨率下解析出包括輪狀病毒、核糖體、大型鈣離子通道等大型蛋白復合體及膜蛋白復合體結構，這在X-光衍射和核磁共振技術中是不可想象的。作為結構生物學中最具潛力的技術，冷凍電鏡技術必將繼續做出更大的發現和突破。
排版：曉嵐
題圖來源：images.wisegeek.com
參考文獻：
[1] Xuepeng Wei, et al. Structure of spinach photosystem II–LHCIIsupercomplex at 3.2 ? resolution. Nature (2016) doi:10.1038/nature18020
[2] Milne, Jacqueline LS, et al. Cryo‐electron microscopy–a primer forthe non‐microscopist. FEBS Journal 280.1 (2013): 28-45.
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