《光系统Ⅱ放氧复合物的光组装研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光系统Ⅱ放氧复合物的光组装研究（128页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章综述化态。随着0 2 的释放及S 3 一S 4 一S o 的过渡，S 3 态被还原为S o 态。但到目前为止，关于水氧化复合物的详细结构和水氧化的反应机制在很大程度上还不清楚 9 】。1 2 光合放氧复合物结构及其放氧机理的研究进展1 2 1 光系统l 与光合放氧复合物光系统I I 存在于许多高等植物、藻类及紫色细菌类囊体的囊腔侧，是进行光合水氧化作用的场所 1 0 ( 图1 1 ) ，其利用太阳能还原质体醌同时从水中夺取电子使之发生氧化。P S I I 是由许多亚基组成的复合体，主要由负责光能转化的反应中心和能够吸收太阳能将其传递到反应中心的天线系统组成，组成反应中心的这些亚基大多为内
2、膜蛋白，如D 1 和D 2 蛋白以及细胞色素b - 5 5 9 ( C y t b - 5 5 9 ) 的0 【年口8 亚基，同时具有内周天线功能的叶绿素结合蛋白C P 4 7 和C P 4 3 也为内膜蛋白。在高等植物中，另有表观分子量为3 3k D a ，2 3k D a ，1 7k D a 的三个外周蛋白结合于P S I I 的囊腔侧，对P S I I 放氧活力起重要作用。其次，锰簇、叶绿素分子、去镁叶绿素( P h e o ) 、初级醌电子受体Q a 、次级醌电子受体Q B 及铁、钙、氯离子等无机辅助因子也是P S I I 的重要组成部分【1 1 】。在光合作用中，P S I I 反应
3、中心叶绿素双分子P 6 8 0 吸收从天线色素传来的激发能转化为处于激发态的P 6 8 0 ，P 6 8 0+ 传递电子给原初电子受体去镁叶绿素，再依次传递到初级醌电子受体Q A 和次级醌电子受体Q B 。在P S I I 的氧化侧，P 6 8 0 ”的次级电子供体是D 1 蛋白上1 6 1 位的酪氨酸残基Y z ，Y z 进一步从结合在膜内侧的四核锰原子簇得到电子，同时锰簇逐步积累氧化当量，在逐次给出4 个电子后，氧化水释放氧气和质子，在其每个催化循环中，两个质体醌分子被还原并质子化，同时使四个质子从基质中移到囊腔中，这些质子可形成跨膜质子梯度用于合成A T P ，还原的质体醌和A T P
4、分别为下一步利用C 0 2 合成有机物提供还原力和能量。当然，在光系统I I 中还存在着其它电子传递辅助因子，如具有氧化还原活性的单体叶绿素a 分子C h l z 和非氧化还原活性的单体叶绿素a 分子C h l D ，D 2 蛋白上的酪氨酸残基Y D 及两分子的胡罗h 素( C a r ) 。Y D 和胡罗卜素与Y z 竞争性地对P 6 8 0 ”还原，C h l D 的功能到目前不甚清楚，C h l z 和C y tb 5 5 9 可还原C a r “ + ，它们最终能保护P S I I 免于发生光破坏 1 2 1 。3一! 璺型堂堕婴塞竺堕堕兰兰堡堡兰! 娄墨竺! ! 垫墨墨鱼塑竺娄望薹竺
5、塞在P S I I 结构和功能研究中，光合放氧一直是一个重要的研究方向，放氧是发生在P S I I 中的一个重要化学反应，在这一生物化学反应中，由于水是热力学非常稳定的物质，要使它在相对较温和的条件下给出电子，必须有其它催化剂的存在，包括锰簇在内的放氧复合物担当这一角色【1 3 。在P S I I 中，一个完整的具有光合放氧功能的放氧颗粒包括D 1 、D 2 、C y tb - 5 5 9 、C P 4 3 、C P 4 7 、3 3k D a 、2 3k D a 、1 7k D a 等2 0 多个蛋白，最早认为放氧中心结合在D 1 ，D 2 上，但最近的一些突变研究显示C P 4 3 ，C
6、P 4 7 也有可能直接参与放氧中心的结合 1 4 ，同时体外光组装表明，在缺失C P 4 3 的情况下反应中心和C P 4 7 也能进行光组装并具有放氧功能，这是目前报道的具有放氧功能复合体的最小单位 1 5 。3 3k D a 、2 3k D a 、1 7k D a 是三个水溶性的蛋白，它们结合于类囊体囊腔侧，被称为放氧中心的稳定蛋白，现已表明它们不直接参与放氧反应，但它们能维持放氧反应所需的良好环境及水或质子的交换路径。总之，在最近三十多年来，从化学、电子、结构、氧化状态等角度对锰簇中间物( 其中包括Y z ，c l 一，c a 2 + 在内的研究) 及放氧机制进行了阐明，尽管如此，水氧
7、化复合物的精确结构及水氧化的机制仍不清楚。图1 1 类囊体膜上P S I I 的结构模型F i g u r e1 1M o d e lo fP S I Ii nt h et h y l a k o i dm e m b r a n e1 2 2 光合放氧的s 态循环与锰的氧化还原状态7 0 年代人们就知道氧气的释放要经过K o k 循环 1 6 】( 图1 2 ) ，水的氧化裂解要经过S o 、S 1 、S 2 、S 3 和S 4 五个氧化态。在这一循环中，s 4 态中释放0 2 回到S o态，s t 是黑暗中稳定的中间体，s o 在黑暗中不稳定，会自动向s 。转变。如果在4m0 i 二i O
8、咖而雌第一章综述黑暗中长时间停留，S 2 和S 3 态会转化为S 1 态。M n 4 ( 1 l l ，l V 3 ) o rM n d I V 4 )图1 2 光合放氧的S 态循环F i g u r e1 2T h eS s t a t es c h e m ef o ro x y g e ne v o l u t i o n在s 态循环过程中，当Y z 在第四次氧化并形成0 2 之前，P S l l 必须积聚稳定三个氧化当量，一般认为锰原子担当这一角色，从实验上也很大程度支持这一结论，变化的s 态紫外差光谱研究认为，在3 0 0n m 的吸收应归属为中心锰的氧化【1 7 ，S t s 2
9、，s 2 一S 3 的变化易于区分，而S o S 1 的变化较小，这三种变化都归属于M n ( I l I ) 至M n ( I V ) 的氧化。选用有部分取向的P S I I 膜为研究对象，人们观察到s 2 的E P R 信号，推测该态的氧化态为M n ( I I I ，r v 3 ) 。0 8 。P S I I 样品的x 射线近边缘吸收光谱( 心厄S ) 研究显示，在S o S l 和S t S 2 的转变中有重要边沿移动 1 9 ，2 0 ，2 1 ，与模型化合物的研究结合起来表明为锰的氧化。揭示锰离子的价态变化是了解放氧中心锰簇催化机理的关键，电子的释放和锰离子的价态变化常伴随发生，目
10、前比较明确的结论是，在S o S l ，S 1 一s 2 两个过程中放氧中心给出电子，同时伴随着锰离子价态的升高。在上述研究的基础上，可以归属s 1 的氧化还原状态为M n ( I I l 2 ，w 2 ) ，而s o 的状态则有M n ( I I ，I I I ，I V ，I v ) 和M n ( I I l 3 ，i v ) 两种情况，1 9 9 7 年，M e s s i n g e r 和s t 舛n g 等人 2 2 ，2 3 的E P R 实验观察N + 2价锰离子的存在，因此，许多研究组认为前者为S 0 态下锰的存在形式，但目前它们如何与4 个锰一一对应尚不清楚。然而s 2 一s
11、 3 的转变争论很大，有证据表明，在S 2 一s 3 的转变中有除锰之外的其它组份参与这一过程。1 9 9 0 年，B o u s s a c 等人 2 4 ，2 5 ，2 6 】首次观察到c a 2 + 缺失的情况下( 此时水的氧化反应只能进行到S 2 态) 组氨酸氧化产生的有机自由基中国科学院研究生院博士学位论文：光系统I I 放氧复合物的光组装研究中间体信号，人们据此推测在s 2 一S 3 过程中没有锰的价态变化，而且后来的一些E P R 实验也得到了相似的结论。1 9 9 6 年B r i t t 研究小组通过电子核双共振( E N D O R ) 实验 2 7 】显示，早期观察到的组
12、氨酸自由基的信号可能是酪氨酸Y z 自由基的信号，但组氨酸是否有贡献目前仍是一个尚未解决的问题，最近D a u 研究小组表明，在正常的情况下s 2 一S 3 过程中也存在锰离子的价态变化【2 1 】，即该过程中同时存在电子的释放和锰的价态变化。另外，从P S I I 样品的x 射线近边缘吸收光谱( X A N E S ) 研究来看，目前有两个研究小组报道了在s 2 一s 3 过程中有重要边沿移动 1 9 ，2 1 ，而另一个研究组发现了一个很小的移动 2 0 】。正因为人们对s 2 一s 3 过程中是否有中心锰的氧化或配体的氧化存在争议，所以s 3 态下锰的氧化还原状态有M n ( I V 4
13、 ) 和M n ( I I I ，I V 3 ) 两种情况。由于S 4 态是不稳定的中间过度态，对它的了解极少，S 。一S 。过程中是否存在电子转移和锰离子价态的变化尚不清楚，由于存在其它的氧化一还原反应，所以其锰离子的价态难以从前几个过程中类推，但一般认为该过程中存在电子转移。总之，在s 态循环过程中，锰的氧化还原状态分别为( 图1 2 ) ：S o ，M n f n ，I I I ，I V ，I V ) 或M n ( I I l 3 ，I V ) ；S l ，M n ( I I l 2 ，1 V 2 ) ；s 2 ，M n ( I l I ，I V3 ) ：s 3 ，M n ( I V 4
14、 ) 或M n ( I I I ，I V 3 ) 。1 2 3 光合放氧复合物的结构1 2 3 1 锰簇的外围配体图1 3P S I I 中电子转移辅助因子的排列【”IF i g u r e l 3 A r r a n g e m e n to f c o f a c t o r o f t h e e l e c t r o ne v o l v i n g c e n t e r i nS o s t a t e6第一章综述在几家实验室相继报道了高放氧活力嗜热蓝藻的P S I I 晶体后，最近又解析出分辨率为3 8A 的晶体结构图谱( 图1 3 ) 【2 8 】，给出了参与激发能传递和电子
15、传递的大多数蛋白亚基的位置，锰簇位于囊腔侧，靠近膜平面，锰簇与准c ：轴的距离为1 5 A ，其中心距离P 6 8 0 两个叶绿素分子的距离分别为1 8 5A 和2 5 1A ，锰簇电子密度计算可知，4 个锰原子形成一个“Y ”型结构，其中三个锰原子组成一个等腰三角形，第四个锰原子位于这个等腰三角形平面之外，接近等腰三角形中心。图1 4 放氧复合物结构的新模型F i g u r e1 4An o v e lm o d e lo fo x y g e n - e v o l v i n gc e n t e ri nP S I I “1目前，放氧中心锰簇如何与外围配体相互作用是人们研究的热点，x
16、 射线吸收光谱( X A S ) 实验、定点突变研究【2 9 及放氧中心化学特性 3 0 ，3 1 ，3 2 i 贝| J 定表明，四个锰离子基本处于6 配位的状态，外围配体主要由C 0 0 一组成，此外还有2 个组氨酸、2 个H 2 0 和1 个C l - 。这些配体的正确配位均未得到阐明，这导致人们对放氧机理方面的认识不清，也导致人们对所观察实验解释的混乱。电子自旋回波调制( E S E E M ) 技术对诸如2 H ，1 4 N 的核非常敏感，在S 2 多线谱中，结合同位素标记没有证据表明一个以上组氨酸存在于锰上【3 0 】，所以，大量的锰配体为O原子。用位点突变技术来确定肽链中的氨基酸配体结果表明，最为可能与锰配位的是D 1 上的A s p 一1 7 0 、H i s 一1 9 0 、H i s 3 3 2 、G l u 3 3 3 、H i s 3 3 7 、A s p 3 4 2 及羧基端的A l a - 3 4
