出品：科普中国 果壳网
作者：fengfeixue0219
编辑：Calo 晓岚
光合作用算得上是地球上最为伟大的光化学反应，没有之一。它利用阳光这种取之不尽用之不竭的能源，将二氧化碳和水合成为有机物，从而推动整个地球生物圈的能量流动和物质循环。尽管存在深海热液口这种“另类”生态系统，但毫无疑问的是，光合作用是地球生物圈最为重要的动力转化器。
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光合作用为生物圈的运转和人类社会的发展提供了绝大多数物质和能量。图片来源：images.wisegeek.com
长期以来，无数科研工作者力图洞悉光合作用的深层机制。光合作用第一步，也是最为重要的一步，是吸收光能，并利用光子的能量分解水分子，来生成具有高能量的质子和电子（当然，这一过程的副产物就是氧气）。
人们很早就发现，叶绿体类囊体膜上存在一系列的大型蛋白复合体，它们形成了异常复杂的结构，和所结合的叶绿素、类胡萝卜素、锰簇合物等辅基一起构成了复杂而精密的光能转化和传递系统，即光系统（photosystem，PS）。
植物的光系统可分为两类，其中一类对不同波长光的吸收峰位于700nm左右，被称为光系统I（PSI），而另一类则位于680nm左右，被称为光系统II（PSII）。后者起到了最初的光能传递、分解水及产生质子和电子的作用。此外，PSII还和一组称为光捕获复合体II（light-harvest complex II，LHCII）的蛋白复合体相互结合，后者起到收集光能的“天线”作用。
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光合作用中光系统II的作用。图片来源：jpkc.yzu.edu.cn
人们一直试图解析PSII-LHCII的结构，以期了解植物如何在光合作用中高效的捕获、转化和传递能量。然而，由于PSII-LHCII是由几十个蛋白和上百个辅基一同组成的大型蛋白复合体，因此传统的X-光衍射和核磁共振技术，难以准确和完整的获得PSII-LHCII的高分辨率结构。不过，这一问题已经获得了突破。来自，就采用冷冻电镜（Cryo-electron microscopy， Cryo-EM）技术，成功解析了PSII-LHCII超复合体的结构，并深入探究了PSII中能量传递的精细过程。
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300KeV冷冻电镜。图片来源：emworkshop2010.ibp.ac.cn
冷冻电镜技术是近年来发展起的一项解析生物大分子、尤其是复杂的蛋白复合体结构的新技术。相比于需要繁琐的蛋白结晶过程的X-光衍射技术，冷冻电镜技术只需要将纯化后的蛋白质迅速于液氮中冷冻，然后采用高分辨率电镜进行观察、拍摄即可。迅速的冷冻，可以瞬时“固定”蛋白复合体的真实结构，避免结晶或其他处理过程中对蛋白复合体结构和组成的影响。而高分辨率电镜则可以生成分辨率在埃（10^-10m，即百亿分之一米）级别的分子电子云分布图像。通过高性能的计算机分析，可以从大量图像中找到蛋白复合体不同角度的“身影”，然后通过计算机的重组和处理，即可生成高分辨率的蛋白复合体3D结构。
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冷冻电镜技术图示。图片来源：参考文献2
通过对近20万张不同角度照片的处理，柳振峰团队获得了分辨率高达3.2埃的菠菜PSII-LHCII结构。
他们发现，一个完整的PSII-LHCII超复合体是由两个大型蛋白复合体构成的二聚体。而每个单体，则是由4大12小共16个蛋白亚基构成的核心，以及4个呈冠状排列在膜内侧的额外蛋白亚基（PsbO、PsbP、PsbQ和PsbTn）组成。而LHCII则由3个蛋白亚基构成三聚体，位于核心区的一侧，通过一个蛋白亚基（CP26）与核心区相连。
精细的结构分析表明，这四个额外的蛋白亚基与核心间所构成的空间，正是对水的光解起重要作用的锰簇合物所在位置，而锰簇合物与周边氨基酸残基，共同参与了水的光解与氧气的释放。
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PSII-LHCII的冷冻电镜照片及重构的3D结构。图片来源：参考文献1
更为重要的是，研究进一步明确了镶嵌在这些蛋白间的辅基，包括105个叶绿素、28个β-胡萝卜素/叶黄素以及质体醌、血红素等分子的位置和相互作用关系。叶绿体中的叶绿素赋予植物以绿色，但是这些叶绿素分子并非随机分布，而是被诸如PSII、LHCII等大型蛋白复合体以极高的有序性进行排列，从而构成复杂而精巧的能量传递网络。
对PSII-LHCII超复合体结构的解析表明，LHCII在整个超复合体中起到光能的收集作用；镶嵌在LHCII内的叶绿素分子所收集的能量随后被传递给与之相邻的CP26蛋白中的叶绿素分子，然后进一步传递到位于核心的反应中心叶绿素分子。其所激发的高能电子，在锰簇合物及其它蛋白残基的共同作用下，将水光解为质子和氧气。
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PSII-LHCII超复合体中镶嵌的叶绿素分子排布和可能的能量传递路径。图片来源：参考文献1
解析PSII-LHCII的精细结构，除了让人们更为深入的了解光合作用的内在机制外，再次证明了冷冻电镜技术在解析生物大分子复合体结构上无与伦比的优势。越来越多的研究显示，生物体内的多种重要的生化反应——包括光合作用在内——并非人们之前所想象的由单独、游离的酶催化，而是由多个具有催化活性的蛋白组成大型、复杂的蛋白复合体，以“流水线”般的方式进行催化。因此，对这些重要生物过程内在机制的探究，就必须对这些蛋白复合体的结构进行高准确性、高精度的解析。
而冷冻电镜技术以样品需求量少、操作过程简便、分辨率高、能真实反映蛋白复合体结构等特点，改变了长期以来垄断蛋白结构解析研究的X-射线衍射、核磁共振等传统技术，一跃成为复杂生物大分子结构解析研究的新利器。
目前，采用冷冻电镜技术，人们已经在近乎原子的分辨率下解析出包括轮状病毒、核糖体、大型钙离子通道等大型蛋白复合体及膜蛋白复合体结构，这在X-光衍射和核磁共振技术中是不可想象的。作为结构生物学中最具潜力的技术，冷冻电镜技术必将继续做出更大的发现和突破。
排版：晓岚
题图来源：images.wisegeek.com
参考文献：
[1] Xuepeng Wei, et al. Structure of spinach photosystem II–LHCIIsupercomplex at 3.2 Å 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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