研究人员为光合作用提供了新的见解

光合作用是地球上生命最重要的基础。在其中，植物和单细胞藻类利用阳光的能量并将这种能量转化为糖和生物质。在这个过程中，氧气被释放。来自明斯特大学(德国)和斯德哥尔摩大学(瑞典)的植物生物技术学家和结构生物学家已经阐明了一种新的蛋白质复合物的结构，该复合物催化光合作用中的能量转换过程。这种蛋白质复合物就是光系统I，在植物中被称为单一蛋白质复合物(单体)。

由明斯特大学的MichaelHippler教授和斯德哥尔摩大学的AlexeyAmunts教授领导的研究小组现在首次证明，植物中的两个光系统I单体可以结合在一起形成二聚体，它们描述这种新型分子机器的分子结构。该结果已发表在《自然植物》杂志上，以前所未有的精确度提供了对光合作用过程的分子见解。它们可以帮助在未来更有效地利用光系统I的还原力(即放弃电子的准备)，例如生产氢作为能源。

背景：有两种光合作用复合物，称为光系统I和II，它们在不同波长的光的情况下工作得最好。光能吸收到光系统I和II使电子能够在分子光合机器内传输，从而推动光能转化为化学能。在这个过程中，来自光系统I的电子被传递给蛋白质铁氧还蛋白。

在绿藻中，铁氧还蛋白可以将光合作用过程中产生的电子传递给一种称为氢化酶的酶，该酶随后会产生分子氢。因此，这种分子氢是通过输入光能产生的，这意味着它是可再生的，并且可能能够作为未来的能源。研究人员问自己一个问题：光合氢的产生与单体和二聚体光系统I的结构动力学有何关系?

结果详细

来自绿藻莱茵衣藻的光系统I同源二聚体由40个蛋白质亚基和118个跨膜螺旋组成，为568种光合作用色素提供结构。使用低温电子显微镜，研究人员表明，缺少名为PsaH和Lhca2的亚基导致单体光系统I(PSI)及其相关的光捕获蛋白(LHCI)的头对头定向。光捕获蛋白Lhca9是提供这种二聚化的关键元素。

在这项研究中，研究人员定义了最精确的可用PSI-LHCI模型，分辨率为2.3埃(1埃对应于百万分之一毫米)，包括灵活结合的电子发射器质体蓝素，他们分配了正确的身份和定向到所有颜料，以及影响能量传输路径的621个水分子。与第二个基因(pgr5)的丢失有关，基因诱导的Lhca2亚基下调导致双突变体中非常有效地产生氢。

MichaelHippler说：“Lhca2的消耗促进了PSI二聚体的形成，因此我们建议氢化酶可能有利于靶向来自PSI二聚体的光合电子，正如我们在早期工作中提出的那样。PSI二聚体的结构使我们进行有针对性的基因改造，以检验通过PSI二聚体提高氢气产量的假设。”