光合作用中心
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光合作用反應中心（英語：photosynthetic reaction center）是光合自營生物細胞內執行光反應的場所，是由數種色素、蛋白質亞基和其他輔助因子的複合體。光反應利用色素分子吸收光子的能量，並將捕捉到的光能轉換成其它可用的形式用於碳固定。
所有綠色植物、藻類和許多細菌的光合細胞中都有光合作用中心。目前公認的中心有兩種——I型（主要色素為P700）和II型（主要色素為P680）。在綠色植物和藻類細胞中，兩種中心與更多補光複合物（light-harvesting complex，可收集光能，卻不產生光化學反應的色素分子複合體）組成更大、更複雜的功能單元，稱為光系統。紅假單胞菌的反應中心目前被研究的最徹底，是第一個已知結構的光合作用中心，其蛋白質結構較植物的單純。[1]
電子轉移與光能轉換
一旦光能被色素分子直接吸收，或通過共振轉移由周圍的補光複合物傳給色素，發色團（發生光化學反應的色素中因照光產生變化的部位）的電子會被激發，攜帶高能量並脫離原子核靜電力吸引進入電子傳遞鏈。電子傳遞鍊中的分子（即電子受體，綠色植物中常見的種類有脫鎂葉綠素、醌、質體醌、細胞色素bf和鐵氧還蛋白）一旦接收這些高能電子，就會再釋放一個電子給構成傳遞鍊的下一個原子，透過這種方式將能量最終傳遞給質子供體如H2O，從中提取電子和質子並釋放氧氣。
質子供體釋放的質子將NADP+還原成NADPH 。電子通過電子傳遞鏈也導致質子（氫離子）從葉綠體的基質泵入類囊體內，從而在類囊體膜產生質子梯度，可用於合成ATP（能量貨幣）。ATP和NADPH都可以被用於卡爾文循環（最主要的碳反應形式）。
分類
I型中心可在綠硫細菌、太陽桿菌和植物-藍藻的光系統I中發現，使用鐵硫簇作為電子受體；II型中心則可見於綠彎菌、紫細菌和植物-藍藻的光系統II，使用醌類作為電子受體。具有相同中心的生物具有共同的祖先。[2][3]
細菌的中心
細菌的光合作用中心一直是了解生物如何將光能轉化為化學能的重要模型，本節討論在紫細菌中發現的II型系統。1960年代，Roderick Clayton是第一個從紫細菌中純化出中心複合物的人。第一個晶體結構（右下圖）在1984年由哈特穆特·米歇爾 、約翰·戴森霍費爾和羅伯特·胡貝爾[4]確定，這也是第一個被確定的膜蛋白複合物三維晶體結構。細菌的II型系統與植物-藍藻葉綠體膜上的光系統II類似，兩者可能有共同的祖先。
結構
光合細菌的細胞膜向內凹陷，包覆可行光合作用的色素（通常是菌綠素），形成類似藍藻類囊體的囊狀構造，中心自然也位於其中。
細菌的中心中，可行光合作用的色素包含菌綠素b（BChl-b）和脫鎂菌綠素（BPh）b。BChl類似藍藻和植物的葉綠素，但由於微小的結構差異，其主要吸收的光屬於紅外線（葉綠素可吸收可見光），其波長長達1000nm。 Bph與BChl具有相同的結構，但中心鎂離子被兩個質子取代，導致其吸光度最大偏移且氧化還原電位降低。不同種細菌的BChl-b和BPh可能略有不同，導致不同種細菌可吸收的光譜波段可能不一樣。
細菌的光合作用中心包含四種基本的蛋白質亞基：
- L和M亞基。它們都穿越了細胞膜的雙分子磷脂膜，在結構上彼此相似，都有5個跨膜的α螺旋。[5]四個BChl-b分子，兩個BPh分子，兩個醌類（QA和QB），以及一個亞鐵離子和L與M亞基相關。
- H亞基，位於細胞膜的細胞質一側。
- 細胞色素亞基，包含四個c型血紅素，位於膜的周質表面（外部）。此種結構並不普遍存在於所有光合細菌中。
細菌中心的示意圖，頂部是細胞色素C
機制
細菌的光反應始於光被位於膜的外延側附近的兩個BChl分子吸收時。這對菌綠素分子，通常被稱為 「特殊對」，在870nm或960nm處（取決於物種）吸收光子，因此被稱為P870（Rhodobacter sphaeroides菌）或P960（Blastochloris viridis菌），其中P代表色素。BChl吸收了一個光子，就會噴出一個電子，這個電子通過另一個BChl分子轉移到L亞基的BPh。電荷轉移造成BChl帶正電（記為P+或P960+），BPh帶負電（記為BPh-）。此步驟發生在10皮秒內。[6]
在這種狀態下，P+和BPh-上的電荷可能產生鍵結，放出熵而導致浪費，中心的構造有助於防止這種情況。首先，與反應中心的另外兩個氧化還原反應相比，電子從BPh-轉移到P+的過程相對緩慢，這兩個較快的反應涉及電子從BPh-（BPh-被氧化為BPh）轉移到電子受體醌（QA），以及電子從中心上方的細胞色素亞基的血紅素轉移到P960+（P960+被還原為P960）。
停留在緊密結合的醌分子QA上的高能電子被轉移到一個可交換的醌分子QB上。這個分子與蛋白質鬆散地聯繫在一起，相當容易分離。將QB完全還原為QH2需要兩個電子，在此過程中從細胞質中吸收兩個質子。被還原的醌QH2穿過膜擴散到另一個蛋白複合物（細胞色素bc1-複合物），在那裏被氧化。在這個過程中，QH2的還原力被用來將質子穿過膜到周質空間。然後，來自細胞色素bc1-複合物的電子通過周質中的可溶性細胞色素c中間物，即細胞色素c2，轉移到細胞色素亞基。
藍藻和植物的中心
藍藻是綠色植物細胞中葉綠體的前身，具有兩種中心系統——光系統II和光系統I，結合這兩個系統可以產生氧氣。
有氧光合作用
1772年，化學家普里斯特利進行了一系列與氧氣和二氧化碳有關的實驗。如果將一隻老鼠與燃燒的蠟燭同置於密閉的玻璃罐中，老鼠在蠟燭熄滅後不久就會死亡；然而，如果以綠色植物取代老鼠，並以陽光照射植物，植物不僅不會在蠟燭燃盡後死亡，甚至還能繼續生長。在近一步研究之後，普里斯特利證明植物在吸收啤酒發酵、蠟燭燃燒以及動物呼吸時產生的「固定氣體」（即二氧化碳）後可以製造能維持動物呼吸、使燃燒更劇烈的「活命氣體」（即氧氣）。普里斯特利在著作中以燃素說的觀點解釋，將氧氣稱為「脫去燃素的氣體」。普利斯特里的觀察是最早證明光合作用反應中心活動的實驗。
1779 年，詹·英格豪斯在實驗中將綠色植物浸在透明水箱中，每當植物暴露在光線下時，許多氣泡從葉子表面浮起。英格豪斯收集了植物放出的氣體，並將一個燃燒的錐子放入氣體樣本中，讓它重新點燃，證明植物會放出氧氣，即普里斯特利所謂「脫去燃素的氣體」。
1932年，羅伯特‧愛默生（Robert Emerson）和他的學生William Arnold使用重複閃光技術精確測量了小球藻中葉綠素所釋放的少量氧氣，證明了光合作用單元的存在。Hans Gaffron和Kurt Wohl後來對該實驗進行了解釋，意識到光合單元在製造氧氣的同時將吸收的光能轉移了。[7]這一轉移能量的過程發生在光系統II的中心，存在於藍藻、海藻和綠色植物中。[8]
光系統II
光系統II位於葉綠體膜上，[9]是在光反應中產生兩個電子的光系統，最終在鐵氧化蛋白-NADP+還原酶中還原NADP+。光系統II的結構與細菌的光合作用中心非常相似，理論上它們具有共同的祖先。
光系統II的核心由兩個亞基D1和D2組成，類似細菌中心的L和M亞基。光系統II比細菌的中心多了許多額外的蛋白質亞基，這些亞基結合額外的葉綠素以提高效率。
光系統II催化的總反應為：
- 2Q + 2H2O + hν → O2 + 2QH2
Q代表質體醌（Q的氧化形式），QH2代表質粒酚（Q的還原形式），還原醌的過程與在細菌中心發生的過程相同。光系統II透過光分解作用氧化水以獲得電子，產生副產品氧氣，為現今大氣層主要的氧氣來源。綠色植物中的氧氣來自水的事實最早是由馬丁·大衛·卡門（Martin David Kamen）推斷出來的。他使用穩定的氧同位素18O來追蹤從水到氧氣分子的反應路徑，該反應由光系統II中含四個錳離子的中心催化。
植物的光反應始於一對被稱為P680[10]的葉綠素分子激發，與細菌的反應類似。由於植物的特殊對色素為葉綠素a，而不像細菌是菌綠素，光系統II吸收的光波長較細菌的中心短。當P680吸收一個光子後，就會放出一個高能電子給附近的脫鎂葉綠素分子，使P680帶正電，此過程被稱為光誘導電荷分離（photoinduced charge separation）。電子從葉綠素分子中穿過兩個質粒醌分子，第一個是緊密結合的，第二個是鬆散結合的，這種電子流與細菌反應中心的電子流相似，需要兩個電子將鬆散結合的質粒醌分子完全還原成QH2，同時也需要吸收兩個質子。
P680在吸收光子→放出電子→帶正電之後，將成為一種非常強的高能氧化劑P680+。它將其能量傳遞給結合在錳中心（由四個錳離子、一個鈣離子、一個氯離子和一個酪氨酸殘基組成）正下方的水分子，並氧化它們，使兩個水分子形成一個氧分子。到目前為止，這種分水催化中心還沒有被任何人造的催化劑所複製。
氧化水後可以得到四個電子，為將兩個Q分子還原為QH2的電子源。與細菌不同，在細菌的中心，還原Q分子的電子是從細胞色素亞基中的還原複合血紅素基團或水溶性細胞色素-c蛋白中獲得。
光系統 I
在電子離開光系統II後，會被轉移到細胞色素b6f複合物，然後轉移到質體藍素（一種藍色銅蛋白和電子載體）。質體藍素複合物攜帶的電子將中和下一個中心——光系統 I中的電子對。
與光系統II和細菌中心一樣，光系統I中一對葉綠素a分子啟動了光誘導電荷分離。這對分子被稱為P700，位於蛋白質的中心位置，其中700指的是葉綠素分子最大吸收光的波長。一旦光誘導的電荷分離開始，電子就會沿着一條路徑，穿過位於P700正上方的葉綠素α分子，穿過位於正上方的醌分子，穿過三個4Fe-4S團簇，最後到達一個可互換的鐵氧還蛋白複合物。[11]鐵氧還蛋白是一種可溶性蛋白質，含有一個由四個半胱氨酸殘基協調的2Fe-2S簇。高能的P700+上的正電荷被來自質體藍素的電子轉移所中和，質體藍素獲得的能量最終用於將QH2轉化為Q。
光系統I催化的整體反應是：
- Pc(Cu+)+Fd[ox]+hν → Pc(Cu2+)+Fd[red]
光系統I和II之間的合作產生了從H2O到NADP+的電子和質子流，產生了葡萄糖合成所需的NADPH。這一途徑被稱為「Z方案」（Z-scheme），因為從H2O經P680和P700到NADP+的氧化還原圖類似於字母Z。[12]
外部連結
參見
參考
- ^ Biochemistry. New York: WH Freeman. 2002 [2022-01-10]. （原始內容存檔於2010-05-31）.
- ^ Sadekar, S; Raymond, J; Blankenship, RE. Conservation of distantly related membrane proteins: photosynthetic reaction centers share a common structural core.. Molecular Biology and Evolution. November 2006, 23 (11): 2001–7. PMID 16887904. doi:10.1093/molbev/msl079.
- ^ Evolution of photosynthetic reaction centers: insights from the structure of the heliobacterial reaction center. Photosynthesis Research. October 2018, 138 (1): 11–37. OSTI 1494566. PMID 29603081. doi:10.1007/s11120-018-0503-2.
- ^ X-ray structure analysis of a membrane protein complex. Electron density map at 3 A resolution and a model of the chromophores of the photosynthetic reaction center from Rhodopseudomonas viridis. Journal of Molecular Biology. December 1984, 180 (2): 385–98. PMID 6392571. doi:10.1016/S0022-2836(84)80011-X.
- ^ Photosynthetic reaction centers of purple bacteria 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2006-05-14. (2 February 1999). Retrieved Feb 28, 2010.
- ^ Biochemistry 5th. New York: WH Freeman. 2002 [2022-01-10]. （原始內容存檔於2010-05-31）.
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- ^ Kaiser, Gary E. Oxygenic photosynthesis: Bacterial growth and microbial metabolism. 24 February 2003. （原始內容存檔於4 May 2006）.
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- ^ Jagannathan, Bharat; Golbeck, John. Schaechter , 編. Encyclopedia of Microbiology 3rd. 2009: 325–341. ISBN 978-0-12-373944-5. doi:10.1016/B978-012373944-5.00352-7.
- ^ Govindjee, Rajni. The Z-Scheme Diagram of Photosynthesis. University of Illinois at Urbana-Champaign. [2022-01-10]. （原始內容存檔於2014-06-25）.