科學(xué)家發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)光合作用的量子開(kāi)關(guān)

光合作用是植物利用陽(yáng)光將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物的重要過(guò)程。光捕獲復(fù)合物 II (LHCII) 由附著在蛋白質(zhì)上的色素分子組成。它在兩個(gè)主要角色之間交替：在強(qiáng)光下，它通過(guò)非光化學(xué)猝滅以熱量的形式消散多余的能量，在弱光下，它有效地將光轉(zhuǎn)移到反應(yīng)中心。

最近的生物工程研究表明，加速這些功能之間的轉(zhuǎn)換可以提高光合作用效率。例如，大豆作物的產(chǎn)量增幅高達(dá) 33%。然而，LHCII 中觸發(fā)這種調(diào)節(jié)的精確原子級(jí)結(jié)構(gòu)變化此前尚不清楚。

NPQ和酸度引起的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素的變化驅(qū)動(dòng)LHCII三聚體在光捕獲和能量淬滅狀態(tài)之間切換的分子機(jī)制

NPQ 的分子機(jī)制和酸度誘導(dǎo)的一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素的變化驅(qū)動(dòng) LHCII 三聚體在光捕獲和能量猝滅狀態(tài)之間切換。圖片來(lái)源：物理研究所

在一項(xiàng)新研究中，中國(guó)科學(xué)院物理研究所翁玉祥教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員與深圳灣實(shí)驗(yàn)室高嘉麗教授團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合了單粒子冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)研究利用多態(tài)密度泛函理論 (MSDFT) 計(jì)算光合色素分子之間的能量轉(zhuǎn)移，以原子分辨率分析 LHCII 的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，以確定分子間能量轉(zhuǎn)移的光合色素量子開(kāi)關(guān)。

作為他們工作的一部分，他們報(bào)告了一系列六種冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，包括溶液中 LHCII 的能量轉(zhuǎn)移狀態(tài)以及中性和酸性條件下膜納米盤(pán)中橫向限制的 LHCII 的能量猝滅狀態(tài)。

這些不同結(jié)構(gòu)的比較表明，LHCII 在酸化時(shí)會(huì)發(fā)生構(gòu)象變化。僅當(dāng) LHCII 被限制在膜納米盤(pán)中時(shí)，這種變化才會(huì)以變構(gòu)方式改變熒光猝滅位點(diǎn)葉黃素 1 (Lut1)-葉綠素 612 (Chl612) 的色素間距離，從而導(dǎo)致 Lut1 猝滅激發(fā)的 Chl612。因此，側(cè)壓限制的LHCII(例如聚集的LHCII)是非光化學(xué)猝滅(NPQ)的先決條件，而酸誘導(dǎo)的構(gòu)象變化增強(qiáng)了熒光猝滅。

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