【PDB-101】2004年11月 月度分子：光系统II【搬运·翻译】

——光系统II利用源自太阳光的能量夺取水分子的电子

    30亿年前，世界发生了翻天覆地的变化。其时之前，能使地球上的生命赖以维生的只有局部环境中极为有限的自然资源，譬如那些诞生于闪电活动、热泉或其他地球化学来源的有机分子，然而这些资源总是很快就会耗竭。直到某一天，有细胞发明了捕获光能用以驱动自身生命过程的方法，巨变由此开始。光合作用为生物的生长与扩张带来了不知多少新的可能，地球生命因之空前繁荣。善用光合作用的生物只需从空气中摄取二氧化碳，将它与水分子结合，就能得到生长所需的原材料和能量。放眼现在，光合作用是地球生命的基石，生物所需的食物和能量都是它的恩赐（当然了，奇奇怪怪的例外还是存在的）。

光合的颜色

    现在行光合作用的细胞拥有专门捕获光的光系统，比方说上图中展示的这位（来自PDB条目1s5l）。这些光系统含有一系列用来捕光的五颜六色的分子，包括绿色的叶绿素和橙色的类胡萝卜素。叶绿素的模样差不多是一个中间嵌了个镁离子的平面有机分子，类胡萝卜素则含有一长串碳碳双键。（ATP注：其实叶绿素也有条“长尾巴”，尽管那是条双萜侧链~）这些分子可以吸收光，用获得的能量为电子“充能”，而后得到的高能电子就可以拿来为细胞产能了。

活力满满的电子

    光系统II位处光合作用中一系列反应的第一环。它捕获光子，利用光子的能量从水分子中夺取电子。这些电子的作用是一步一步地发挥出来的。首先，这些电子被揪出来时，水分子也就分解成了氧分子和氢离子。氧分子很快就会扩散出去，而氢离子则可以用来驱动ATP合成。我们赖以呼吸的所有氧气都来自这个过程。然后，电子在一溜儿电子载体之间传来递去，半道上还在光系统I那补一次能量。电子流动的同时，更多的氢离子被跨膜泵送到类囊体腔内（ATP注：友情提示，光合链里没有真正的“质子泵”，质子的跨膜转移是通过氧化还原反应间接发生的），为ATP合成提供更多能源。最终，电子载体NADPH接过电子，将其奉送给负责用二氧化碳和水合成糖类的酶。

反应中心

    反应中心，也就是光能被转变为高能电子的运动的地方，是光系统II的灵魂。它的中央有一个关键的叶绿素分子，这个叶绿素吸收光时，身上的一个电子便会被激发到能量更高的状态。然后高能电子离开叶绿素，在一堆有色分子的协作下先是传球似的被扔给质体醌A，再被塞到质体醌B的手里。等小小的质体醌B攒够电子后，它就从光系统II上解离下来，把电子送去电子传递链的下一环。这一系列操作很棒，不过当然也别忘记最初那个叶绿素还缺着一个电子呢。反应中心的上半部分负责处理这个问题，方法是用来自水的低能电子替换一去不回来的高能电子。放氧复合体从水分子上拽下一个电子，传给一个酪氨酸，酪氨酸再把电子给到叶绿素手中，让它做好吸收下一个光子的准备。

捕捉光能

    不用想就能明白，假如说植物必须盼着光子碰巧儿打中反应中心里边那一个特别的叶绿素，光合作用可就太低效了！万幸的是，通过所谓的共鸣能量转移，一个被光激发的电子的能量可以轻松地被转移给另一个电子。只要两个分子靠得足够近，那么量子力学奇迹就可以发生，其中一个分子的能量就能“跳”到另一个分子身上。为了利用这个特性，光系统们都自带由吸光分子组成的超大号天线，它们就负责吸收能量，并把能量向反应中心转移。这还不够，植物甚至专门准备了精于捕光的蛋白质，把它们安置在光系统周边，帮光系统收集光能。上面这幅图是光系统II的俯视图（PDB条目1s5l），突出展示了它里面的吸光分子。其中一个反应中心的中央叶绿素以箭头指出（注意下边还有一个反应中心——完整的光系统II是由一模一样的两半组成的）。图上部和下部那两个装满了叶绿素和类胡萝卜素的三角形分子就是捕光蛋白（PDB条目1rwt）。

探索结构

    光系统II的放氧中心是个复杂的原子团簇，其中有锰离子（梅红色）、钙离子（蓝绿色）和氧原子（红色）。它从两个水分子上揪下四个电子，生成氧气和四个氢离子。两个水分子的结合位点并不清楚，不过PDB条目1s5l中有一个碳酸氢根跟放氧中心结合，或许能给我们一些关于活性位点的提示。这幅图中只包含了碳酸氢根中的两个氧原子（蓝色），其中一个跟一个锰离子结合，另一个跟钙离子结合。注意放氧中心为组氨酸、天冬氨酸和谷氨酸围绕，这些氨基酸负责把放氧中心固定在它该在的位置。上文所述的酪氨酸就在图正中间，其位置恰巧适合做水分子和叶绿素之间的“桥梁”。

    这幅图是用RasMol制作的。你可以前往上述PDB条目的页面，选择一种3D视图，然后就能看到类似的图啦！如果你想要探究光系统II的结构，可要做好些面对挑战的心理准备：它非常复杂，你很可能需要花点时间才能把它的一切搞明白。要是你只想看反应中心的话，可以试试只展示1-8、40和41号非蛋白残基以及chain A的161号酪氨酸。

    光系统在月度分子里都讲得比较早，这篇PSII是04年的，PSI甚至比它还早，是01年的。因此，这篇文章最后的探索结构部分没有可互动的JSmol（比较古早的文章都是这样），最后也没有“更多话题”。

    以前我有说过会在这边简单讲些有关光损伤的故事，废话少说，咱们现在就开始。光能很强大，强大到能让PSI整出令某些金属都自愧不如的强还原剂（被激发的P700氧还电位可达-1.2V）、让PSII常温常压手撕水分子（P680+氧还电位约为1.3V），但这份强大也有其代价。面对光损伤的威胁，PSI和PSII的策略几乎相反：前者选择“放弃治疗”，后者选择“放弃抵抗”。什么意思呢？PSI对光损伤的抵抗力仿佛涂了10层防晒，然而万一它运气不好真损伤了，那损伤几乎是不可逆的。不过，假如来自PSII的电子流超出PSI的处理能力，那PSI对光损伤的抵抗力就会断崖式下降。相比之下，PSII则走了另一个极端——它不停遭受着光的毒打，平均每接收10^7~10^8个光子就会受损一次，但高效的修复机制很快就能让受伤的PSII恢复活力。PSII的修复速率受到很多环境因素影响，也被光合系统的能量状态调节，具体说来就是光过多的时候修复速率会下调。你可能会说了，这什么逻辑啊？光过多的时候PSII会被损伤得更厉害的，这会儿还要把修复机制下调，不是欺负PSII吗！别慌。你想想，实际上PSI的光损伤比PSII的光损伤要命得多，因为前者几乎不可逆！前面我们说了，PSI平时天不怕地不怕，只在接收到的电子太多时怕光。光照强的时候PSII干活儿也更猛，送来的电子更多，要是修复机制还那么高效，给到PSI的电子一不小心就会太多，这可不妙！所以，植物选择暂时牺牲光合链开头的PSII，通过降低修复效率来下调它的活性，以防从它那来的电子把PSI淹没，造成更大损失。最早人们在研究PSII的损伤与修复时就发现，被光蹂躏过后的PSII并不会“遍体鳞伤”，其损伤集中在反应中心里一个名叫D1的亚基上，所以修复时很简单，只要做手术似的把复合体拆开，把坏掉的D1换成一个新的D1，然后将复合体装配回去就好了。因此，D1得了个“自杀蛋白”的外号，说的是它通过牺牲自己来让PSII其他部分免受损伤。这样的概念完全可以被推广到整条光合链上，也就是PSII通过牺牲自己来保护光合链的其他部分，尤其是不易修复的PSI。本来我就比较喜欢PSII，这个事实似乎又让它给我的好感多了几分呢。（不对）

    因技术与能力限制，请前往原网页以查看原文中所有超链接（这回没有可互动的JSmol文件了）。

    强烈推荐去PDB-101官网查看原文，顺便探索一下这个干货满满的科普平台。

作者：David S. Goodsell

原文网址：https://pdb101.rcsb.org/motm/59

PDB-101首页：https://pdb101.rcsb.org

RCSB PDB首页：https://www.rcsb.org

封面出处：https://www.reddit.com/r/chemistry/comments/eet29v/photosystem_ii_illustration

这张封面图其实是张还没完成的手稿，完成图是描绘整个光合链的，真的非常好看！可惜完成图没有PSII的特写，我就只好先用这张手稿了……

完成图出处：https://www.reddit.com/r/graphics/comments/ehassu/2nd_attempt_of_digital_design_with_procreate