光合作用机理助解食品与能源难题
文章出处：奇 云   发布时间：2005-04-05  


光合作用也许是地球上最伟大的化学反应。通过光合作用，全球绿色植物等生物体，利用太阳能每年转化生物能源约２２００亿吨，相当于全球每年能耗的１０倍。植物光合作用的机理研究因此成为国际上长盛不衰的研究热点。


２００４年３月１８日，英国《自然》杂志以封面和评论文章形式，发表中国科学院生物物理研究所常文瑞的研究小组完成的研究论文《菠菜主要捕光复合物的晶体结构》，并将菠菜主要捕光复合物ＬＨＣ－ＩＩ晶体结构图选作该期杂志的封面。


迷宫一样的蛋白质三维结构图，标志着我国科学家在光合作用研究领域取得世界级的研究成果。

　


６年奋斗

破解光合作用研究一大难题

　


捕光复合物的三维结构是植物高效利用光能的结构基础。１９９４年，德国科学家发表了豌豆植物主要捕光复合物的一个３．４埃分辨率的电子晶体学模型，让生物学家看到了绿色植物这一主要太阳能收集体系的许多结构特征。从此以后，研究人员一直在急切等待一种高分辨率结构，以便将关于光合作用中所涉及的光收集和能量转移过程的知识提升到全面的原子数据水平。


ＬＨＣ－ＩＩ是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物。这一复合物是由蛋白质分子、叶绿素分子、类胡萝卜素分子和脂类分子所组成的复杂分子体系。它们被镶嵌在生物膜中，很难分离和结晶。中国科学院植物研究所匡廷云院士主持的研究小组，经过多年的艰苦努力，分离、纯化了这一重要的光合膜蛋白，为晶体和空间结构的解析打下了物质基础。


中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员主持的研究小组，选取菠菜作为研究对象，经过６年的艰苦努力，终于通过Ｘ－射线晶体学方法，完成这一重要复合物的三维结构测定，在２．７３埃分辨率水平上提供了包括蛋白质分子、色素分子、脂分子在内的近３万个原子的三维坐标，首次完整地建立了复合体内能量传递的网络，并对高等植物在高光照条件下的光保护机理进行了有益的探索。这是国际上第一个用Ｘ－射线晶体学方法解析的绿色植物捕光复合物高分辨率空间结构，助推我国光合作用机理与膜蛋白三维结构研究进入国际领先水平。国际同行评价，“这是光合作用研究领域的一大突破，对于理解植物光合作用中所发生的捕光和能量传递过程，是必不可少的基础。”


常文瑞主持的研究小组发现，菠菜主要捕光复合物结构是由６０个ＬＨＣ－ＩＩ单体组成的具有典型正２０面体对称特征的空心球体，其球壳结构提供了一个包括膜蛋白、色素分子和脂分子在内的一个类似光合膜的完整结构模型。这种结构揭示了色素分子在复合物中的排布规律，可解释ＬＨＣ－ＩＩ能够高效进行光能吸收和传递的原因，对于在分子水平上研究光合膜内蛋白、色素分子以及蛋白与脂分子之间的相互作用具有重要的学术意义。


此外，他们还发现膜蛋白结晶的第三种方式，ＬＨＣ－ＩＩ单体在晶体中先结合形成一个正２０面体形状的空心球体，再以此为基本单位在晶体中周期排列。这种堆积方式完全不同于以往所报道的Ｉ型和ＩＩ型的膜蛋白晶体，是迄今为止所发现的膜蛋白结晶的一种全新方式。这一发现是膜蛋白结构生物学研究领域的一个创新点。

　


为食品和能源问题

提供全新的解决方案

　


绿色植物通过光合作用，利用太阳能将水和二氧化碳转变为有机化合物并放出氧气，由此构成地球上生命繁荣的基础。绿色植物的光合作用需要捕光系统和光反应中心共同完成，植物捕光系统中的捕光蛋白复合物，就像一块块太阳能板，接受太阳能并将其传给光反应中心，而ＬＨＣ－ＩＩ则是绿色植物中含量最丰富的捕光复合物，是“捕捉”太阳能的主力军。因此，研究ＬＨＣ－ＩＩ的晶体结构，是揭开光合作用之谜过程中至关重要的一环。


科学家相信，破解ＬＨＣ－ＩＩ的晶体结构，对于人类彻底认识进而尝试控制光合作用奠定基础。虽然目前研究成果离实际应用还有一段距离，但给农作物提高太阳能利用效率提供了理论依据，同时也为新一代生物芯片和电子元件的研究奠定基础和有效途径，困扰人类的食品和能源问题也许将有一个全新的解决方案。