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光合作用中心

光合作用反应中心（英语：photosynthetic reaction center）是光合自营生物细胞内执行光反应的场所，是由数种色素、蛋白质亚基和其他辅助因子的复合体。光反应利用色素分子吸收光子的能量，并将捕捉到的光能转换成其它可用的形式用于碳固定。

所有绿色植物、藻类和许多细菌的光合细胞中都有光合作用中心。目前公认的中心有两种——I型（主要色素为P700）和II型（主要色素为P680）。在绿色植物和藻类细胞中，两种中心与更多补光复合物（light-harvesting complex，可收集光能，却不产生光化学反应的色素分子复合体）组成更大、更复杂的功能单元，称为光系统。红假单胞菌的反应中心目前被研究的最彻底，是第一个已知结构的光合作用中心，其蛋白质结构较植物的单纯。[1]

电子转移与光能转换

参见：光反应

一旦光能被色素分子直接吸收，或通过共振转移由周围的补光复合物传给色素，发色团（发生光化学反应的色素中因照光产生变化的部位）的电子会被激发，携带高能量并脱离原子核静电力吸引进入电子传递链。电子传递炼中的分子（即电子受体，绿色植物中常见的种类有脱镁叶绿素、醌、质体醌、细胞色素bf和铁氧还蛋白）一旦接收这些高能电子，就会再释放一个电子给构成传递炼的下一个原子，透过这种方式将能量最终传递给质子供体如H2O，从中提取电子和质子并释放氧气。

质子供体释放的质子将NADP+还原成NADPH 。电子通过电子传递链也导致质子（氢离子）从叶绿体的基质泵入类囊体内，从而在类囊体膜产生质子梯度，可用于合成ATP（能量货币）。ATP和NADPH都可以被用于卡尔文循环（最主要的碳反应形式）。

分类

I型中心可在绿硫细菌、太阳杆菌和植物-蓝藻的光系统I中发现，使用铁硫簇作为电子受体；II型中心则可见于绿弯菌、紫细菌和植物-蓝藻的光系统II，使用醌类作为电子受体。具有相同中心的生物具有共同的祖先。[2][3]

细菌的中心

细菌的光合作用中心一直是了解生物如何将光能转化为化学能的重要模型，本节讨论在紫细菌中发现的II型系统。1960年代，Roderick Clayton是第一个从紫细菌中纯化出中心复合物的人。第一个晶体结构（右下图）在1984年由哈特穆特·米歇尔 、约翰·戴森霍费尔和罗伯特·胡贝尔[4]确定，这也是第一个被确定的膜蛋白复合物三维晶体结构。细菌的II型系统与植物-蓝藻叶绿体膜上的光系统II类似，两者可能有共同的祖先。

结构

 
细菌的光合作用中心。此图标示出数种重要的功能性蛋白质亚基和辅助因子：H亚基（橘色）、L亚基（蓝色）、Ｍ亚基（紫色）、与L和M亚基结合且可与光互动的辅助因子（绿色）
参见：Photosynthetic reaction centre protein family（英语：Photosynthetic reaction centre protein family）

光合细菌的细胞膜向内凹陷，包覆可行光合作用的色素（通常是菌绿素），形成类似蓝藻类囊体的囊状构造，中心自然也位于其中。

细菌的中心中，可行光合作用的色素包含菌绿素b（BChl-b）和脱镁菌绿素（BPh）b。BChl类似蓝藻和植物的叶绿素，但由于微小的结构差异，其主要吸收的光属于红外线（叶绿素可吸收可见光），其波长长达1000nm。 Bph与BChl具有相同的结构，但中心镁离子被两个质子取代，导致其吸光度最大偏移且氧化还原电位降低。不同种细菌的BChl-b和BPh可能略有不同，导致不同种细菌可吸收的光谱波段可能不一样。

细菌的光合作用中心包含四种基本的蛋白质亚基：

  1. L和M亚基。它们都穿越了细胞膜的双分子磷脂膜，在结构上彼此相似，都有5个跨膜的α螺旋。[5]四个BChl-b分子，两个BPh分子，两个醌类（QA和QB），以及一个亚铁离子和L与M亚基相关。
  2. H亚基，位于细胞膜的细胞质一侧。
  3. 细胞色素亚基，包含四个c型血红素，位于膜的周质表面（外部）。此种结构并不普遍存在于所有光合细菌中。
     
    细菌中心的示意图，顶部是细胞色素C

机制

细菌的光反应始于光被位于膜的外延侧附近的两个BChl分子吸收时。这对菌绿素分子，通常被称为 “特殊对”，在870nm或960nm处（取决于物种）吸收光子，因此被称为P870（Rhodobacter sphaeroides菌）或P960（Blastochloris viridis菌），其中P代表色素。BChl吸收了一个光子，就会喷出一个电子，这个电子通过另一个BChl分子转移到L亚基的BPh。电荷转移造成BChl带正电（记为P+或P960+），BPh带负电（记为BPh-）。此步骤发生在10皮秒内。[6]

在这种状态下，P+和BPh-上的电荷可能产生键结，放出熵而导致浪费，中心的构造有助于防止这种情况。首先，与反应中心的另外两个氧化还原反应相比，电子从BPh-转移到P+的过程相对缓慢，这两个较快的反应涉及电子从BPh-（BPh-被氧化为BPh）转移到电子受体醌（QA），以及电子从中心上方的细胞色素亚基的血红素转移到P960+（P960+被还原为P960）。

停留在紧密结合的醌分子QA上的高能电子被转移到一个可交换的醌分子QB上。这个分子与蛋白质松散地联系在一起，相当容易分离。将QB完全还原为QH2需要两个电子，在此过程中从细胞质中吸收两个质子。被还原的醌QH2穿过膜扩散到另一个蛋白复合物（细胞色素bc1-复合物），在那里被氧化。在这个过程中，QH2的还原力被用来将质子穿过膜到周质空间。然后，来自细胞色素bc1-复合物的电子通过周质中的可溶性细胞色素c中间物，即细胞色素c2，转移到细胞色素亚基。

蓝藻和植物的中心

蓝藻是绿色植物细胞中叶绿体的前身，具有两种中心系统——光系统II和光系统I，结合这两个系统可以产生氧气。

有氧光合作用

1772年，化学家普里斯特利进行了一系列与氧气和二氧化碳有关的实验。如果将一只老鼠与燃烧的蜡烛同置于密闭的玻璃罐中，老鼠在蜡烛熄灭后不久就会死亡；然而，如果以绿色植物取代老鼠，并以阳光照射植物，植物不仅不会在蜡烛燃尽后死亡，甚至还能继续生长。在近一步研究之后，普里斯特利证明植物在吸收啤酒发酵、蜡烛燃烧以及动物呼吸时产生的“固定气体”（即二氧化碳）后可以制造能维持动物呼吸、使燃烧更剧烈的“活命气体”（即氧气）。普里斯特利在著作中以燃素说的观点解释，将氧气称为“脱去燃素的气体”。普利斯特里的观察是最早证明光合作用反应中心活动的实验。

1779 年，詹·英格豪斯在实验中将绿色植物浸在透明水箱中，每当植物暴露在光线下时，许多气泡从叶子表面浮起。英格豪斯收集了植物放出的气体，并将一个燃烧的锥子放入气体样本中，让它重新点燃，证明植物会放出氧气，即普里斯特利所谓“脱去燃素的气体”。

1932年，罗伯特‧爱默生（Robert Emerson）和他的学生William Arnold使用重复闪光技术精确测量了小球藻中叶绿素所释放的少量氧气，证明了光合作用单元的存在。Hans Gaffron和Kurt Wohl后来对该实验进行了解释，意识到光合单元在制造氧气的同时将吸收的光能转移了。[7]这一转移能量的过程发生在光系统II的中心，存在于蓝藻、海藻和绿色植物中。[8]

光系统II

 
蓝藻的光系统II单体，PDB 2AXT。
参见：光系统 II

光系统II位于叶绿体膜上，[9]是在光反应中产生两个电子的光系统，最终在铁氧化蛋白-NADP+还原酶中还原NADP+。光系统II的结构与细菌的光合作用中心非常相似，理论上它们具有共同的祖先。

光系统II的核心由两个亚基D1和D2组成，类似细菌中心的L和M亚基。光系统II比细菌的中心多了许多额外的蛋白质亚基，这些亚基结合额外的叶绿素以提高效率。

光系统II催化的总反应为：

2Q + 2H2O + hν → O2 + 2QH2

Q代表质体醌（Q的氧化形式），QH2代表质粒酚（Q的还原形式），还原醌的过程与在细菌中心发生的过程相同。光系统II透过光分解作用氧化水以获得电子，产生副产品氧气，为现今大气层主要的氧气来源。绿色植物中的氧气来自水的事实最早是由马丁·大卫·卡门（Martin David Kamen）推断出来的。他使用稳定的氧同位素18O来追踪从水到氧气分子的反应路径，该反应由光系统II中含四个锰离子的中心催化。

植物的光反应始于一对被称为P680[10]的叶绿素分子激发，与细菌的反应类似。由于植物的特殊对色素为叶绿素a，而不像细菌是菌绿素，光系统II吸收的光波长较细菌的中心短。当P680吸收一个光子后，就会放出一个高能电子给附近的脱镁叶绿素分子，使P680带正电，此过程被称为光诱导电荷分离（photoinduced charge separation）。电子从叶绿素分子中穿过两个质粒醌分子，第一个是紧密结合的，第二个是松散结合的，这种电子流与细菌反应中心的电子流相似，需要两个电子将松散结合的质粒醌分子完全还原成QH2，同时也需要吸收两个质子。

P680在吸收光子→放出电子→带正电之后，将成为一种非常强的高能氧化剂P680+。它将其能量传递给结合在锰中心（由四个锰离子、一个钙离子、一个氯离子和一个酪氨酸残基组成）正下方的水分子，并氧化它们，使两个水分子形成一个氧分子。到目前为止，这种分水催化中心还没有被任何人造的催化剂所复制。

氧化水后可以得到四个电子，为将两个Q分子还原为QH2的电子源。与细菌不同，在细菌的中心，还原Q分子的电子是从细胞色素亚基中的还原复合血红素基团或水溶性细胞色素-c蛋白中获得。

光系统 I

参见：光系统 I

在电子离开光系统II后，会被转移到细胞色素b6f复合物，然后转移到质体蓝素（一种蓝色铜蛋白和电子载体）。质体蓝素复合物携带的电子将中和下一个中心——光系统 I中的电子对。

与光系统II和细菌中心一样，光系统I中一对叶绿素a分子启动了光诱导电荷分离。这对分子被称为P700，位于蛋白质的中心位置，其中700指的是叶绿素分子最大吸收光的波长。一旦光诱导的电荷分离开始，电子就会沿着一条路径，穿过位于P700正上方的叶绿素α分子，穿过位于正上方的醌分子，穿过三个4Fe-4S团簇，最后到达一个可互换的铁氧还蛋白复合物。[11]铁氧还蛋白是一种可溶性蛋白质，含有一个由四个半胱氨酸残基协调的2Fe-2S簇。高能的P700+上的正电荷被来自质体蓝素的电子转移所中和，质体蓝素获得的能量最终用于将QH2转化为Q。

光系统I催化的整体反应是：

Pc(Cu+)+Fd[ox]+hν → Pc(Cu2+)+Fd[red]

光系统I和II之间的合作产生了从H2O到NADP+的电子和质子流，产生了葡萄糖合成所需的NADPH。这一途径被称为“Z方案”（Z-scheme），因为从H2O经P680和P700到NADP+的氧化还原图类似于字母Z。[12]

外部链接

参见

参考

  1. ^ Biochemistry. New York: WH Freeman. 2002 [2022-01-10]. （原始内容存档于2010-05-31）. 
  2. ^ 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. 
  3. ^ 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. 
  4. ^ 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. 
  5. ^ Photosynthetic reaction centers of purple bacteria 互联网档案馆的存档，存档日期2006-05-14. (2 February 1999). Retrieved Feb 28, 2010.
  6. ^ Biochemistry 5th. New York: WH Freeman. 2002 [2022-01-10]. （原始内容存档于2010-05-31）. 
  7. ^ Probing photosynthesis : mechanisms, regulation, and adaptation. London: Taylor & Francis. [2022-01-10]. ISBN 978-0-7484-0821-4. （原始内容存档于2014-05-24）. 
  8. ^ Kaiser, Gary E. Oxygenic photosynthesis: Bacterial growth and microbial metabolism. 24 February 2003. （原始内容存档于4 May 2006）. 
  9. ^ The chloroplast. Ultranet Biology. （原始内容存档于3 August 2003）. 
  10. ^ Biochemistry 5th. New York: WH Freeman. 2002 [2022-01-10]. （原始内容存档于2010-05-31）. 
  11. ^ Jagannathan, Bharat; Golbeck, John. Schaechter , 编. Encyclopedia of Microbiology 3rd. 2009: 325–341. ISBN 978-0-12-373944-5. doi:10.1016/B978-012373944-5.00352-7. 
  12. ^ Govindjee, Rajni. The Z-Scheme Diagram of Photosynthesis. University of Illinois at Urbana-Champaign. [2022-01-10]. （原始内容存档于2014-06-25）. 
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