光合水氧化过程中质子转移的调控机制

Photosynthetic water oxidation is one of the most important biochemical processes in nature and is catalyzed by Photosystem II (PSII), an extremely large membrane protein complex consisting of 20 subunits with a total molecular mass of 350 KDa. PSII utilizes light energy to split water into molecular oxygen, electrons and protons. Release and transport of protons in PSII are vitally important issues in the mechanism of photosynthetic water oxidation; however, little is known on the proton transfer within PSII. The purpose of this research is identification of channels involved in proton transfer and their regulation during photosynthetic water oxidation in PSII. In order to achieve this goal, we will use a combination of biological, chemical and physical approaches. We will construct site-directed mutants of some specific amino-acid residues possibly involved in proton transfer based on the recently reported 1.9 ? resolution crystallographic structure of PSII. The mutants obtained will be used to study the functions related to the photosynthetic oxygen evolution using a variety of techniques including polarographic oxygen electrode, absorption and fluorescence spectroscopy, electron paramagnetic resonance(EPR) spectroscopy, etc. In particular, we will purify and crystallize the mutant PSII, and analyze their structures at an atomic resolution using the procedures and conditions already established for wild-type PSII. The results obtained, will be combined to clarify the relationship between structure and function of PSII in terms of proton transfer during oxygen evolution, leading finally to the identification of channels functioning in proton transfer, and how these channels are regulated to ensure the optimal function of PSII water-splitting. The final objective of this project will give valuable information on the mechanism and regulation pattern of the photosynthetic water oxidation reaction.

光合水氧化是自然界最重要的生物化学过程之一，光系统II利用光能将水裂解为电子、氧气和质子。质子的释放与转运是光系统II水氧化机理中一个重要研究课题，然而目前人们关于这一关键过程的认识却非常有限。本项目拟通过生物学、化学及物理学多学科交叉，以光系统II蛋白复合体为研究对象，选择蓝藻为主要研究材料，对水氧化过程中质子转移调控开展深入研究。结合蓝藻光系统II 1.9 Å分辨率晶体结构，对光系统II中一些潜在质子转移相关的关键氨基酸残基进行定点突变。获得突变体后，围绕光合放氧从不同角度和层次对突变体相关功能进行研究。通过培养高分辨率的光系统II突变体晶体，应用同步辐射光源收集衍射数据，解析其结构，进而对其结构与功能关系进行分析研究。该项目旨在阐明光系统II中参与质子转移的重要氨基酸及其形成的质子转移通道，以及它们如何调控光系统II水氧化最佳功能的机制，最终为揭示光合水氧化的反应机理提供重要信息。

光合水氧化是自然界最重要的生物化学过程之一，光系统II利用光能将水裂解为电子、氧气和质子。质子的释放与转运是光系统II水氧化机理中一个重要研究课题，然而目前人们关于这一关键过程的认识却非常有限。本项目通过生物学、化学及物理学多学科交叉，以光系统II蛋白复合体为研究对象，选择嗜热蓝藻Thermosynechococcus vulcanus (T. v.)为主要研究材料，对水氧化过程中质子转移调控开展深入研究。结合光系统II 1.9Å高分辨率晶体结构的信息，分析光系统II中可能参与质子转移的可质子化位点结构并对其开展体内定点突变的研究。选取与氢键网络结构相关的光系统II D1蛋白亚基（psbA基因编码），光系统II外周蛋白PsbO（psbO基因编码）及PsbV蛋白（psbV基因编码）为主要研究对象，根据上述蛋白亚基中氨基酸的位置及其在质子转移中的可能作用开展定点突变实验，制备了不同光系统II蛋白/水氢键网络结构中重要蛋白亚基氨基酸的突变体，并对他们的光合自养生长情况、光合放氧功能及电子传递等方面行研究。D1亚基位点突变体研究结果表明D1-R334氨基酸对维持正常的光合水氧化功能具有重要意义，其很可能参与光合水氧化过程中质子的转移；PsbO亚基位点突变体研究结果表明PsbO-D158不仅对放氧功能维持起重要作用，而且对外周蛋白的结合具有重要作用，其很可能是参与氢键网络的一个重要氨基酸，对光合放氧过程中质子的转移起重要作用，特别是S2到S3及S3到S0的周转过程中质子转移起重要作用；PsbV亚基位点突变体研究结果表明PsbV中PsbV-Y137对光合放氧及PsbV的结合具有重要功能，该位点可能是影响PSII中质子转运或氢键网络的重要氨基酸。总之，以上研究结果进一步揭示了光系统II光合水氧化过程中质子转移的氢键网络结构与功能调控的可能机制，对深入理解PSII 中要氨基酸的功能，阐明光合水氧化调控机理具有重要意义。