光合作用中光反應(yīng)的機(jī)制和由來（7）

朱欽士（美國南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2019年第7 期第8 頁）

14 增加光合作用效率的“葉綠素天線”

光反應(yīng)中心的葉綠素分子在受到光照時雖然可以射出電子，使得光合作用成為可能，但僅靠光反應(yīng)中心的葉綠素分子，效率不會很高。這是因為葉綠素分子的面積太小了，只有約1（nm）2。如此小的面積接收不到許多光子。在熱帶地區(qū)的中午，太陽光光子的密度大約為1.2×1020／（m2·s），即每平方米每秒有1.2 萬億億個光子，分到每平方納米的面積上就是每秒120 個光子。這個數(shù)量看似不小，但除去各種吸收，包括云層的吸收，空氣中顆粒（包括固體顆粒和氣溶膠顆粒）的散射和吸收，以及葉片結(jié)構(gòu)的吸收，真正達(dá)到每個葉綠素分子上的光子通常只有每秒1 個，遠(yuǎn)不及細(xì)胞生理活動的需要。

幸運的是，葉綠素分子還可將吸收的光能傳遞給附近的葉綠素分子，這樣，生物就可使用大量的葉綠素分子收集光能，再將接收到的光能傳遞給光反應(yīng)中心那個能射出電子的葉綠素分子。每個光反應(yīng)中心有大量的葉綠素分子作為“天線”，幫助它收集太陽光，即可極大提高光合作用的效率。

光反應(yīng)中心對結(jié)構(gòu)的要求非?？量蹋驗樗诠庹諘r讓葉綠素分子射出電子，電子再經(jīng)過另一個葉綠素分子還原醌分子，所以自光反應(yīng)中心出現(xiàn)后的幾十億年時間內(nèi)，其空間結(jié)構(gòu)基本維持不變，所有進(jìn)行光合作用的生物都擁有在結(jié)構(gòu)上高度一致的光反應(yīng)中心。相比之下，葉綠素分子之間傳遞能量卻要容易得多，所以各式各樣的結(jié)構(gòu)都能完成這樣的任務(wù)。在多數(shù)情況下，收集光能的葉綠素分子是結(jié)合在葉綠素結(jié)合蛋白（chlorophyll binding protein）上的，共同組成“捕光復(fù)合物”（light-harvesting complexes，簡稱LHC）。捕光復(fù)合物與光反應(yīng)中心接觸，將接收到的光能傳輸給光反應(yīng)中心。生活在不同環(huán)境中的光合生物（例如水中或陸上、淺水或深水、向陽處或背陰處）對捕光任務(wù)有不同的要求，不同的光合生物就有不同的捕光復(fù)合物，其中各種葉綠素結(jié)合蛋白之間也沒有傳承關(guān)系，甚至還有葉綠素分子根本不結(jié)合到蛋白質(zhì)上的情形。

例如生活在海平面100 m 以下的綠色硫細(xì)菌（green sulfur bacteria）就使用一種稱為“綠色體”（cholrosome）的結(jié)構(gòu)收集光能。由于這個深度的海水中光的強(qiáng)度很低，綠色體也十分巨大，可以有100～200 nm 長，50～100 nm 寬，15～30 nm 高，其中含有多達(dá)幾十萬個葉綠素分子。這些葉綠素分子并不結(jié)合在蛋白分子上，而是與一些胡蘿卜素分子、醌分子結(jié)合在一起，自組織成片狀結(jié)構(gòu)。由于葉綠素分子、胡蘿卜素分子和醌分子都是高度親脂的，這些分子外面包有單層的生物膜，其脂肪酸的“尾巴”直接與膜內(nèi)的葉綠素分子接觸。葉綠體通過一個稱為“基盤”（baseplate）的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞膜相連?；P含有數(shù)千個CsmA 蛋白，每個CmsA 蛋白結(jié)合一個葉綠素分子，以便將葉綠體收集到的太陽光的能量傳給位于細(xì)胞膜中的光反應(yīng)中心。

藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria）則使用一種稱為“藻膽體”（phycobilisome）的結(jié)構(gòu)收集光能。與綠色體一樣，藻膽體也不位于膜內(nèi)，而是附著在細(xì)胞膜上的結(jié)構(gòu)，但藻膽體中的葉綠素分子是結(jié)合在蛋白分子上的。藻膽體有一個由“別藻藍(lán)蛋白”（allophycocyanin）組成的核心，從核心上放射狀地發(fā)出幾個由藻膽蛋白（phycobiliprotein）疊加而成的柱狀物。藻膽蛋白含有稱為“藻膽素”（phycobilin）的色素分子，其分子結(jié)構(gòu)類似于葉綠素，但是4 個吡咯環(huán)并不連成環(huán)狀，成為卟啉環(huán)，而是線狀彼此相連。藻膽素能吸收太陽光中波長為500～650 nm的綠光和黃光，并將這些能量傳遞給光反應(yīng)中心的葉綠素分子。這些波長的光線是葉綠素分子不太吸收的，葉綠素吸收的主要是紅光，而紅光在水中的傳播能力較差，大部分被上層水所吸收，所以生活在水面下的藍(lán)細(xì)菌使用藻膽素更為有利。

在原核生物的紫細(xì)菌中，位于膜內(nèi)的捕光復(fù)合物就開始出現(xiàn)。例如紫細(xì)菌的捕光復(fù)合物中的葉綠素結(jié)合蛋白含有3 個跨膜區(qū)段，上面結(jié)合有12 個葉綠素分子和2 個類胡蘿卜素分子。它們形成特殊的空間排列，以便使任何受到光子激發(fā)的葉綠素分子都可以將能量傳給光反應(yīng)中心。其能量傳輸?shù)男史浅８?，在不?ns 的時間內(nèi)就能將收集到的能量傳輸給光反應(yīng)中心，傳輸效率為95%，即基本上沒有能量損失。

紅藻中的紫球藻（Porphyridium cruentum）對捕光復(fù)合物的使用是處在一種過渡狀態(tài)：它的光系統(tǒng)Ⅱ像藍(lán)細(xì)菌那樣使用藻膽體作為捕光復(fù)合物，而它的光系統(tǒng)Ⅰ卻使用膜內(nèi)的捕光復(fù)合物。到了陸生植物，像藻膽體那樣的膜外捕光復(fù)合物就不再被使用了，而都改用膜內(nèi)的捕光復(fù)合物。這些捕光復(fù)合物所含的蛋白亞基數(shù)可以不同，每個亞基也可以有不同的結(jié)構(gòu)，包括跨膜區(qū)段的數(shù)量和空間排布。它們與光反應(yīng)中心的結(jié)合狀態(tài)也不同，有的緊密，有的松散，在光線過強(qiáng)時捕光復(fù)合物中的蛋白還會被磷酸化，從光反應(yīng)中心解離。所以陸生植物對捕光復(fù)合物的使用是靈活多變的，以適應(yīng)不同環(huán)境下光照狀況的變化。

捕光復(fù)合物雖好，但畢竟是光反應(yīng)中心的“身外之物”。萬一這些捕光復(fù)合物出了問題，不與光反應(yīng)中心結(jié)合了怎么辦？為保險起見，每個光反應(yīng)中心還“貼身自帶”捕光的葉綠素分子。例如光系統(tǒng)Ⅱ的光反應(yīng)中心由2 個蛋白亞基D1 和D2 組成，每個亞基含有5 個跨膜區(qū)段，結(jié)合有光反應(yīng)所需要的葉綠素分子和醌分子。與這2 個蛋白亞基結(jié)合在一起的，還有2 個彼此相似的蛋白叫CP43和CP47。每個蛋白亞基含有6 個跨膜區(qū)段，一共結(jié)合大約30 個葉綠素分子。這30 個葉綠素分子就是Ⅱ型光反應(yīng)中心的“內(nèi)部天線”，在任何情況下都是可以指望的。

光系統(tǒng)Ⅰ的光反應(yīng)中心更厲害，將天線葉綠素分子直接結(jié)合在光反應(yīng)中心的蛋白自身上，捕光葉綠素就更“跑不了”了。光系統(tǒng)Ⅰ的光反應(yīng)中心由PsaA 和PsaB 2 個蛋白亞基組成，每個亞基比光系統(tǒng)Ⅱ的D1 和D2 大得多，含有11 個跨膜區(qū)段。其中羧基端的5 個跨膜區(qū)起光反應(yīng)中心的作用，而氨基端的6 個跨膜區(qū)段是結(jié)合天線葉綠素的功能域。這2 個功能域一共結(jié)合80 個葉綠素分子，包括光系統(tǒng)Ⅰ的“內(nèi)部天線”。所以光系統(tǒng)Ⅰ的核心蛋白既含有光反應(yīng)中心，又含有天線。

比較Ⅱ型光反應(yīng)中心的D1／D2、CP43／CP47 和Ⅰ型光反應(yīng)中心的PsaA／PsaB，發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，就是PsaA／PsaB 可能是D1／D2 與CP43／CP47融合的產(chǎn)物。

15 光系統(tǒng)Ⅰ從光系統(tǒng)Ⅱ演變而來時發(fā)生了基因融合

光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ都至少有幾十億年的歷史，它們之間在氨基酸序列上的共同性已經(jīng)幾乎完全消失，所以用氨基酸序列的比較已經(jīng)無法得出它們發(fā)展的歷史。但這2 個系統(tǒng)的光反應(yīng)中心都是二聚體，蛋白質(zhì)分子所結(jié)合的發(fā)射電子的葉綠素分子，最初接收電子的葉綠素（光系統(tǒng)Ⅰ）或去鎂葉綠素（光系統(tǒng)Ⅱ），以及接收電子的醌分子的空間位置高度一致，且蛋白質(zhì)肽鏈折疊的方式也相同，說明這2 類光反應(yīng)中心是同源的。

比較Ⅰ型光反應(yīng)中心PsaA/PsaB 與Ⅱ型光反應(yīng)中心的D1／D2 和CP43／CP47，得出了有趣的結(jié)果。如上所述，PsaA/PsaB 2 個亞基中每個含有11個跨膜區(qū)段，分子量大約80 000，含有光反應(yīng)中心（5 個跨膜區(qū)段）和捕光天線域（6 個跨膜區(qū)段），而組成光系統(tǒng)Ⅱ光反應(yīng)中心的D1／D2 每個有5 個跨膜區(qū)段，分子量大約32 000，其空間形狀與光系統(tǒng)Ⅰ中PsaA／PsaB 羧基端的5 個跨膜區(qū)段高度相似；而光系統(tǒng)Ⅱ的“天線蛋白”CP43／CP47 每個有6 個跨膜區(qū)段，分子量分別為43 000 和47 000，它們的空間形狀又和光系統(tǒng)Ⅰ氨基端的6 個跨膜區(qū)段也高度一致。這也說明這些蛋白是同源的，問題是為什么同樣的蛋白在Ⅰ型光反應(yīng)中心中是一條肽鏈，而在Ⅱ型光反應(yīng)中心中卻分為2 條肽鏈？

對這種現(xiàn)象有2 種假說。一種假說認(rèn)為D1／D2和CP43／CP47 是PsaA/PsaB斷裂的產(chǎn)物，即 為PsaA／PsaB 編碼的基因分裂為2 段，這2 段基因分別為D1／D2 和CP43／CP47 編碼，擁有11 個跨膜區(qū)段的PsaA/PsaB 蛋白也因此分裂為擁有5 個跨膜區(qū)段的D1／D2 和擁有6 個跨膜區(qū)段的CP43／CP47。這種現(xiàn)象稱為“基因分裂”（gene fission）。另一種假說與此相反，認(rèn)為PsaA／PsaB 是D1/D2 與CP43／CP47 融合的產(chǎn)物，即為D1／D2 和CP43／CP47 編碼的基因融合在一起，變成一個基因。這種現(xiàn)象稱為“基因融合”（gene fusion）。在生物體中，基因分裂和基因融合的現(xiàn)象都能發(fā)生，因此2 種過程在理論上都有可能。

基因融合可將功能相關(guān)的2 個或多個蛋白融合在一起，成為多功能的單一蛋白。這樣做的好處是這些功能相關(guān)的蛋白總是在一起，而不需要這些蛋白在細(xì)胞中各自合成后再運動到一起。將多個蛋白融合到一起，功能單位的數(shù)量也保證是一比一，而蛋白分開表達(dá)就需要有控制機(jī)制使它們的表達(dá)程度一致。例如在原核生物中，有3 個與嘧啶（DNA 的組成成分之一）合成有關(guān)的酶，分別是氨甲酰磷酸合成酶（carbamoyl phosphate synthase）、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（aspartate carbamoyltransferase）和二氫乳酸酶（dihydroorotase）。這3 個酶各有為自己編碼的基因，在細(xì)胞中分別合成。這3 個酶彼此協(xié)作，用谷氨酰胺為原料合成嘧啶。而在真核生物的真菌和動物中，這3 個功能彼此聯(lián)系的酶都融合在一起，成為單一的多功能酶，即1 個蛋白分子具有3 種酶的活性。植物中則沒有這種融合，3 個酶仍然分別表達(dá)，這說明真菌與動物的關(guān)系更近。另一方面，植物中2 個與胸腺嘧啶合成有關(guān)的酶，胸苷酸合成酶（thymidylate synthase，TS）和二氫葉酸還原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）彼此融合在一起，稱為TS-DHFR 融合，而這種融合在真菌和動物中都未曾發(fā)生過，也說明植物與真菌和動物有不同的祖先。當(dāng)然基因融合的后果并不總是好的，融合的蛋白也許會有異常的生理功能，甚至導(dǎo)致癌癥。但是基因融合是蛋白改變形式的一種方式，在生物演化中也起一定的作用。

基因分裂也是改變蛋白結(jié)構(gòu)和功能的一種方式，但與基因融合相比，它發(fā)生的頻率要低得多。根據(jù)對多種生物全基因組（genome）資料（即全部DNA 序列）的統(tǒng)計分析，基因融合和基因分裂的比例，在細(xì)菌中是3.92，在古菌中是5.07，在真核生物中是4.16，都大大高于1。根據(jù)以上分析，光系統(tǒng)Ⅰ的PsaA／PsaB 來自光系統(tǒng)Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47 的基因融合，其可能性要高于光系統(tǒng)Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47來自光系統(tǒng)Ⅰ的PsaA／PsaB 的基因分裂。

如果考慮到光系統(tǒng)Ⅱ的光反應(yīng)中心最初是從細(xì)胞色素b變化而來的，基因融合說就更有道理。由細(xì)胞色素b變來的光反應(yīng)中心相當(dāng)于蛋白D1／D2，其最初的任務(wù)是用光激發(fā)的葉綠素分子還原醌分子，應(yīng)該還沒有帶上捕光天線。而另一個蛋白能結(jié)合許多葉綠素分子，但是沒有光反應(yīng)中心的活性，相當(dāng)于CP43／CP47，它們與光反應(yīng)中心結(jié)合，成為其“天線”。由于這2 個功能緊密相連，將2 個蛋白融合為1 個蛋白是有利的，這就變成了光系統(tǒng)Ⅰ中的PsaA／PsaB。如 果 光系統(tǒng)Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47 來自光系統(tǒng)Ⅰ的PsaA／PsaB 的分裂，就要求光反應(yīng)中心的蛋白一出現(xiàn)就能同時執(zhí)行光反應(yīng)中心的功能和天線這2 個功能，然后反而分裂為光反應(yīng)中心和天線2 個部分，這種可能性是比較小的。光系統(tǒng)Ⅱ的任務(wù)就是還原醌分子，而光系統(tǒng)I 在此基礎(chǔ)上大大“加碼”，不僅增加了3 個電子傳遞中心（Fx、FA、FB），還要經(jīng)過FAD 還原NADP＋，如果光系統(tǒng)Ⅰ的出現(xiàn)早于光系統(tǒng)Ⅱ，即光系統(tǒng)Ⅱ是從光系統(tǒng)Ⅰ變化而來，那就要設(shè)想復(fù)雜的系統(tǒng)先出現(xiàn)，“簡化版”反而后出現(xiàn)，這種可能性也是很低的。

（待續(xù)）