光合作用的研究始于17世紀(jì)。經(jīng)過數(shù)百年的研究，我們雖對(duì)光合作用各步已有不少了解，然而對(duì)于光合作用涉及的電荷轉(zhuǎn)移及其伴隨的分子級(jí)別層面的變化，認(rèn)識(shí)還十分有限。
由美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室Junko Yano研究員和Vittal K. Yachandra研究員領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)揭示了藍(lán)藻T. elongatus光合作用中產(chǎn)氧關(guān)鍵步驟在分子層面的圖像。該過程隸屬光合作用起始階段（圖1紅色虛線），涉及電子、質(zhì)子傳遞和水氧化產(chǎn)氧。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）上。
光合作用中光解水釋放氧氣的過程需要一種放氧復(fù)合體——含錳簇合物Mn4CaO5的參與。這種簇合物在光解水過程中通過氧化還原歷經(jīng)五種中間體S0-S4（圖2）。本工作所研究的S2→S3過程是公認(rèn)的產(chǎn)氧反應(yīng)中最困難的一步。
作者們利用美國國家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC）的直線加速器相干光源X射線激光技術(shù)揭示了光反應(yīng)中S2→S3的分子級(jí)別微觀過程（圖3）。
這種超快X射線技術(shù)可瞬時(shí)記錄催化中心Mn4CaO5及其周圍環(huán)境在光照后不同時(shí)間的結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比各時(shí)間下的結(jié)構(gòu)演變，研究者們推導(dǎo)出S2→S3反應(yīng)分三步。首先，光照后50 μs內(nèi)Mn4CaO5鄰近的谷氨酸E189碳末端遠(yuǎn)離Mn4CaO5。
隨后的100 μs內(nèi)，Mn4CaO5中Mn1和Mn4相對(duì)遠(yuǎn)離。與此同時(shí)，從O1通道進(jìn)入的一個(gè)水分子取代與Ca相連的水分子W3，迫使后者解離為質(zhì)子和Ox（O2-或OH-）。最后100 μs內(nèi)，Ox與Mn4CaO5中的Mn1和Ca相連，并質(zhì)子化后同谷氨酸E189以氫鍵作用，形成S3。此三步不斷重復(fù)，Ca上的W3水分子持續(xù)被新進(jìn)入的水分子替換，從而維持后續(xù)氧氣生成。
本文所揭示的過程僅是光合作用紛繁過程的冰山一角。作者們希望今后利用SLAC的超精細(xì)表征手段并與其他機(jī)構(gòu)合作最終闡明光合作用全過程的分子級(jí)別圖像。
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