——光系統(tǒng)II利用源自太陽光的能量奪取水分子的電子

? ? 30億年前，世界發(fā)生了翻天覆地的變化。其時之前，能使地球上的生命賴以維生的只有局部環(huán)境中極為有限的自然資源，譬如那些誕生于閃電活動、熱泉或其他地球化學來源的有機分子，然而這些資源總是很快就會耗竭。直到某一天，有細胞發(fā)明了捕獲光能用以驅動自身生命過程的方法，巨變由此開始。光合作用為生物的生長與擴張帶來了不知多少新的可能，地球生命因之空前繁榮。善用光合作用的生物只需從空氣中攝取二氧化碳，將它與水分子結合，就能得到生長所需的原材料和能量。放眼現(xiàn)在，光合作用是地球生命的基石，生物所需的食物和能量都是它的恩賜（當然了，奇奇怪怪的例外還是存在的）。

光合的顏色

? ? 現(xiàn)在行光合作用的細胞擁有專門捕獲光的光系統(tǒng)，比方說上圖中展示的這位（來自PDB條目1s5l）。這些光系統(tǒng)含有一系列用來捕光的五顏六色的分子，包括綠色的葉綠素和橙色的類胡蘿卜素。葉綠素的模樣差不多是一個中間嵌了個鎂離子的平面有機分子，類胡蘿卜素則含有一長串碳碳雙鍵。（ATP注：其實葉綠素也有條“長尾巴”，盡管那是條雙萜側鏈~）這些分子可以吸收光，用獲得的能量為電子“充能”，而后得到的高能電子就可以拿來為細胞產能了。

活力滿滿的電子

? ? 光系統(tǒng)II位處光合作用中一系列反應的第一環(huán)。它捕獲光子，利用光子的能量從水分子中奪取電子。這些電子的作用是一步一步地發(fā)揮出來的。首先，這些電子被揪出來時，水分子也就分解成了氧分子和氫離子。氧分子很快就會擴散出去，而氫離子則可以用來驅動ATP合成。我們賴以呼吸的所有氧氣都來自這個過程。然后，電子在一溜兒電子載體之間傳來遞去，半道上還在光系統(tǒng)I那補一次能量。電子流動的同時，更多的氫離子被跨膜泵送到類囊體腔內（ATP注：友情提示，光合鏈里沒有真正的“質子泵”，質子的跨膜轉移是通過氧化還原反應間接發(fā)生的），為ATP合成提供更多能源。最終，電子載體NADPH接過電子，將其奉送給負責用二氧化碳和水合成糖類的酶。

反應中心

? ? 反應中心，也就是光能被轉變?yōu)楦吣茈娮拥倪\動的地方，是光系統(tǒng)II的靈魂。它的中央有一個關鍵的葉綠素分子，這個葉綠素吸收光時，身上的一個電子便會被激發(fā)到能量更高的狀態(tài)。然后高能電子離開葉綠素，在一堆有色分子的協(xié)作下先是傳球似的被扔給質體醌A，再被塞到質體醌B的手里。等小小的質體醌B攢夠電子后，它就從光系統(tǒng)II上解離下來，把電子送去電子傳遞鏈的下一環(huán)。這一系列操作很棒，不過當然也別忘記最初那個葉綠素還缺著一個電子呢。反應中心的上半部分負責處理這個問題，方法是用來自水的低能電子替換一去不回來的高能電子。放氧復合體從水分子上拽下一個電子，傳給一個酪氨酸，酪氨酸再把電子給到葉綠素手中，讓它做好吸收下一個光子的準備。

捕捉光能

? ? 不用想就能明白，假如說植物必須盼著光子碰巧兒打中反應中心里邊那一個特別的葉綠素，光合作用可就太低效了！萬幸的是，通過所謂的共鳴能量轉移，一個被光激發(fā)的電子的能量可以輕松地被轉移給另一個電子。只要兩個分子靠得足夠近，那么量子力學奇跡就可以發(fā)生，其中一個分子的能量就能“跳”到另一個分子身上。為了利用這個特性，光系統(tǒng)們都自帶由吸光分子組成的超大號天線，它們就負責吸收能量，并把能量向反應中心轉移。這還不夠，植物甚至專門準備了精于捕光的蛋白質，把它們安置在光系統(tǒng)周邊，幫光系統(tǒng)收集光能。上面這幅圖是光系統(tǒng)II的俯視圖（PDB條目1s5l），突出展示了它里面的吸光分子。其中一個反應中心的中央葉綠素以箭頭指出（注意下邊還有一個反應中心——完整的光系統(tǒng)II是由一模一樣的兩半組成的）。圖上部和下部那兩個裝滿了葉綠素和類胡蘿卜素的三角形分子就是捕光蛋白（PDB條目1rwt）。

探索結構

? ? 光系統(tǒng)II的放氧中心是個復雜的原子團簇，其中有錳離子（梅紅色）、鈣離子（藍綠色）和氧原子（紅色）。它從兩個水分子上揪下四個電子，生成氧氣和四個氫離子。兩個水分子的結合位點并不清楚，不過PDB條目1s5l中有一個碳酸氫根跟放氧中心結合，或許能給我們一些關于活性位點的提示。這幅圖中只包含了碳酸氫根中的兩個氧原子（藍色），其中一個跟一個錳離子結合，另一個跟鈣離子結合。注意放氧中心為組氨酸、天冬氨酸和谷氨酸圍繞，這些氨基酸負責把放氧中心固定在它該在的位置。上文所述的酪氨酸就在圖正中間，其位置恰巧適合做水分子和葉綠素之間的“橋梁”。

? ? 這幅圖是用RasMol制作的。你可以前往上述PDB條目的頁面，選擇一種3D視圖，然后就能看到類似的圖啦！如果你想要探究光系統(tǒng)II的結構，可要做好些面對挑戰(zhàn)的心理準備：它非常復雜，你很可能需要花點時間才能把它的一切搞明白。要是你只想看反應中心的話，可以試試只展示1-8、40和41號非蛋白殘基以及chain A的161號酪氨酸。

? ??光系統(tǒng)在月度分子里都講得比較早，這篇PSII是04年的，PSI甚至比它還早，是01年的。因此，這篇文章最后的探索結構部分沒有可互動的JSmol（比較古早的文章都是這樣），最后也沒有“更多話題”。

? ? 以前我有說過會在這邊簡單講些有關光損傷的故事，廢話少說，咱們現(xiàn)在就開始。光能很強大，強大到能讓PSI整出令某些金屬都自愧不如的強還原劑（被激發(fā)的P700氧還電位可達-1.2V）、讓PSII常溫常壓手撕水分子（P680+氧還電位約為1.3V），但這份強大也有其代價。面對光損傷的威脅，PSI和PSII的策略幾乎相反：前者選擇“放棄治療”，后者選擇“放棄抵抗”。什么意思呢？PSI對光損傷的抵抗力仿佛涂了10層防曬，然而萬一它運氣不好真損傷了，那損傷幾乎是不可逆的。不過，假如來自PSII的電子流超出PSI的處理能力，那PSI對光損傷的抵抗力就會斷崖式下降。相比之下，PSII則走了另一個極端——它不停遭受著光的毒打，平均每接收10^7~10^8個光子就會受損一次，但高效的修復機制很快就能讓受傷的PSII恢復活力。PSII的修復速率受到很多環(huán)境因素影響，也被光合系統(tǒng)的能量狀態(tài)調節(jié)，具體說來就是光過多的時候修復速率會下調。你可能會說了，這什么邏輯??？光過多的時候PSII會被損傷得更厲害的，這會兒還要把修復機制下調，不是欺負PSII嗎！別慌。你想想，實際上PSI的光損傷比PSII的光損傷要命得多，因為前者幾乎不可逆！前面我們說了，PSI平時天不怕地不怕，只在接收到的電子太多時怕光。光照強的時候PSII干活兒也更猛，送來的電子更多，要是修復機制還那么高效，給到PSI的電子一不小心就會太多，這可不妙！所以，植物選擇暫時犧牲光合鏈開頭的PSII，通過降低修復效率來下調它的活性，以防從它那來的電子把PSI淹沒，造成更大損失。最早人們在研究PSII的損傷與修復時就發(fā)現(xiàn)，被光蹂躪過后的PSII并不會“遍體鱗傷”，其損傷集中在反應中心里一個名叫D1的亞基上，所以修復時很簡單，只要做手術似的把復合體拆開，把壞掉的D1換成一個新的D1，然后將復合體裝配回去就好了。因此，D1得了個“自殺蛋白”的外號，說的是它通過犧牲自己來讓PSII其他部分免受損傷。這樣的概念完全可以被推廣到整條光合鏈上，也就是PSII通過犧牲自己來保護光合鏈的其他部分，尤其是不易修復的PSI。本來我就比較喜歡PSII，這個事實似乎又讓它給我的好感多了幾分呢。（不對）

? ? 因技術與能力限制，請前往原網頁以查看原文中所有超鏈接（這回沒有可互動的JSmol文件了）。

? ? 強烈推薦去PDB-101官網查看原文，順便探索一下這個干貨滿滿的科普平臺。

作者：David S. Goodsell

原文網址：https://pdb101.rcsb.org/motm/59

PDB-101首頁：https://pdb101.rcsb.org

RCSB PDB首頁：https://www.rcsb.org

封面出處：https://www.reddit.com/r/chemistry/comments/eet29v/photosystem_ii_illustration

這張封面圖其實是張還沒完成的手稿，完成圖是描繪整個光合鏈的，真的非常好看！可惜完成圖沒有PSII的特寫，我就只好先用這張手稿了……

完成圖出處：https://www.reddit.com/r/graphics/comments/ehassu/2nd_attempt_of_digital_design_with_procreate