Science十大科学突破之关键结构

　　

生物通报道：每年年底，Science杂志都会按惯例评选出十大科学进展。本周Science杂志公布了该刊评选出的2011年度十大科学进展，其中名列第一位的是生物学方面的成果：HIV临床试验，其它生物学相关的包括：人类起源之谜，光合蛋白II，微生物组新发现，重要的疟疾疫苗，清除衰老细胞，生物类占据了十大科学突破的六成，由此管中窥豹，可见一斑。

光合作用是我们很熟悉的一个体系，目前已从叶绿体的片层结构中分离出两个光系统，它们都是蛋白复合体，其中既有光合色素，又有电子传递体。其PSI颗粒较小，直径为11nm，多位于类囊体膜的基质侧。PSII蛋白复合体至少含有12种不同的多肽，多数为膜内蛋白。

在今年，来自美国的科学家们分析了28种植物中与光合作用相关的基因组，从而编制出与光合作用有关的597个编码基因蛋白的详细目录，令人印象深刻，还有另外一组科学家完成了PSII蛋白复合物的结构分析，从而揭示了这一蛋白的催化核心以及内部原子的具体定向。这些研究将有助于未来光合作用的深入研究，还有更重要的在实际上的应用。

令人惊叹的PSII蛋白结构

光系统II是光合水氧化站，它包括，总分子量为350 kDa的20个亚基。光系统II的结构已报道的分辨率为3.8-2.9 Å。这些分辨率提供了很多蛋白亚基和共组合因子的排列信息，但这些不足以揭示水分离反应中心的详细结构。

来自日本大阪市立大学的Yasufumi Umena等人发表了题为“Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9Å,”的文章，报道了分辨率1.9 Å的光系统的晶体结构。

Umena表示，“从我们的电子密度图，我们定位了Mn4CaO5蔟的所有金属原子以及配体。我们发现，5个氧原子作为氧络桥连接5个金属原子，4个水分子束缚到Mn4CaO5蔟上，因此，它们部分作为分子氧形成的底物。我们在每个光系统II单体中分别鉴别了1300个以上的水分子。它们的一部分形成广泛的氢结合网络，服务为质子、水或氧分子通道” ，“光系统II的高分辨率结构的确定将允许我们进一步详细地分析与理解其功能。”

这项研究如水晶般清晰的图像显示了PSII蛋白的催化核心并揭示了内部原子的具体定向。通过这些研究成果，科学家们已经可以进入这一对地球上的生命必不可少的催化结构，这一结构可能还是打开强有力的清洁能源之门的钥匙。

光合作用编码基因蛋白目录

来自美国卡内基学院、加利福尼亚大学洛杉矶分校等处的研究人员利用先进的计算机工具，分析了28种植物中与光合作用相关的基因组，编制出与光合作用有关的597个编码基因蛋白的详细目录，从而可更好地从基因学角度研究支撑植物生理与生态的各种生物过程。这597个来自植物和绿藻基因组的编码蛋白，称为GreenCut蛋白质，是光合生物特有的蛋白。其中286个是当前已知的功能蛋白，剩下的311个尚无法与特定的生物过程联系起来。

叶绿体是进行光合作用的工作间，有52%的GreenCut蛋白质位于叶绿体上。目前人们普遍认为，叶绿体是从一种能进行光合作用的单细胞细菌——藻青菌进化而来。大约15亿年前，藻青菌被更加复杂的、不能进行光合作用的细胞所吞噬，两种生物之间形成了最早的共生关系。在进化过程中，藻青菌将它的大部分基因信息转移给了宿主生物的细胞核，丧失了独立生存能力。

最近发现的证据表明，并非所有的GreenCut蛋白质都在叶绿体上，许多参与光合作用的GreenCut蛋白对于植物其他功能作用也起着关键作用，可能涉及新陈代谢调控、DNA转录控制、线粒体产生能量、过氧物酶体(能净化室内空气)等细胞器正常功能的发挥。

进一步扩展研究范围之后，研究人员还发现，在古老的藻青菌、红藻及硅藻等其他单细胞藻类中，也保留了多种GreenCut蛋白质。格鲁斯曼表示，比较多种生物中所含有的GreenCut蛋白质，有助于进一步揭开这些蛋白质在光合细胞中的作用，研究叶绿体的进化过程，以及在不同条件下，光合细胞是如何调整变化以适应生存环境的。

（生物通：万纹）