光合作用研究进展--光合膜色素蛋白复合体的研究

光合膜色素蛋白复合体的研究
本次研讨方向：植物光合作用的分子机制研究进展
本人承担的具体学习研讨主题：光合膜色素蛋白复合体的研究
光合膜色素蛋白复合体的研究
摘要：光合作用是植物利用太阳能把二氧化碳和水合成有机化合物并释放出氧气的过程，是地球上最大规模的能量和物质转换过程，是地球几乎一切生命生存和发展的物质基础。

光系统l光合膜蛋白超分子复合物是光合作用中极为重要的光能吸收和转换系统，其量子转化效率几乎为100%。

解析高等植物光系统I-捕光天线（PSI-LHCI）精细结构,对于阐明光合作用机理、提高作物光能利用效率和开辟太阳能利用的新途径都具有重要意义。

关键词：光合作用光合膜蛋白复合体机理
1光合作用研究的核心问题
光合作用这一复杂过程可以划分为4个步骤：光能的吸收与传递，原初光化学反应，电子传递及偶联的磷酸化作用，碳素同化作用。

这些过程实现了光能捕获并转换为电能，进一步形成活跃的化学能（ATP），最后转变为稳定的化学能（光合产物）。

光合作用是自然界光能高效转换的典范，具有极高的光能吸收和转换效率。

光合作用研究领域的首要和核心问题之一是光合作用中高效吸能、传能和转能的分子机理。

现已确定光合作用光能的吸收、传递和转化均是在具有一定分子排列及空间构象、镶嵌在光合膜上的捕光及反应中心色素蛋白复合体中高效进行的。

其能量的传递效率高达98%—100%，能量转达效率几乎达到100%，从光能吸收到原初电荷分离涉及的时间尺度为10-15~10-17秒，它包含着一系列涉及光子、激子、电子、离子等传递和转化的复杂物理和化学过程。

2光合膜色素蛋白复合体的研究
中国科学院植物研究所在光合膜蛋白结构与功能长期研究的基础上，近年来通过与中国科学院生物物理研究所合作，在国际上首次从原子水平解析出光捕获复合（lightharvesting complex，LHC）II高分辨率空间结构（2.7Å），这一成果被评为2004年国内十大科技进展之一。

2015年Scinence期刊发表了由中国科学院植物研究所解析的高等植物光系统Ｉ（PSI）光合膜蛋白超分子复合物2.8Å的世界最高分辨晶体结构。

这是国际上第一个原子水平分辨率的高等植物PSI-LHCI晶体结构。

它首次全面解析高等植物PSI-LHCI的精细结构，包括16个蛋白亚基和215个辅因子，总分子量约600kDa；首次揭示PSI-LHCI的４个不同的捕光天线在聚集状态下的结构和它们的异同，以及它们之间的相互关系；首次揭示LHCI全新的色素网络系统，特别是首次解析了４对红叶绿素和13个类胡萝卜素的结构；明确提出并分析了LHCI向核心能量传递可能的４条途径。

高等植物PSI是由核心复合物和结合于其外周的捕光天线（light-harvestingcomplexI，LHCI）组成，被称为PSI-LHCI超分子复合物。

PSI-LHCI是一个高效吸能、传能和转能的系统，具有3个特点：1）它是一个极高效率的太阳能转化系统，几乎每一个吸收的光子都能产生一个电子，其量子转化效率几乎为100%；2）它具有极其快速的激发能传递和原初光化学反应过程，平均来看，PSI-LHCI中任何一个叶绿素分子吸收一个光子到达反应中心发生电荷分离的时间大约为50ps；3）该复合物中的叶绿素含量高，大大提高了捕光能力，而且捕光天线LHCI结合特殊的叶绿素分子——红叶绿素（redChls），即吸收波长发生红移的叶绿素分子，使植物PSI-LHCI的捕光能力延伸到远红外光谱区，并实现激发能从低能向高能
的传递。

3研究意义及展望
对光合膜蛋白复合物的空间结构进行高分辨率的解析，由此来揭示光合作用传能和转能机理及其调控的原理，将可能使光合系统成为第一个在原子水平上，以物理和化学概念进行解释的复杂的生物系统。

PSI-LHCI是一个极高效率的太阳能转化系统，实现对光合膜蛋白复合物的结构解析为揭示高等植物PSI-LHCI高效吸能、传能和转能的机理奠定了坚实的结构基础，对于阐明光合作用机理及能源开发利用具有重大的理论和实践意义。

但由于PSI-LHCI的高分辨率结构没有被解析，它高效吸能、传能和转能的分子机理也不清楚。

揭示PSI-LHCI的高分辨率结构，在此基础上揭示其高效吸能、传能和转能的机理，能够进一步推动人们对光合作用高效吸能、传能和转能机理的认识，为提高作物光能利用效率及为人工模拟光合作用开辟太阳能高效利用提供新的理论依据、新的思路及新的途径。

资料清单
生物技术151班第5学习小组姓名：汪心妍学号：2015013252
本次研讨方向：植物光合作用的分子机制研究进展
本人承担的具体学习研讨主题：光合膜色素蛋白复合体的结构与功能
一、期刊
[1]张立新,彭连伟,林荣呈,卢从明,匡廷云.光合作用研究进展与前景[J].中国基础科学,2016,18(01):13-20.
[2]LiuZhenfeng,YanHanchi,WangKebin,etal.Crystalstructureofspinachmajorlight-har vestingcomplexat2.72Aresolution.[J].Nature,2004,428：287-292.
[3]XiaochunQin,MichihiroSuga,TingyunKuang,etal.Structuralbasisforenergytransfer pathwaysintheplantPSI-LHCIsupercomplex[J].Science,2015:989—995.
[4]秦晓春,匡廷云,沈建仁.光合作用及光合膜蛋白PSI-LHCI超分子复合物高分辨率晶体结构解析[J].科技导报,2016,34(13):20-27.
[5]许大全.回忆光合作用研究五十年[J].植物生理学报,2016,52(11):1593-1608.
[6]庞玥,张树林,毕相东.蓝藻光合膜蛋白复合体结构与功能研究进展[J].天津农学院学报,2013,20(03):45-51.
[7]杨春虹,刘成,李阳,刘华英,涂文凤.以构建光合作用模拟器为目标的光合膜天线色素蛋白复合体的分子修饰,改造和组装立项报告[J].科技资讯,2016,14(20):176-177.
二、论文集
[8]卢庆陶. 水稻光合膜蛋白组学[A]. 中国植物学会.首届全国蛋白质组学学术研讨会论文集[C].中国植物学会:,2005:1.。