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中国科学家率先破解光合作用超分子结构之谜

作者:佚名    科普来源:本站原创    点击数:    更新时间:2016-5-23 切换到繁體中文

新华社北京5月21日消息,光合作用是地球上生命体赖以生存的基础,对它的科学研究已持续了两百多年,但仍有很多未解之谜。记者21日从中科院获悉,该院生物物理所的研究团队在光合作用研究中获得重要突破,在国际上率先解析了高等植物(菠菜)光合作用超级复合物的高分辨率三维结构。该项研究工作发表在最新出版(5月19日)的国际顶级期刊《自然》上。

20日,柳振峰、李梅、章新政(由左至右)手拿超级膜蛋白复合体的样品合影。因超级膜蛋白复合体中的叶绿素吸收大部分的红光和紫光,不吸收绿光,该实验室内的灯光全部为绿色光源以保护叶绿素样品。

据介绍,基于结构的光合作用机理研究具有重要的理论意义,同时也将为解决能源、粮食、环境等问题提供具有启示性的方案。1985年,德国马普生物化学所的戴森豪福等首次解析了紫细菌光合作用反应中心的晶体结构,获得了1988年的诺贝尔化学奖。

近年来,国际上围绕蓝细菌、藻类和高等植物光合作用的结构生物学研究陆续获得了一系列进展,但关于植物光系统II的结构研究却相对滞后,这被认为是光合作用研究领域最后一个也是最受关注的超级复合物结构。

章新政、李梅、柳振峰(由左至右)在中国科学院生物物理所的实验室内合影

光合作用是绿色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,也是几乎一切生命生存和发展的物质基础。

据生物通网介绍,在太阳能的驱动下,植物、藻类和蓝藻细菌都能通过光合作用将水和二氧化碳转化为富能的有机化合物,并释放出氧气。在产氧光合作用中,初期的光物理和光化学过程主要是由两个光系统:光系统I(PSI)和II(PSII)所介导的。本次的研究就是有关光系统II的。

“植物光合作用的原初反应是从光系统II(Photosystem II)开始的,光系统II是一个超大膜蛋白-色素复合物。解析植物光系统II神秘而复杂的精细结构是结构生物学研究领域的科学家们多年来一直追求的热点和难点课题。”中科院生物物理所研究员柳振峰说。

经过多年努力,中科院生物物理所柳振峰研究组、章新政研究组和常文瑞/李梅研究组通力合作,联合攻关,通过单颗粒冷冻电镜技术,首次解析了高等植物(菠菜)的光系统II-捕光复合物II(LHC-Ⅱ)超级膜蛋白复合体的三维结构。

章新政在中国科学院生物物理所的实验室内展示冷冻电镜

科学家介绍,光系统II具有独特而神奇的裂解水分子和放出氧气的功能,因此被认为是人工模拟光合作用的理想模板,可为实现光能向清洁能源氢气转换提供具有启示性的方案。

“我们解析了高等植物光系统II的高分辨率三维结构,并且获得了其与外周捕光天线之间相互装配原理和能量传递过程相关的重要结构信息。”柳振峰表示,这一突破为研究团队打开了一片全新的天地,有望在该领域中继续深入挖掘,获得更大更复杂的超级复合物研究成果。

此前,中国科学院家还解析了光系统I的高分辨率三维结构。2015年5月29日,《自然》杂志以封面文章的形式刊登介绍了中科院植物研究所的关于光系统I的研究成果。可以说,中国科学界对于人类理解光合作用捕光机理的研究处在了全球领先地位。

(综合新华社、生物通、中科院植物研究所等)

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