光合作用中光反应的机制和由来（7）

朱钦士（美国南加州大学医学院）

（上接2019年第7 期第8 页）

14 增加光合作用效率的“叶绿素天线”

光反应中心的叶绿素分子在受到光照时虽然可以射出电子，使得光合作用成为可能，但仅靠光反应中心的叶绿素分子，效率不会很高。这是因为叶绿素分子的面积太小了，只有约1（nm）2。如此小的面积接收不到许多光子。在热带地区的中午，太阳光光子的密度大约为1.2×1020／（m2·s），即每平方米每秒有1.2 万亿亿个光子，分到每平方纳米的面积上就是每秒120 个光子。这个数量看似不小，但除去各种吸收，包括云层的吸收，空气中颗粒（包括固体颗粒和气溶胶颗粒）的散射和吸收，以及叶片结构的吸收，真正达到每个叶绿素分子上的光子通常只有每秒1 个，远不及细胞生理活动的需要。

幸运的是，叶绿素分子还可将吸收的光能传递给附近的叶绿素分子，这样，生物就可使用大量的叶绿素分子收集光能，再将接收到的光能传递给光反应中心那个能射出电子的叶绿素分子。每个光反应中心有大量的叶绿素分子作为“天线”，帮助它收集太阳光，即可极大提高光合作用的效率。

光反应中心对结构的要求非常苛刻，因为它要在光照时让叶绿素分子射出电子，电子再经过另一个叶绿素分子还原醌分子，所以自光反应中心出现后的几十亿年时间内，其空间结构基本维持不变，所有进行光合作用的生物都拥有在结构上高度一致的光反应中心。相比之下，叶绿素分子之间传递能量却要容易得多，所以各式各样的结构都能完成这样的任务。在多数情况下，收集光能的叶绿素分子是结合在叶绿素结合蛋白（chlorophyll binding protein）上的，共同组成“捕光复合物”（light-harvesting complexes，简称LHC）。捕光复合物与光反应中心接触，将接收到的光能传输给光反应中心。生活在不同环境中的光合生物（例如水中或陆上、浅水或深水、向阳处或背阴处）对捕光任务有不同的要求，不同的光合生物就有不同的捕光复合物，其中各种叶绿素结合蛋白之间也没有传承关系，甚至还有叶绿素分子根本不结合到蛋白质上的情形。

例如生活在海平面100 m 以下的绿色硫细菌（green sulfur bacteria）就使用一种称为“绿色体”（cholrosome）的结构收集光能。由于这个深度的海水中光的强度很低，绿色体也十分巨大，可以有100～200 nm 长，50～100 nm 宽，15～30 nm 高，其中含有多达几十万个叶绿素分子。这些叶绿素分子并不结合在蛋白分子上，而是与一些胡萝卜素分子、醌分子结合在一起，自组织成片状结构。由于叶绿素分子、胡萝卜素分子和醌分子都是高度亲脂的，这些分子外面包有单层的生物膜，其脂肪酸的“尾巴”直接与膜内的叶绿素分子接触。叶绿体通过一个称为“基盘”（baseplate）的结构与细胞膜相连。基盘含有数千个CsmA 蛋白，每个CmsA 蛋白结合一个叶绿素分子，以便将叶绿体收集到的太阳光的能量传给位于细胞膜中的光反应中心。

蓝细菌（Cyanobacteria）则使用一种称为“藻胆体”（phycobilisome）的结构收集光能。与绿色体一样，藻胆体也不位于膜内，而是附着在细胞膜上的结构，但藻胆体中的叶绿素分子是结合在蛋白分子上的。藻胆体有一个由“别藻蓝蛋白”（allophycocyanin）组成的核心，从核心上放射状地发出几个由藻胆蛋白（phycobiliprotein）叠加而成的柱状物。藻胆蛋白含有称为“藻胆素”（phycobilin）的色素分子，其分子结构类似于叶绿素，但是4 个吡咯环并不连成环状，成为卟啉环，而是线状彼此相连。藻胆素能吸收太阳光中波长为500～650 nm的绿光和黄光，并将这些能量传递给光反应中心的叶绿素分子。这些波长的光线是叶绿素分子不太吸收的，叶绿素吸收的主要是红光，而红光在水中的传播能力较差，大部分被上层水所吸收，所以生活在水面下的蓝细菌使用藻胆素更为有利。

在原核生物的紫细菌中，位于膜内的捕光复合物就开始出现。例如紫细菌的捕光复合物中的叶绿素结合蛋白含有3 个跨膜区段，上面结合有12 个叶绿素分子和2 个类胡萝卜素分子。它们形成特殊的空间排列，以便使任何受到光子激发的叶绿素分子都可以将能量传给光反应中心。其能量传输的效率非常高，在不到1ns 的时间内就能将收集到的能量传输给光反应中心，传输效率为95%，即基本上没有能量损失。

红藻中的紫球藻（Porphyridium cruentum）对捕光复合物的使用是处在一种过渡状态：它的光系统Ⅱ像蓝细菌那样使用藻胆体作为捕光复合物，而它的光系统Ⅰ却使用膜内的捕光复合物。到了陆生植物，像藻胆体那样的膜外捕光复合物就不再被使用了，而都改用膜内的捕光复合物。这些捕光复合物所含的蛋白亚基数可以不同，每个亚基也可以有不同的结构，包括跨膜区段的数量和空间排布。它们与光反应中心的结合状态也不同，有的紧密，有的松散，在光线过强时捕光复合物中的蛋白还会被磷酸化，从光反应中心解离。所以陆生植物对捕光复合物的使用是灵活多变的，以适应不同环境下光照状况的变化。

捕光复合物虽好，但毕竟是光反应中心的“身外之物”。万一这些捕光复合物出了问题，不与光反应中心结合了怎么办？为保险起见，每个光反应中心还“贴身自带”捕光的叶绿素分子。例如光系统Ⅱ的光反应中心由2 个蛋白亚基D1 和D2 组成，每个亚基含有5 个跨膜区段，结合有光反应所需要的叶绿素分子和醌分子。与这2 个蛋白亚基结合在一起的，还有2 个彼此相似的蛋白叫CP43和CP47。每个蛋白亚基含有6 个跨膜区段，一共结合大约30 个叶绿素分子。这30 个叶绿素分子就是Ⅱ型光反应中心的“内部天线”，在任何情况下都是可以指望的。

光系统Ⅰ的光反应中心更厉害，将天线叶绿素分子直接结合在光反应中心的蛋白自身上，捕光叶绿素就更“跑不了”了。光系统Ⅰ的光反应中心由PsaA 和PsaB 2 个蛋白亚基组成，每个亚基比光系统Ⅱ的D1 和D2 大得多，含有11 个跨膜区段。其中羧基端的5 个跨膜区起光反应中心的作用，而氨基端的6 个跨膜区段是结合天线叶绿素的功能域。这2 个功能域一共结合80 个叶绿素分子，包括光系统Ⅰ的“内部天线”。所以光系统Ⅰ的核心蛋白既含有光反应中心，又含有天线。

比较Ⅱ型光反应中心的D1／D2、CP43／CP47 和Ⅰ型光反应中心的PsaA／PsaB，发现一个有趣的现象，就是PsaA／PsaB 可能是D1／D2 与CP43／CP47融合的产物。

15 光系统Ⅰ从光系统Ⅱ演变而来时发生了基因融合

光系统Ⅰ和光系统Ⅱ都至少有几十亿年的历史，它们之间在氨基酸序列上的共同性已经几乎完全消失，所以用氨基酸序列的比较已经无法得出它们发展的历史。但这2 个系统的光反应中心都是二聚体，蛋白质分子所结合的发射电子的叶绿素分子，最初接收电子的叶绿素（光系统Ⅰ）或去镁叶绿素（光系统Ⅱ），以及接收电子的醌分子的空间位置高度一致，且蛋白质肽链折叠的方式也相同，说明这2 类光反应中心是同源的。

比较Ⅰ型光反应中心PsaA/PsaB 与Ⅱ型光反应中心的D1／D2 和CP43／CP47，得出了有趣的结果。如上所述，PsaA/PsaB 2 个亚基中每个含有11个跨膜区段，分子量大约80 000，含有光反应中心（5 个跨膜区段）和捕光天线域（6 个跨膜区段），而组成光系统Ⅱ光反应中心的D1／D2 每个有5 个跨膜区段，分子量大约32 000，其空间形状与光系统Ⅰ中PsaA／PsaB 羧基端的5 个跨膜区段高度相似；而光系统Ⅱ的“天线蛋白”CP43／CP47 每个有6 个跨膜区段，分子量分别为43 000 和47 000，它们的空间形状又和光系统Ⅰ氨基端的6 个跨膜区段也高度一致。这也说明这些蛋白是同源的，问题是为什么同样的蛋白在Ⅰ型光反应中心中是一条肽链，而在Ⅱ型光反应中心中却分为2 条肽链？

对这种现象有2 种假说。一种假说认为D1／D2和CP43／CP47 是PsaA/PsaB断裂的产物，即 为PsaA／PsaB 编码的基因分裂为2 段，这2 段基因分别为D1／D2 和CP43／CP47 编码，拥有11 个跨膜区段的PsaA/PsaB 蛋白也因此分裂为拥有5 个跨膜区段的D1／D2 和拥有6 个跨膜区段的CP43／CP47。这种现象称为“基因分裂”（gene fission）。另一种假说与此相反，认为PsaA／PsaB 是D1/D2 与CP43／CP47 融合的产物，即为D1／D2 和CP43／CP47 编码的基因融合在一起，变成一个基因。这种现象称为“基因融合”（gene fusion）。在生物体中，基因分裂和基因融合的现象都能发生，因此2 种过程在理论上都有可能。

基因融合可将功能相关的2 个或多个蛋白融合在一起，成为多功能的单一蛋白。这样做的好处是这些功能相关的蛋白总是在一起，而不需要这些蛋白在细胞中各自合成后再运动到一起。将多个蛋白融合到一起，功能单位的数量也保证是一比一，而蛋白分开表达就需要有控制机制使它们的表达程度一致。例如在原核生物中，有3 个与嘧啶（DNA 的组成成分之一）合成有关的酶，分别是氨甲酰磷酸合成酶（carbamoyl phosphate synthase）、天冬氨酸转氨甲酰酶（aspartate carbamoyltransferase）和二氢乳酸酶（dihydroorotase）。这3 个酶各有为自己编码的基因，在细胞中分别合成。这3 个酶彼此协作，用谷氨酰胺为原料合成嘧啶。而在真核生物的真菌和动物中，这3 个功能彼此联系的酶都融合在一起，成为单一的多功能酶，即1 个蛋白分子具有3 种酶的活性。植物中则没有这种融合，3 个酶仍然分别表达，这说明真菌与动物的关系更近。另一方面，植物中2 个与胸腺嘧啶合成有关的酶，胸苷酸合成酶（thymidylate synthase，TS）和二氢叶酸还原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）彼此融合在一起，称为TS-DHFR 融合，而这种融合在真菌和动物中都未曾发生过，也说明植物与真菌和动物有不同的祖先。当然基因融合的后果并不总是好的，融合的蛋白也许会有异常的生理功能，甚至导致癌症。但是基因融合是蛋白改变形式的一种方式，在生物演化中也起一定的作用。

基因分裂也是改变蛋白结构和功能的一种方式，但与基因融合相比，它发生的频率要低得多。根据对多种生物全基因组（genome）资料（即全部DNA 序列）的统计分析，基因融合和基因分裂的比例，在细菌中是3.92，在古菌中是5.07，在真核生物中是4.16，都大大高于1。根据以上分析，光系统Ⅰ的PsaA／PsaB 来自光系统Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47 的基因融合，其可能性要高于光系统Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47来自光系统Ⅰ的PsaA／PsaB 的基因分裂。

如果考虑到光系统Ⅱ的光反应中心最初是从细胞色素b变化而来的，基因融合说就更有道理。由细胞色素b变来的光反应中心相当于蛋白D1／D2，其最初的任务是用光激发的叶绿素分子还原醌分子，应该还没有带上捕光天线。而另一个蛋白能结合许多叶绿素分子，但是没有光反应中心的活性，相当于CP43／CP47，它们与光反应中心结合，成为其“天线”。由于这2 个功能紧密相连，将2 个蛋白融合为1 个蛋白是有利的，这就变成了光系统Ⅰ中的PsaA／PsaB。如 果 光系统Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47 来自光系统Ⅰ的PsaA／PsaB 的分裂，就要求光反应中心的蛋白一出现就能同时执行光反应中心的功能和天线这2 个功能，然后反而分裂为光反应中心和天线2 个部分，这种可能性是比较小的。光系统Ⅱ的任务就是还原醌分子，而光系统I 在此基础上大大“加码”，不仅增加了3 个电子传递中心（Fx、FA、FB），还要经过FAD 还原NADP＋，如果光系统Ⅰ的出现早于光系统Ⅱ，即光系统Ⅱ是从光系统Ⅰ变化而来，那就要设想复杂的系统先出现，“简化版”反而后出现，这种可能性也是很低的。

（待续）