光合作用超分子复合体的结构

《Annual Review of Biophysics》：Structures of Photosynthetic Supramolecular Complexes

　　

摘要：光合作用是将光能转化为化学能的生物学过程，涉及集光、电荷分离与电子传递、质子易位、ATP 合成以及碳固定等过程。相邻的光合复合体可组装为超分子复合体，以实现其功能的偶联与调控。该综述总结了光合超分子复合体结构生物学研究的进展，例如集光复合体分别与光系统 II（PSII）或光系统 I（PSI）组装、同时与 PSII 和 PSI 组装，或与细菌反应中心复合体组装的多种体系。通过冷冻电子显微镜（cryo-EM）研究所揭示的 NADH 脱氢酶样（NDH）复合体及 PSI–NDH 超复合体的精细结构，为理解蓝细菌和植物中环式电子流的分子机制提供了关键框架。此外，结构研究还为 PSII 的组装与修复、ATP 合酶的调控以及碳固定提供了详细认识。综述最后总结了光合超分子复合体结构生物学研究的新兴发展方向。

《Annual Review of Biophysics》发表的这篇综述系统讨论了光合作用超分子复合体的结构基础及其功能意义。研究背景在于，光合作用并非由彼此孤立的蛋白复合体完成，而是依赖集光、反应中心、电子传递、质子转运、ATP 合成和碳固定等多环节精密协同。随着研究深入，越来越多证据表明，相邻光合复合体能够形成超分子复合体（supramolecular complex，即多个功能相关复合体构成的高阶组装体），从而提升光能捕获效率、优化电子传递路径并协调生物发生与修复过程。然而，早期研究主要依赖 X 射线晶体学（X-ray crystallography）和分离纯化后的复合体分析，难以完整揭示天然膜环境中高阶装配、弱相互作用界面及动态中间态的真实构型，因此有必要对近年来以冷冻电子显微镜（cryo-EM）为代表的结构生物学进展进行综合梳理。

研究人员围绕氧释放型与非氧释放型光合生物中的关键超分子复合体，系统总结了集光相关复合体、环式电子流相关复合体以及光系统装配和修复中间体的结构信息，并据此归纳这些高阶组装在能量传递、电子传递、功能调控和结构稳定中的共同规律。综述指出，近原子分辨率结构已显著推进对光系统 II（PSII）、光系统 I（PSI）、藻胆体（PBS）、NADH 脱氢酶样复合体（NDH）及细菌反应中心相关复合体的认识，尤其揭示了连接蛋白、界面色素和膜内辅助亚基在超分子组装中的关键作用。其重要意义在于，这些结构框架把光合作用研究从单一复合体层面推进到膜内网络化组织层面，为理解光能转化效率、环境适应和光损伤防护机制提供了统一的分子基础。

作者开展研究所依据的主要技术方法可概括为以下几类：首先是单颗粒冷冻电子显微镜（single-particle cryo-EM），用于解析多种超复合体及低丰度中间态的近原子结构；其次是冷冻电子断层成像（cryo-ET）与亚断层平均（STA），用于原位观察类囊体膜中复合体排列；再次是 STA 引导的单颗粒分析（STAgSPA），提升原位大复合体的分辨率；此外还综合了 X 射线晶体学、电子晶体学、荧光光谱学、生物化学分析及部分质谱证据。文中涉及样本来源包括蓝细菌、红藻、绿藻、植物、硅藻、隐藻以及多类光合细菌等。

在“SUPRAMOLECULAR BASIS FOR LIGHT HARVESTING IN OXYGENIC PHOTOSYNTHETIC ORGANISMS”部分，研究人员总结了氧释放型光合生物中集光超分子组装的结构基础。该部分指出，PSII 与 PSI 均具有核心反应中心和核心天线模块，但外围集光复合体的结合显著扩大了吸收截面，是低光条件下提高捕光效率的重要机制。

在“The In Situ Structures of Phycobilisome–Photosystem Megacomplexes”小节中，研究人员通过红藻与蓝细菌原位结构研究说明，藻胆体（PBS）不仅是外围天线，而且可与 PSII、PSI 形成复杂的巨型复合体（megacomplex）。对红藻 Porphyridium purpureum 的 PBS–PSII–PSI–LHC 原位结构表明，多个连接蛋白如 LRC2、LRC3、LPP1、LPP2、LCM 和 ApcD 介导 PBS 与 PSII/PSI 的稳定耦联，PSII 与 PSI 之间还形成直接接触界面。这些结构进一步揭示了 PBS 向 PSII 的潜在能量传递路径，以及经由 PSII 向 PSI 溢流（spillover）的可能机制。相比之下，蓝细菌 PBS–PSII 超复合体中 PBS 与 PSII 的连接更为松散，支持 PBS 沿膜表面移动并从多个相邻 PBS 向 PSII 供能的模型。

在“Assembly of Light-Harvesting Complexes with Photosystem II”小节中，综述总结了 PSII 与不同类群外围天线的装配模式。植物和绿藻中，PSII 与 LHCII 形成 C₂S、C₂S₂、C₂S₂M₂ 乃至更大复合体，CP26、CP29、CP24 及小亚基 PsbZ、PsbW、PsbH 对界面稳定至关重要。硅藻中，PSII–FCPII 结构显示 FCP 四聚体与单体以不同强度分布于核心周围，形成区别于绿色谱系的天线布局。隐藻中，ACPII 形成两条线性三聚体带，并借助 CAL-II 等蛋白将天线带连接到 PSII 核心。植物类囊体膜中，相邻 PSII–LHCII 超复合体还可形成更高阶 megacomplex，其界面结构提示复合体间存在潜在侧向能量传递。蓝细菌 Acaryochloris marina 的 PSII–Pcb 四聚体巨型复合体则为远红光（far-red light）利用提供了分子依据。

在“Assembly of Light-Harvesting Complexes with Photosystem I”小节中，研究人员总结了 PSI 与外围天线的高度多样性。植物 PSI–LHCI 呈扇形结构，Lhca1–Lhca4 按特定顺序排列，并含有红型叶绿素（red chlorophylls），有助于调节能量传递。绿藻 Chlamydomonas reinhardtii 的 PSI 可结合多达 10 个 LHCI，形成内层、外层和侧向三层天线带。状态转换（state transitions）期间，磷酸化 LHCII（pLHCII）从 PSII 转移至 PSI，形成 PSI–LHCI–LHCII 超复合体；结构分析表明，pLHCII 的 N 端磷酸化苏氨酸是识别并结合 PSI 基质侧口袋的关键。苔藓 Physcomitrium patens 的大型 PSI 复合体进一步显示，Lhcb9 与 pLHCII 共同扩展了天线层级。硅藻、隐藻和红藻中，PSI 分别结合 FCPI、ACPI/CAC 和 LHCR，形成具有谱系特异性的外围系统。红藻原位结构还表明，相邻 PSII 的 CP43′ 和 CP47 可直接与 PSI 接触，在空间位置上类似绿藻/植物中与 PSI 结合的 pLHCII，提示其可能参与 PSII 向 PSI 的激发能分配。蓝细菌 PSI–IsiA 结构则揭示在缺铁胁迫下，IsiA 可围绕 PSI 组装，增强捕光并调节 PSI 寡聚状态。

在“ASSEMBLY OF LIGHT-HARVESTING COMPLEXES WITH BACTERIAL REACTION CENTERS”部分，研究人员转向非氧释放型光合细菌。紫色细菌中，LH1–RC 及 RC–LH1–PufX/PufY/W 结构阐明了反应中心外围 LH1 环的开口形成机制，该开口对醌/醌醇交换至关重要。Blastochloris viridis 的 LH1–RC 结构还解释了其红外吸收特性与蛋白–色素强耦联之间的关系。绿硫菌中，FMO–GsbRC 超复合体显示 FMO 三聚体以不对称方式与 I 型反应中心结合，两侧 FMO 的结合亲和力和色素分布不同，导致能量传递效率与路径存在差异，从而说明细菌天线–反应中心耦联亦具有精细的结构调控。

在“SUPRAMOLECULAR COMPLEXES INVOLVED IN CYCLIC ELECTRON FLOW”部分，文章总结了环式电子流（cyclic electron flow）的超分子基础。研究人员指出，在氧释放型光合生物中，环式电子流主要依赖 NDH 通路或 PGR5–PGRL1 通路。蓝细菌 NDH-1L 的 cryo-EM 结构揭示其呈 L 形，由膜臂和亲水臂组成，膜臂中的 NdhB、NdhD、NdhF 参与质子转运，亲水臂中的 Fe₄S₄ 簇参与电子传递；NdhV 与铁氧还蛋白（Fd）的协同结合则提示其可能参与底物结合调节。植物 PSI–LHCI–NDH 超复合体结构表明，一个 NDH 被两个 PSI–LHCI 夹持，Lhca5、Lhca6 及特异亚基共同稳定这一装配，为植物环式电子流的空间组织提供了直接证据。与此同时，细胞色素 b₆f（cyt b₆f）结构进一步揭示了 Q 循环（Q cycle）机制及其与质子驱动力形成之间的关系。

在“STRUCTURAL INSIGHTS INTO BIOGENESIS AND REPAIR OF PHOTOSYSTEMS II AND I”部分，综述归纳了 PSII 与 PSI 生物发生和修复的结构认识。PSII 易受光损伤，因此其修复依赖高效拆解、替换和重组。Psb27–PSII、中间态 PSII–Psb27/Psb28/Psb34 等结构显示，Psb27 可阻止特定腔面亚基提前结合，Psb28 可诱导受体侧 QB 位点附近构象变化以降低进一步损伤风险，Psb34 则调节高光诱导蛋白在装配中间体中的结合。Ycf48 通过结合新生 D1 并促进 D1–D2 复合体装配，在水氧化中心形成前发挥保护作用。绿藻中识别到的 PRF1 和 TEF14 则参与 PSII 修复过程中 CP29 的排斥、PsbO 解离及 D1 降解。相较之下，PSI 组装已有若干辅助因子被遗传与生化研究识别，但与这些因子结合的高分辨率装配中间体结构仍较缺乏，仅有燕麦黄化转绿材料中的 PSI 中间体提示 PsaF 可能促进 PSI 核心与 LHCI 的装配。

在“FUTURE PERSPECTIVES”部分，研究人员总结认为，未来该领域的关键发展方向在于从体外纯化样品转向原位（in situ）和时间分辨（time-resolved）结构研究。当前主要挑战包括：天然膜环境下完整超分子复合体难以稳定获取；cryo-ET 受限于电子剂量和分辨率；原位单颗粒分析（isSPA）对高质量模板依赖较强；光合作用过程本身又具有极强动态性。为应对这些问题，文中总结了体内交联、原子力显微镜（AFM）、cryo-聚焦离子束、STAgSPA、时间分辨 cryo-EM、X 射线自由电子激光（XFEL）串行飞秒晶体学以及分子动力学模拟等方法的潜力。总体而言，这些新技术将推动研究从静态结构描述迈向原位高阶组织和动态功能机制解析。

研究结论部分可概括翻译如下：过去数十年中，单颗粒 cryo-EM 已在近原子分辨率水平解析了来自多种原核与真核物种的一系列光合超分子复合体。尽管近年已取得巨大进展，但高空间与高时间分辨率的原位和时间分辨结构研究仍处于发展早期。若未来能够克服关键技术障碍，光合作用结构生物学将在多个新方向持续拓展。总体上，该综述强调，光合作用相关复合体的高阶装配是理解捕光、电子传递、修复调控和环境适应不可或缺的结构基础，而原位化、动态化与多尺度整合将构成该领域下一阶段发展的核心。