PNAS:最新研究加深我们对光合作用的了解

如果世界上没有植物,就变成一个没有氧气的世界,不适合我们和许多生物居住。我们知道,植物通过光合作用过程,吸收二氧化碳,利用阳光分解水,释放氧气。然而,我们对于“在光合作用过程中植物如何制造氧气”的机制,却知之甚少。最近,美国路易斯安那州立大学(LSU)科学家所取得的一项突破性进展,将有助于推进我们对于这一关键生态过程的理解。

LSU生物科学系Terry Bricker教授称:“没有光合作用或氧,在我们自然景观中所看到的所有可辨识生命基本上都将消失:没有动物,没有植物。”

Bricker在其职业生涯中已经花了大约30年的时间,来研究细胞植物生物化学,和使植物能够进行光合作用的不同组件。他实验室的研究生Manjula Mummadisetti带领了这项最新研究,检测了光合作用期间负责制造氧气的细胞系统(称为光合体系II)。根据以前的信息和她最近的研究,她分析了两个蛋白——这两个蛋白对制造氧气至关重要,并模拟它们如何连接和互动的。相关研究论文,以“Use of protein cross-linking and radiolytic footprinting to elucidate PsbP and PsbQ interactions within higher plant Photosystem II”为题发表在本周的《PNAS》杂志。

Mummadisetti这样评论她第一次发表的科研论文:“这一发现,对于光合作用研究,意味着很多。很长一段时间以来人们都想了解这个过程。我们没有这些技术,科学家无法找到这些蛋白质是如何连接的。”

生物化学中的一个原则就是,一个蛋白质的结构决定着它的功能。通过创建这两个关键植物蛋白质的三维模型,Mummadisetti提升了我们对它们结构的认识,这会使我们更好地了解这些蛋白质如何发挥功能。在她的实验中,她使用来自食品杂货店的菠菜。她分离出叶绿体——植物的食品工厂,并用一种化学洗涤剂处理它们,以提取高浓度的光系统II,在植物中该系统可制造氧气。然后她用高分辨率的质谱分析法,来观察者两种蛋白在哪里重叠和连接。

Bricker把这个过程比作为,将一幅拼图拼在一起,但是你不能看到或触摸到单块拼图。他说:“我们研究了数以千计片拼图,但是其中只有相对较少的对识别‘发生了什么事’有用。”

然后,根据他们的分析,Bricker和Mummadisetti构建了两种光系统II蛋白的三维计算机模型,它们被称为PsbP和PsbQ。

Bricker说:“坦率地说,这是第一次有论文表明,PsbP和PsbQ之间有直接的关联。因为Manju的工作,我们现在知道,PsbP和PsbQ如何相互作用,对于这些蛋白质如何一起行动,我们可以得出一些很好的工作假设。”

这两种蛋白质就像是一部汽车的部件,使汽油能够到达发动机。在植物中,“油”是钙和氯化物,“燃料”是水和阳光。PsbP和PsbQ的结构有利于钙和氯离子在植物中的有效利用,使其能够产生氧气。

Bricker说:“在光合作用的领域内,我们一直在想,这两种蛋白质肯定是相关的,但是我们没有任何直接证据。现在,经过30年的工作,该论文提出了直接证据,证明了它们是相互作用的。”

原文检索:

Manjula P. Mummadisetti, Laurie K. Frankel, Henry D. Bellamy, Larry Sallans, Jost S. Goettert,Michal Brylinski, Patrick A. Limbach, and Terry M. Bricker. Use of protein cross-linking and radiolytic footprinting to elucidate PsbP and PsbQinteractions within higher plant Photosystem II. PNAS, October 27, 2014; doi:10.1073/pnas.1415165111

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