科学家发现调节光合作用的量子开关

光合作用是植物利用阳光将二氧化碳转化为有机化合物的重要过程。光捕获复合物 II (LHCII) 由附着在蛋白质上的色素分子组成。它在两个主要角色之间交替：在强光下，它通过非光化学猝灭以热量的形式消散多余的能量，在弱光下，它有效地将光转移到反应中心。

最近的生物工程研究表明，加速这些功能之间的转换可以提高光合作用效率。例如，大豆作物的产量增幅高达 33%。然而，LHCII 中触发这种调节的精确原子级结构变化此前尚不清楚。

NPQ和酸度引起的一些关键结构因素的变化驱动LHCII三聚体在光捕获和能量淬灭状态之间切换的分子机制

NPQ 的分子机制和酸度诱导的一些关键结构因素的变化驱动 LHCII 三聚体在光捕获和能量猝灭状态之间切换。图片来源：物理研究所

在一项新研究中，中国科学院物理研究所翁玉祥教授领导的研究人员与深圳湾实验室高嘉丽教授团队合作，结合了单粒子冷冻电子显微镜(cryo-EM)研究利用多态密度泛函理论 (MSDFT) 计算光合色素分子之间的能量转移，以原子分辨率分析 LHCII 的动态结构，以确定分子间能量转移的光合色素量子开关。

作为他们工作的一部分，他们报告了一系列六种冷冻电镜结构，包括溶液中 LHCII 的能量转移状态以及中性和酸性条件下膜纳米盘中横向限制的 LHCII 的能量猝灭状态。

这些不同结构的比较表明，LHCII 在酸化时会发生构象变化。仅当 LHCII 被限制在膜纳米盘中时，这种变化才会以变构方式改变荧光猝灭位点叶黄素 1 (Lut1)-叶绿素 612 (Chl612) 的色素间距离，从而导致 Lut1 猝灭激发的 Chl612。因此，侧压限制的LHCII(例如聚集的LHCII)是非光化学猝灭(NPQ)的先决条件，而酸诱导的构象变化增强了荧光猝灭。

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