Institute of Plant and Microbial Biology

光合作用反應中心裂解水的結構和分子機制的研究

簡介
植物和藍綠藻利用光能進行光合作用並裂解水放出氧氣，光裂解水的反應催化中心是位於光系統二膜蛋白上由四個錳離子，一個鈣離子和一個具有氧化還原能力的Tyrosine氨基酸，Yz所共同組成的金屬蛋白質複合體(如圖一)。目前已經有許多關於光系統二裂解水的分子機制被提出，光系統二膜蛋白的結晶結構也進展到 3.0Å 解析度，然而目前仍缺乏有效的實驗方法來驗證這些假說的正確性。在密西根州立大學作博士後研究時，我和實驗室同仁們成功的發展和應用傅氏轉換紅外光譜的技術和穩定性同位素標識的方法，偵測到光系統二金屬蛋白質複合體的低頻率金屬配位鍵的訊號 (1-6)。該工作也是世界上首次應用傅氏轉換紅外光譜的技術偵測到金屬蛋白質上低頻率的金屬配位鍵的訊號。目前在植微所我們正依計劃應用傅氏轉換紅外光和電磁共振分子光譜學等技術探討光系統二裂解水的結構和分子機制，我們也將應用這些研究方法來探討生物界中其他重要的生理和生化的反應。


圖一：光系統二裂解水催化中心的分子結構模型 [Rutherford and Bousaac (2004) Science 303, 1782-1784].		圖二：光系統二的電子傳遞鏈空間排列結構模型 [Ferreira et al (2004) Science 303, 1831-1838].

研究成果
催化中心錳離子金屬複合體的結構性質研究。氨分子是水分子的結構近似物和光系統貳裂解水反應的抑制劑，我們應用傅氏轉換紅外光和電磁共振分子光譜學技術來探討氨分子對催化中心錳離子金屬複合體的結構性質的影響，我們發現氨分子顯著的影響了光系統二催化中心錳離子金屬複合體的傅氏轉換紅外光差異光譜，我們的結果顯示氨分子改變了催化中心錳離子金屬複合體的 carboxylate 的鍵結強度 (如圖三)。我們也發現抗凍劑ethylene glycol 直接或間接的抑制氨分子對錳離子金屬複合體的鍵結能力 (8)。目前我們正依計劃進行低頻率傅氏轉換紅外光差異光譜的實驗，希望能直接鑑定水分子(和氨分子) 在光系統二催化中心錳離子金屬複合體的鍵結性質和方式。

光系統二的細胞色素b559結構和功能的研究

我們的第二個研究計劃是要了解植物光合作用反應中心光系統二的細胞色素b559在光反應中所扮演的結構和功能的角色。過去一些研究推測細胞色素b559的功能可能與保護光系統二避免受到光抑制過程中產生的自由基和過氧化物的傷害有關，然而這些推論是否正確仍有待進一步的實驗來證明。單點突變的技術對蛋白質結構和功能的研究上是一項非常重要的技術，然而過去的研究一直無法取得具有穩定的光系統二細胞色素b559的單點突變株，而不能應用先進的分子光譜學和結構生物學的技術做結構和功能分析。我們最近利用單點突變的技術在藍綠藻Synechocystis sp PCC6803上建立了一系列的光系統二細胞色素b559的單點突變株，並且成功的找到兩個具有穩定的光系統二細胞色素b559的單點突變株。本研究計劃將應用分子光譜學、分子生物學、電子顯微鏡和生物化學等技術來分析單點突變對這些突變株的細胞色素b559的結構和功能的影響，以決定細胞色素b559在保護光系統二避免受到光抑制過程中所扮演的角色，希望能應用於保護植物和農作物避免受到光抑制的傷害的研究上。


圖三：氨分子顯著的改變了光系統二催化中心錳離子金屬複合體的傅氏轉換紅外光差異光譜中 carboxylate 的譜線頻率 (7).		耶魯大學化學系系主任Gary Brudvig 教授夫婦訪問本所時合影 (10/13/2005)

│研究員簡介│研究領域│重要著作│實驗室成員│

近期著作

相關資料

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