Photoassembly of the manganese cluster and oxygen evolution from monomeric and dimeric CP47 reaction center photosystem II complexes

Isolated subcomplexes of photosystem II from spinach (CP47RC), composed of D1, D2, cytochrome b559, CP47, and a number of hydrophobic small subunits but devoid of CP43 and the extrinsic proteins of the oxygen-evolving complex, were shown to reconstitute the Mn4Ca1Clx cluster of the water-splitting system and to evolve oxygen. The photoactivation process in CP47RC dimers proceeds by the same two-step mechanism as observed in PSII membranes and exhibits the same stoichiometry for Mn2+, but with a 10-fold lower affinity for Ca2+ and an increased susceptibility to photodamage. After the lower Ca2+ affinity and the 10-fold smaller absorption cross-section for photons in CP47 dimers is taken into account, the intrinsic rate constant for the rate-limiting calcium-dependent dark step is indistinguishable for the two systems. The monomeric form of CP47RC also showed capacity to photoactivate and catalyze water oxidation, but with lower activity than the dimeric form and increased susceptibility to photodamage. After optimization of the various parameters affecting the photoactivation process in dimeric CP47RC subcores, 18% of the complexes were functionally reconstituted and the quantum efficiency for oxygen production by reactivated centers approached 96% of that observed for reconstituted photosystem II-enriched membranes.

光系统Ⅱ放氧复合物的光组装研究

光合水氧化是地球上最重要的生化过程之一。这个过程是在位于类囊体囊腔侧的放氧复合物中完成的。光系统II中的锰簇催化中心在四个连续的氧化还原反应作用下将水裂解为四个质子和氧气。水氧化的催化中心含有四个锰、一个钙离子、一至两个氯离子和一个具氧化还原活性的YZ(D1-Y161)。在光系统II的功能性组装过程中，氧合催化中心的形成是在一个被称作光组装的作用下完成的。光组装是无机锰、钙、氯离子与光系统II蛋白结合并在光驱动下氧化形成功能性放氧中心的过程。到目前为止，放氧复合物(OEC)的结构及水氧化的机理仍不清楚，光组装的研究工作对于阐明放氧复合物的结构与功能具有重要的理论和实际意义。 本论文研究了一系列具有不同配位环璄的锰化合物与去锰的PSII的光组装过程， 同时研究了稀土离子LaCl3和TbCl3及重金属离子Co2＋和Ni2＋对PSII 放氧活性及光组装的影响。主要结果如下： 1. 选择了咪唑氮配位的锰化合物和非咪唑氮配位的锰化合物与去锰的PSII 颗粒进行重组, 发现化合物中锰的配位结构与其恢复电子传递能力和放氧活性之间有一定关系。 研究结果表明，锰中心为锰-咪唑氮连接的化合物能够有效地恢复去锰PSII的电子传递能力和放氧活性;而非咪唑氮配位的锰化合物恢复电子传递和放氧活性的能力都相应较低甚至没有，由此推测，咪唑氮为放氧中心锰簇的一个配体。 2. 选择了两个不同价态的二核锰化合物和一个带氧桥的三核锰化合物与去锰的PSII 颗粒进行重组。 研究结果表明，三核锰化合物表现出比另外两个二核锰化合物更强的恢复放氧活性的能力，但其作为电子供体的能力比另外两个化合物要差。由此可推测，影响锰化合物恢复电子传递和放氧活性效率的因素是不同的。另外, 三核锰化合物在重组过程中对CaCl2非常敏感，我们推测锰化合物中的羧基与Ca2+之间存在相互作用，而这种作用有助于锰的配位进而促进光组装。三个化合物重组放氧复合物能力的大小顺序为：Mn3(III)锰化合物>Mn(III)Mn(III)锰化合物> Mn(III)Mn(IV)锰化合物。 3. 研究了LaCl3、 TbCl3 对光系统II放氧复合物光组装的影响。研究表明，在光组装过程中，两种稀土离子La3+和Tb3+对光系统II的光组装有很强的抑制作用，这种作用很大程度上依赖于Ca2+的存在，两种稀土离子在Ca2+结合位点是一个混合型竞争抑制剂。 另外，在10 mmol/L Ca2+存在时，抑制50%的光组装活性所需的稀土离子浓度比抑制50%功能性PSII的放氧活性所需的稀土离子浓度小约10倍，这对理解稀土离子对光合作用的影响具有重要的理论意义。 4．本文研究了Ni2＋和Co2＋两种金属离子对光系统II膜蛋白复合体结构与功能的影响。结果表明，毫摩尔级Ni2＋和Co2＋可以使完整的光系统II和去除17 kDa、23 kDa外周蛋白的光系统II的放氧活性被一定程度地抑制，而且对后者的抑制作用更强，在上述两种情况下，CaCl2可使抑制作用减轻。两种金属离子对给体侧的完整性有一定影响：5 mmol/L金属离子存在的时，可使17 kDa蛋白解离，10 mmol/L的金属离子存在时可使17 kDa、 23 kDa蛋白解离。两种金属离子在光组装过程中对Mn、Ca的组装无明显的影响。

光系统II放氧复合物的光组装研究

本论文研究了一系列具有不同配位环璄的锰化合物与去锰的PSII的光组装过程，得到了以下主要结果： 1. 分别对两组二核锰化合物与去锰的PSII 颗粒进行了重组研究。第一组的两个二核锰化合物中，锰原子具有相同的外围配体、氧化还原状态，但是不同的连接方式;而第二组的两个二核锰化合物中，锰原子具有相同的连接方式、氧化还原状态，但是不同的外围配体。实验结果表明，锰化合物中两个锰原子之间的连接方式及外围配体的不同都可以导致锰簇光组装效率的不同，但这两种因素引起的光组装效率的差异比锰原子的氧化还原状态引起的差别要小的多。因此我们推断，锰原子的氧化还原状态是影响光组装效率最重要的因素之一。 2. 选择了三个四核锰化合物与去锰PSII 颗粒进行重组，测定其电子传递与放氧活性。研究结果表明，具有较少配体和较小分子的两个化合物H568和WM01具有较高的重组活性，而另一个化合物Z342的活性较低。这说明化合物配体的数目以及分子的大小影响了光组装效率。另外, 化合物H568和WM01在重组过程中对CaCl2也比Z342更敏感，推测这可能是因为这两个锰化合物中有更多的的羧基可以与Ca2+发生相互作用，而这种作用有助于锰的配位，进而促进光组装。 3. 研究了Mn/Ca的簇合物与去锰的PSII 颗粒的光重组, 研究发现，尽管化合物wwg-27本身就含有Ca的成分，但它在与光系统II的光组装过程中仍然表现为外源Ca需要的趋势，而且这一化合物也表现了比MnCl2更高的光组装效率。 4. 研究了MnCl2与去锰PSII 颗粒的重组过程中，组氨酸和酪氨酸的存在对光组装效率的影响。 研究结果表明，加入一定量的组氨酸和酪氨酸均可以明显的提高样品的放氧活性，并且这两种氨基酸对光组装效率的影响均与pH值有关。

PSII放氧复合物的光组装及相关蛋白结构与功能研究

本文主要研究了一系列具有不同配位环璄的锰化合物与去锰PSII颗粒的光组装过程;其次，应用太赫兹时域光谱技术对锰稳定蛋白PsbO蛋白的结构与功能进行了研究。主要结果如下： 1. 选择了一组单核、锰中心原子为二价、与羧基氧和氮配位的锰化合物与去锰光系统II颗粒进行了重组研究。研究结果表明，锰化合物中锰原子和氮原子的配位连接是影响电子传递恢复和放氧复合物重组效率的重要因素。锰化合物中锰原子与氮原子的配位，促进了锰原子与PSII脱辅基蛋白上的氨基酸残基进行光配位。33 kDa蛋白的加入显著提高光组装放氧活性，33 kDa蛋白的柔性构象有助于锰簇接受体积大的分子，并提高其稳定性，从而促进PSII反应中心锰簇的光组装。 2. 选择了一组拥有相同配体、锰中心原子价态不同的锰化合物与去锰PSII 颗粒进行重组。三个锰价态为＋2，＋3，＋4价的锰化合物均表现出较高的恢复电子传递和放氧活性的能力，但锰与配体氧原子共价连接的锰化合物恢复电子传递和放氧活性的能力的很差，Mn-O连接阻碍WOC的重组。研究结果表明，锰化合物恢复电子传递活性和放氧活性的能力也受其中锰原子的价态及其它结构因素的影响。锰价态较低的锰化合物比锰价态较高的锰化合物更容易向PSII反应中心提供电子。锰化合物恢复电子传递和放氧活性的因素是不同的。锰化合物作为有效电子供体的效率与其螯合环数成反比，但配体的大小不是影响锰化合物重组放氧活性的主要因素。 3. 应用太赫兹时域光谱技术结合荧光光谱技术，研究了锰稳定蛋白PsbO在与金属离子作用及单个氨基酸被修饰后其构象变化和低频振动模的变化。实验结果显示，该蛋白上唯一的色氨酸对整个蛋白构象至关重要，它的改变引起整个蛋白分子低频振动模发生明显改变。此外，太赫兹时域光谱结果显示，PsbO可能含有钙结合位点。太赫兹时域光谱技术在研究蛋白构象变化，尤其是金属离子诱导的构象变化方面是相当灵敏的。