光合作用中光反應的機制和由來（5）

朱欽士

（美國南加州大學醫學院）

（上接2019年第5期第10頁）

8 葉綠素分子通過還原醌分子建立跨膜質子梯度

葉綠素（chlorophyll）是生物利用太陽光能量的主要分子，其結構與血紅素非常相似（見圖5左上和右上），也有一個由卟啉環組成的巨大的共軛系統。但由于卟啉環上所連的化學基團的差異，血紅素的中心是1 個鐵離子，而葉綠素的中心是1個鎂離子，血紅素對可見光的吸收主要在550～570 nm，即主要吸收綠光，呈現紅色；而葉綠素對可見光的吸收主要在600～700 nm，即主要吸收橙色光和紅色光，呈現綠色。

與血紅素分子最重要的區別是，葉綠素分子在可見光的激發下還能射出電子，且該電子還可還原醌分子，這樣就可以利用氫醌建立跨膜氫離子梯度，這就是基于葉綠素的光合作用的基本原理。由于葉綠素分子的功能與醌分子相聯系，效果好于使用視黃醛，所以成為光合作用的主要色素分子，平時說的光合作用，也是基于葉綠素的光合作用。

電子受能量激發，脫離原子或者分子，并非葉綠素分子的專利，而是在非生命世界中廣泛地存在。例如金屬片在受到紫外光照射時就能射出電子；老式電視機中的陰極射線管，是用加熱燈絲的方式射出電子；光電池中的材料在受到光照時也能射出電子；但這些都與生命活動無關。與生命活動有關的電子射出大多是有害的，例如高能射線在生物組織中引起的電子離開分子的情況，稱為“電離輻射”，射出的電子常結合在各種分子上，形成有害的“游離基”（free radicals）。葉綠素分子受可見光激發時射出電子，則是生物發明的有益的電子轉移過程。

葉綠素分子還原醌分子的反應，是在1 個蛋白復合物稱為“光反應中心”（photosynthetic reaction center）的結構中完成的（圖5）。反應中心的核心部分是一個由2 個相同或相似的蛋白組成的二聚體，每個蛋白亞基含有2 個與電子傳遞過程有關的葉綠素分子，分別靠近細胞膜的外側和內側，此外，在靠近膜內側的地方還結合一個醌分子。在圖5中，為了簡明起見，只繪制光反應中心二聚體中的一個蛋白亞基?？拷毎さ耐鈧鹊娜~綠素分子（Chl）在光照時會射出一個電子，該電子經過靠近細胞膜內側的葉綠素分子（在這里是去掉鎂離子的葉綠素分子，稱為“去鎂葉綠素”pheophytin），將電子傳遞給靠近細胞膜內側的醌分子。這個醌分子是結合在光反應中心的蛋白上的，不能解離，它再將電子傳遞給另一個亞基上位置與其對應的醌分子。葉綠素分子發射2 次電子，使第2 個醌分子得到2 個電子，再在細胞膜內側（即細胞質中）獲取2 個氫離子，就變為氫醌。這第2 個氫醌分子可以從光反應中心解離進入細胞膜，在那里被細胞色素bc1復合物所氧化，建立跨膜氫離子梯度（見前文及圖5右）。

葉綠素分子射出電子后，自己帶正電，必須要有電子中和此正電，恢復射電子以前的狀態，才能再次射出電子。在紫細菌（Purple bacteria，屬變形菌門Proteobacteria）中，該電子是由細胞色素c2提供的。細胞色素c2是一個小蛋白分子，只含有一個血紅素輔基。它不是膜蛋白，而是附著在細胞膜的外表面，在細胞膜上滑動并傳遞電子。它從細胞色素bc1復合物得到電子，再將電子傳回光反應中心，實現電子的環狀流動。這個環狀電子流就可連續不斷地還原醌分子，氫醌再被細胞色素bc1復合物氧化，建立跨膜氫離子梯度。由此實現將太陽光的能量轉化為生物可利用的能量的過程。

如此巧妙的結構是怎樣出現的？要獲得這樣的光反應中心，需要合成葉綠素這樣復雜的分子，還要將2 個葉綠素分子和1 個醌分子結合于蛋白上，且葉綠素分子和醌分子之間的距離和空間方位還必須恰到好處，使得葉綠素分子射出的電子能還原醌分子。這個蛋白還必須是膜蛋白，以便在細胞膜內發揮作用，而不是更常見的可溶性蛋白。

原核生物“憑空”創造出這樣復雜的光反應中心，似乎難度過高。但是生物在演化過程中是很少“從頭開始”創造新東西的，大多是利用已有的分子和機制加以修改，讓其執行新的功能，光反應中心的出現也是如此。

9 光反應中心的葉綠素和核心蛋白可能來自以醌為中心的電子傳遞鏈

先說葉綠素。葉綠素分子看上去非常復雜，生物要“從頭”制造這樣一個分子似乎是非常困難的任務。但實際上，原核生物早就發展了合成葉綠素的關鍵步驟，即合成血紅素的前期步驟。葉綠素的分子結構和血紅素非常相似，都是以卟啉環為核心的分子，只是卟啉環上所連的化學基團不同，中心結合的金屬離子不同。它們的合成路線在前期階段也一致，都是以組成蛋白質的氨基酸之一的谷氨酸為原料，經過氨基酮戊二酸（aminolevulinic acid，ALA）這個中間產物合成“初卟啉原”（protoporphyrinogen）。初卟啉原的樣子已經非常像血紅素和葉綠素了。如果在初卟啉原中插入鐵離子，它就會向形成血紅素的方向走，但如果在初卟啉原中插入鎂離子，它就會向合成葉綠素的方向走。這說明葉綠素和血紅素有共同的合成途徑，只要將血紅素的合成路線在初卟啉原后做一些修改，就可以合成葉綠素。

既然所有的細胞生物都含有細胞色素作為電子傳遞蛋白，細胞色素分子中血紅素輔基出現的時間一定非常早。血紅素還分好幾類，例如血紅素a、b、c、d、o型等，它們在卟啉環上的化學基團也不同，這說明生物修飾卟啉環，給它連上不同的基團并不是一件難事。如果出現一些酶，將初卟啉原變成像葉綠素那樣的分子也應該不是特別難。同樣，葉綠素分子出現后也分化成好幾類，包括a、b、c1、c2、d、f等，它們在卟啉環上的化學基團也彼此不同。這個事實同樣說明生物是很有能力修改卟啉環結構的。在血紅素合成路線的基礎上合成葉綠素，并沒有巨大的障礙。

當然只有葉綠素分子還不夠，還必須讓它以特殊的方式結合到蛋白質分子上，才能使其在光照時射出的電子經由去鎂葉綠素還原醌分子，且被還原的醌分子必須靠近細胞膜的內側。這個要求看似很高，但是類似這樣的蛋白也早就由某種氫醌氧化酶基本準備好了。例如氧化氫醌的細胞色素bc1復合物中的細胞色素b，它就有2 個在結構上與葉綠素非常相似的血紅素輔基，分別位于接近細胞膜內側和外側的位置，且細胞色素b的蛋白上也有醌的結合位點（見圖5，比較光反應中心和細胞色素b的結構）。所以在結構上，細胞色素b已經類似光反應中心，但醌結合點的位置不對。在bc1復合物中，醌的反應中心靠近細胞膜的外側，任務是氧化氫醌，這樣氫醌被氧化時釋放的氫離子才能進入細胞膜外的溶液中。但是在光反應中心中，醌的反應位點卻靠近細胞膜內側，目的是將醌還原為氫醌，這個問題如何解決？

其實這個問題早就被bc1類型的氫醌氧化酶解決了。氫醌氧化酶是在細胞膜外側氧化氫醌的，這樣釋放的氫離子才能進入細胞膜外的溶液中。但是這種機制還不能完全利用氫醌被氧化時釋放的能量。為了更有效地利用氫醌氧化時釋放的能量，氫醌氧化酶中的細胞色素b在靠近細胞膜內側的地方也發展出了一個醌結合點，讓醌分子也能從這個結合點與血紅素輔基反應。但與靠近細胞膜外側的醌結合點是氧化氫醌的作用不同，在靠近細胞膜內側的這個醌結合點，醌分子不是被氧化，而是被還原（見圖5右）。

在這個修改過的氧化氫醌的機制中，氫醌分子還像以前一樣，在細胞膜的外側被氧化，釋放出2個電子和2 個氫離子。在釋放出的2 個電子中，一個經由Rieske 鐵硫蛋白和細胞色素c1傳給位于膜表面的細胞色素c2，另一個電子則傳給細胞色素b亞基上的2 個血紅素輔基（在圖5中標示為b），通過它們將電子傳給內側結合點上的醌分子。2 個氫醌分子在細胞膜外側被依次氧化時，就會有2 個電子傳給位于細胞膜內側的醌分子，再從細胞膜內側獲得2 個氫離子，在內側形成一個氫醌分子。這個氫醌分子又可以“游動”到細胞膜的外側，再次被氧化，形成醌分子的循環，稱為“醌循環”（Qcycle）。在這個循環中，2 個氫醌分子在細胞膜的外側被氧化，釋放出4 個氫離子，1 個醌分子在細胞膜內側被還原為氫醌，從細胞膜內側拿走2 個氫離子，凈結果就是1 個氫醌分子的氧化會在細胞膜外釋放出4 個氫離子，在細胞膜內側拿走2 個氫離子，能量轉化的效率就比原先1 個氫醌分子氧化只跨膜轉移2 個氫離子的效率提高很多。

醌循環其實是醌在膜的不同側釋放和結合氫離子，但這種機制更好地利用氫醌氧化時釋放的能量。出于這個原因，許多其他氧化氫醌的酶也采用這種機制，在它們的細胞色素b上也有2 個醌結合點，用醌循環機制轉化能量。在細胞膜內側還原醌分子的結合點，也因此被這樣“創造”出來。

既然來自氫醌的電子經過細胞色素b中的2個血紅素輔基又在細胞膜的內側還原醌分子，如果靠近細胞膜外側的血紅素變成了葉綠素，它射出的電子就會像以前那樣通過靠近細胞膜內側的血紅素還原醌分子，只不過電子從原來的來自氫醌分子改為葉綠素分子自己射出，電子傳遞的路線和原先是一樣的。所以只要將細胞色素b中的血紅素換成葉綠素，就可實現光驅動的醌分子還原。

血紅素和葉綠素都是通過它們中心的金屬離子（在血紅素是鐵離子，在葉綠素是鎂離子）與蛋白質分子上組氨酸殘基的側鏈相互作用的，所以蛋白質分子中結合血紅素的組氨酸側鏈，也可以在同一位置結合葉綠素。再加上葉綠素和血紅素分子的形狀高度相似，原來結合血紅素的地方，不需要大的改動就可改為結合葉綠素。

當然這不是說，光反應中心的蛋白就一定來自細胞色素bc1復合物中的細胞色素b。如前所述，在各種原核生物中，都有以醌分子為核心樞紐的電子傳遞鏈，也有各種氧化氫醌的酶，這些酶中許多都含有細胞色素，且細胞色素的類型不同，但在很多情況下，同一個蛋白亞基上都結合有2 個血紅素分子。例如大腸桿菌（Escherichia coli）的氫醌氧化酶含有細胞色素bo3（在同一蛋白亞基上含有細胞色素b和細胞色素o3）、醋酸桿菌（Acetobacter aceti）的氫醌氧化酶含有細胞色素ba3（同一蛋白亞基中含有細胞色素b和細胞色素a3）、嗜酸熱硫化葉菌（Sulfolobus acidocaldarius）的氫醌氧化酶含有細胞色素aa3（同一蛋白亞基上含有細胞色素a和細胞色素a3）、脫氮副球菌（Parococcus denitrificans）的氫醌氧化酶含有細胞色素bb3（同一蛋白亞基中含有細胞色素b和細胞色素b3）。在許多細菌的氫醌氧化酶中，特別是在bc1類型的氫醌氧化酶中，還有含2 個細胞色素b的蛋白亞基（即bb型），例如施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）和紫細菌（purple bacteria）。從這些例子可以看出，細菌氫醌氧化酶對細胞色素的使用是靈活多變的，但共同點是同一個蛋白亞基上同時含有2 個血紅素輔基，而且這樣的亞基還有2 個醌結合點，用醌循環的方式直接與氫醌發生反應，即細胞色素中的一個血紅素直接從氫醌分子那里得到電子，再通過另一個血紅素還原位于細胞膜內側的醌分子。人們現在看到的，已經是光合作用出現幾十億年以后的氫醌氧化酶的結構，已經無法知道光合作用出現之前這些氫醌氧化酶的情形，但只要有其中一種結合有2 個血紅素，且有2 個醌結合點的蛋白亞基能以葉綠素替換血紅素，就可轉化為原始的光反應中心。換句話說，光合作用的光反應中心很可能是從原核生物的某種醌氧化酶中的細胞色素變化而來的，這些亞基本來就帶有在細胞膜內側還原醌分子的反應位點。

現在所有的光反應中心都是二聚體，即由同樣的或是相似的2 個蛋白結合在一起。如果光反應中心是從細胞色素bc1類型的復合物中的細胞色素b變來的，這也很容易得到解釋，因為細胞色素b所在的bc1復合物本身就是二聚體，而且是通過位于膜中的細胞色素b形成二聚體的。由此推斷，最初形成的光反應中心很可能就是以二聚體的方式出現的。

不僅如此，這個射電子的過程除了可替代還原性分子還原醌分子外，本身也可建立跨膜質子梯度，進一步增加太陽光能量的轉化效率。其機制還是醌分子在膜兩側的氧化還原：醌分子的還原是在細胞膜的內側進行的，醌分子除了要從葉綠素獲得電子，還需要從細胞質中獲得氫離子，才能形成氫醌分子中的氫原子，所以會消耗細胞質中的氫離子。失去電子的葉綠素分子必須從細胞膜外獲得電子，才能恢復射電子以前的狀態，可以再次射電子。這些電子可來自細胞色素c2，也可來自其他分子的氫原子。而氫原子在還原失去電子的葉綠素時，還會在細胞膜外釋放氫離子。所以光反應中心本身的反應就可以在細胞膜外釋放氫離子，在細胞膜內消耗氫離子。

由于以醌為核心樞紐的電子傳遞鏈早就為光反應中心的出現準備了各種條件，也出于對可靠能源的需求，光合作用在地球上出現的時間非常早，估計在32 億年之前。由于在原核生物中，基于葉綠素的光合作用只在某些細菌中存在，在古菌中還沒有發現這樣的例子，光合作用應該出現在原核生物分化為細菌（bacteria）和古菌（archaea）之后的細菌中。

當然，從細胞色素b類型的蛋白質變成的光反應中心只是一個最簡單的原型，現在人們看到的進行光合作用的結構遠比這個原型復雜，含有多個蛋白亞基，效率也更高，稱為“光系統”（photosystem）。光系統還分化成為兩大類：一種是以醌為最終電子受體，用于形成跨膜氫離子梯度，稱為光系統Ⅱ（photosystem Ⅱ，簡稱PSⅡ）；另一種是光系統Ⅱ的“衍生物”，以鐵氧還蛋白為最終電子受體，為細胞中的有機物合成提供氫原子，叫做光系統Ⅰ，簡稱PSⅠ。但不管如何變，光合作用的核心反應仍然是葉綠素—葉綠素—醌這條電子傳遞路線，所有其他電子傳遞過程和功能都是在這個核心路線的基礎上發展的。

10 2 種類型的光合反應中心PSⅡ和PSⅠ

光系統Ⅱ和光系統Ⅰ的排號命名是根據它們被發現的先后順序：光系統Ⅰ是20世紀50年代發現的，而光系統Ⅱ是20世紀80年代發現的，所以排在后面。但實際上，光系統Ⅱ應該出現得更早，光系統Ⅰ是在光系統Ⅱ的基礎上發展出來的（見后文）。在同時有2 個光系統的生物（藍細菌和植物）中，電子也是從光系統Ⅱ流向光系統Ⅰ，因而位于電子傳遞鏈的“上游”，所以光系統Ⅱ應該叫光系統Ⅰ才對，只是這2 個名稱叫了這么多年，幾乎在所有的有關文獻中都如此稱呼，也很難再改了。

上文談及，葉綠素射出的電子以醌為最終電子受體的系統就是光系統Ⅱ。被還原的醌分子被細胞色素bc1復合物氧化，建立跨膜氫離子梯度，電子又經過細胞色素c2回到光系統Ⅱ，完成電子的環狀流動。該系統不消耗任何分子，只需太陽光，即可建立跨膜氫離子梯度（圖5）。

但此系統也有缺點，只能解決生物的能量來源問題，不能提供生物進行有機合成時所需要的氫原子。異養生物自然可利用現成的有機物中的“零件”，例如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等合成自己的生物大分子，但如果要變為自養生物，即不依靠現成有機物生活的生物，就必須自身從無機物“從頭”合成有機物。由于有機物是以碳原子為骨架的，上面再連上氫等其他原子，要自身合成有機物，就必須利用含碳的無機分子，其中最容易使用的就是二氧化碳。但二氧化碳并不含有氫原子，所以氫原子必須從別的分子得到。

你也許要問，光系統Ⅱ不是可以將醌還原成氫醌嗎？為什么不用氫醌上的氫原子還原二氧化碳？原因就在于氫醌的氧化還原電位太高，在0V左右，即還原性不夠強。細胞還原二氧化碳時使用的分子是NADPH，它在氧化狀態下的化學名稱為“煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸”（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+），其氧化還原電位為-0.32 V 左右，不是氫醌可以還原的。

要想用葉綠素射出的電子最終能還原NADP+，就要對光系統Ⅱ進行“改造”，使葉綠素射出的電子有更強的還原能力，這就是光系統Ⅱ的變種，光系統I。在這個系統中，蛋白環境的調整使得射電子的葉綠素分子的氧化還原電位降低，從光系統Ⅱ中的+1.1 V 降低到光系統Ⅰ中的+0.5 V，即降低了大約0.6 V。由于起點的電位就比較低，被還原的醌分子的氧化還原電位也降低，從光系統Ⅱ的大約0V降到光系統Ⅰ中的大約-0.5 V，可以還原NADP+了。

光系統Ⅰ核心部分的結構和光系統Ⅱ非常相似，仍然是二聚體，光激發后的電子傳遞路線也和光系統Ⅱ幾乎完全相同：靠近細胞膜表面的葉綠素分子在被光照時也射出一個電子，這個電子首先被另一個葉綠素分子接收（相當于光系統Ⅱ中的去鎂葉綠素），再被傳遞到靠近細胞膜內側的一個醌分子上。不過在這里，醌分子的結構有些不同。為了使生成的氫醌有更強的還原能力，光系統Ⅰ使用的是氧化還原電位更低的“葉綠醌”（phylloquinone）。它的“頭部”不像光系統Ⅱ的醌分子那樣只含有一個環（苯環）的結構，而是含有并在一起的2 個環（萘環）。

由于葉綠醌有還原NADP+的能力，光系統Ⅰ的電子傳遞鏈就可以向前延伸了。葉綠醌在接收一個電子之后，立即將這個電子傳遞給一個叫做Fx 的4Fe-4S 鐵硫中心，所以葉綠醌沒有機會被完全還原成為氫醌，其作用也被“降格”為傳遞電子的中心之一。Fx 將電子傳遞到另一個蛋白亞基PsaC 上的2 個4Fe-4S 鐵硫蛋白（分別叫做FA和FB）上。由于PsaC 蛋白是一直和PsaA 和PsaB 結合在一起的，所以可以看成是光系統Ⅰ的一部分，鐵硫蛋白FB也可以看成是光系統Ⅰ的最終電子受體。

再往下，FB通過FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸，見前文）還原NADP+，生成NADPH，這樣就可利用太陽光的能量提供有機合成所需要的氫原子了?？梢钥闯?，為了用葉綠素射出的電子還原NADP+，光系統Ⅰ使用了比光系統Ⅱ長得多的電子傳遞鏈：

葉綠素-葉綠素-葉綠醌-Fx-FA-FB-FADNADP+。

而光系統Ⅱ的電子傳遞鏈只到醌分子為止。

雖然光系統Ⅰ可利用太陽光的能量，產生能最終還原NADP+的電子，但這些電子的最初來源仍然是一個問題。葉綠素射出電子之后，必須要有電子補充，才能恢復射電子之前的狀態，才能再次射出電子。在紫細菌的光系統Ⅱ中，這些電子是從細胞色素c2獲得的。由于這是環狀電子流動的一部分，沒有分子的輸入和輸出，所以光系統Ⅱ沒有電子來源的問題。而在光系統Ⅰ中，電子是要通過NADPH 輸出的，也就是要不斷被消耗的。這時環狀電子流動就不能勝任這個任務了，而是必須有持續不斷的電子供給。在綠色硫細菌中，這是通過一種細胞色素c（例如細胞色素c555）供給的，但是細胞色素c是從電子傳遞鏈得到電子的，電子傳遞鏈又從硫化氫通過硫化氫-醌氧化還原酶得到的，所以電子的最終來源仍然是外來還原性分子，光系統Ⅰ不過是將這些電子的還原性增強，使它能還原NADP+而已。

同樣，在只有光系統Ⅱ的細菌中，光系統只能解決用光能建立跨膜氫離子梯度的問題，有機合成所需要的氫原子仍然必須來自外來分子。即無論是單獨的光系統Ⅱ還是單獨的光系統Ⅰ，都不能解決氫原子的來源問題，而必須從外部的還原性分子得到。這個問題由于光系統Ⅱ的一個重大發展而解決了，這就是利用水作為氫原子的供體。

（待續）