揭示葉綠素第五環的酶促生成機制

（2021.3.16 植物生物技術Pbj）

葉綠素是光合作用的必需因子，承擔光能捕獲和光化學反應。與其他環狀四吡咯分子相比，葉綠素在結構上具有一個獨特的第五環，該環的形成顯著改變了共軛π電子在大環上的分布，從而大為增強并紅移了Qy吸收峰，為最終的葉綠素吸收光譜奠定了基礎。催化第五環形成的酶可分為兩種機制迥異的類型，一種是厭氧型，另一種是好氧型。地球上絕大部分葉綠素的合成依賴于好氧型環化酶，而該酶也是葉綠素合成路徑上的一個研究難點，曾經困擾學界70余年。

該課題組于2017年在PNAS發表文章，報道了對自然界三種好氧環化酶的鑒定工作。接著又于2018年在Science Advances報道了在大腸桿菌中異源表達的好氧環化酶的活性，從而證明了已知亞基的完備性。在以上體內實驗的基礎上，本文報道了對亞基組成上最為簡單，即只含一個亞基AcsF的好氧環化酶的體外研究。研究人員獲得了足量高純度的重組AcsF蛋白，并對其做了詳細的生化表征，在體外重構了酶活性，發現反應的直接電子供體是還原態的鐵氧蛋白，實現了在試管中“紅變綠”的好氧環化酶反應。酶促動力學分析測定了反應的米氏常數和轉換數，以及好氧環化酶對底物的解離常數。

好氧環化酶催化的是復雜的涉及到總共6個電子轉移的多步反應。本研究通過采用一定的酶濃度梯度，在體外酶活實驗中檢測到兩個反應中間體，并通過液相色譜和質譜聯用，確定了其化學結構。本研究還報道了一個概念證明實驗，即在體外系統把好氧環化酶與植物光系統I偶聯，發現在光照條件下，光系統I產生的還原態鐵氧蛋白，可以支持好氧環化酶的反應。該結果提示在產氧型光合生物中，好氧環化酶反應很有可能是聯系葉綠素合成和光合作用光反應活性的一個紐帶，有待未來進一步的研究。