朱欽士（美國南加州大學醫(yī)學院）

（上接2019年第7 期第8 頁）

14 增加光合作用效率的“葉綠素天線”

光反應中心的葉綠素分子在受到光照時雖然可以射出電子，使得光合作用成為可能，但僅靠光反應中心的葉綠素分子，效率不會很高。這是因為葉綠素分子的面積太小了，只有約1（nm）2。如此小的面積接收不到許多光子。在熱帶地區(qū)的中午，太陽光光子的密度大約為1.2×1020／（m2·s），即每平方米每秒有1.2 萬億億個光子，分到每平方納米的面積上就是每秒120 個光子。這個數(shù)量看似不小，但除去各種吸收，包括云層的吸收，空氣中顆粒（包括固體顆粒和氣溶膠顆粒）的散射和吸收，以及葉片結(jié)構(gòu)的吸收，真正達到每個葉綠素分子上的光子通常只有每秒1 個，遠不及細胞生理活動的需要。

幸運的是，葉綠素分子還可將吸收的光能傳遞給附近的葉綠素分子，這樣，生物就可使用大量的葉綠素分子收集光能，再將接收到的光能傳遞給光反應中心那個能射出電子的葉綠素分子。每個光反應中心有大量的葉綠素分子作為“天線”，幫助它收集太陽光，即可極大提高光合作用的效率。

光反應中心對結(jié)構(gòu)的要求非?？量?，因為它要在光照時讓葉綠素分子射出電子，電子再經(jīng)過另一個葉綠素分子還原醌分子，所以自光反應中心出現(xiàn)后的幾十億年時間內(nèi)，其空間結(jié)構(gòu)基本維持不變，所有進行光合作用的生物都擁有在結(jié)構(gòu)上高度一致的光反應中心。相比之下，葉綠素分子之間傳遞能量卻要容易得多，所以各式各樣的結(jié)構(gòu)都能完成這樣的任務(wù)。在多數(shù)情況下，收集光能的葉綠素分子是結(jié)合在葉綠素結(jié)合蛋白（chlorophyll binding protein）上的，共同組成“捕光復合物”（light-harvesting complexes，簡稱LHC）。捕光復合物與光反應中心接觸，將接收到的光能傳輸給光反應中心。生活在不同環(huán)境中的光合生物（例如水中或陸上、淺水或深水、向陽處或背陰處）對捕光任務(wù)有不同的要求，不同的光合生物就有不同的捕光復合物，其中各種葉綠素結(jié)合蛋白之間也沒有傳承關(guān)系，甚至還有葉綠素分子根本不結(jié)合到蛋白質(zhì)上的情形。

例如生活在海平面100 m 以下的綠色硫細菌（green sulfur bacteria）就使用一種稱為“綠色體”（cholrosome）的結(jié)構(gòu)收集光能。由于這個深度的海水中光的強度很低，綠色體也十分巨大，可以有100～200 nm 長，50～100 nm 寬，15～30 nm 高，其中含有多達幾十萬個葉綠素分子。這些葉綠素分子并不結(jié)合在蛋白分子上，而是與一些胡蘿卜素分子、醌分子結(jié)合在一起，自組織成片狀結(jié)構(gòu)。由于葉綠素分子、胡蘿卜素分子和醌分子都是高度親脂的，這些分子外面包有單層的生物膜，其脂肪酸的“尾巴”直接與膜內(nèi)的葉綠素分子接觸。葉綠體通過一個稱為“基盤”（baseplate）的結(jié)構(gòu)與細胞膜相連?；P含有數(shù)千個CsmA 蛋白，每個CmsA 蛋白結(jié)合一個葉綠素分子，以便將葉綠體收集到的太陽光的能量傳給位于細胞膜中的光反應中心。

藍細菌（Cyanobacteria）則使用一種稱為“藻膽體”（phycobilisome）的結(jié)構(gòu)收集光能。與綠色體一樣，藻膽體也不位于膜內(nèi)，而是附著在細胞膜上的結(jié)構(gòu)，但藻膽體中的葉綠素分子是結(jié)合在蛋白分子上的。藻膽體有一個由“別藻藍蛋白”（allophycocyanin）組成的核心，從核心上放射狀地發(fā)出幾個由藻膽蛋白（phycobiliprotein）疊加而成的柱狀物。藻膽蛋白含有稱為“藻膽素”（phycobilin）的色素分子，其分子結(jié)構(gòu)類似于葉綠素，但是4 個吡咯環(huán)并不連成環(huán)狀，成為卟啉環(huán)，而是線狀彼此相連。藻膽素能吸收太陽光中波長為500～650 nm的綠光和黃光，并將這些能量傳遞給光反應中心的葉綠素分子。這些波長的光線是葉綠素分子不太吸收的，葉綠素吸收的主要是紅光，而紅光在水中的傳播能力較差，大部分被上層水所吸收，所以生活在水面下的藍細菌使用藻膽素更為有利。

在原核生物的紫細菌中，位于膜內(nèi)的捕光復合物就開始出現(xiàn)。例如紫細菌的捕光復合物中的葉綠素結(jié)合蛋白含有3 個跨膜區(qū)段，上面結(jié)合有12 個葉綠素分子和2 個類胡蘿卜素分子。它們形成特殊的空間排列，以便使任何受到光子激發(fā)的葉綠素分子都可以將能量傳給光反應中心。其能量傳輸?shù)男史浅８?，在不?ns 的時間內(nèi)就能將收集到的能量傳輸給光反應中心，傳輸效率為95%，即基本上沒有能量損失。

紅藻中的紫球藻（Porphyridium cruentum）對捕光復合物的使用是處在一種過渡狀態(tài)：它的光系統(tǒng)Ⅱ像藍細菌那樣使用藻膽體作為捕光復合物，而它的光系統(tǒng)Ⅰ卻使用膜內(nèi)的捕光復合物。到了陸生植物，像藻膽體那樣的膜外捕光復合物就不再被使用了，而都改用膜內(nèi)的捕光復合物。這些捕光復合物所含的蛋白亞基數(shù)可以不同，每個亞基也可以有不同的結(jié)構(gòu)，包括跨膜區(qū)段的數(shù)量和空間排布。它們與光反應中心的結(jié)合狀態(tài)也不同，有的緊密，有的松散，在光線過強時捕光復合物中的蛋白還會被磷酸化，從光反應中心解離。所以陸生植物對捕光復合物的使用是靈活多變的，以適應不同環(huán)境下光照狀況的變化。

捕光復合物雖好，但畢竟是光反應中心的“身外之物”。萬一這些捕光復合物出了問題，不與光反應中心結(jié)合了怎么辦？為保險起見，每個光反應中心還“貼身自帶”捕光的葉綠素分子。例如光系統(tǒng)Ⅱ的光反應中心由2 個蛋白亞基D1 和D2 組成，每個亞基含有5 個跨膜區(qū)段，結(jié)合有光反應所需要的葉綠素分子和醌分子。與這2 個蛋白亞基結(jié)合在一起的，還有2 個彼此相似的蛋白叫CP43和CP47。每個蛋白亞基含有6 個跨膜區(qū)段，一共結(jié)合大約30 個葉綠素分子。這30 個葉綠素分子就是Ⅱ型光反應中心的“內(nèi)部天線”，在任何情況下都是可以指望的。

光系統(tǒng)Ⅰ的光反應中心更厲害，將天線葉綠素分子直接結(jié)合在光反應中心的蛋白自身上，捕光葉綠素就更“跑不了”了。光系統(tǒng)Ⅰ的光反應中心由PsaA 和PsaB 2 個蛋白亞基組成，每個亞基比光系統(tǒng)Ⅱ的D1 和D2 大得多，含有11 個跨膜區(qū)段。其中羧基端的5 個跨膜區(qū)起光反應中心的作用，而氨基端的6 個跨膜區(qū)段是結(jié)合天線葉綠素的功能域。這2 個功能域一共結(jié)合80 個葉綠素分子，包括光系統(tǒng)Ⅰ的“內(nèi)部天線”。所以光系統(tǒng)Ⅰ的核心蛋白既含有光反應中心，又含有天線。

比較Ⅱ型光反應中心的D1／D2、CP43／CP47 和Ⅰ型光反應中心的PsaA／PsaB，發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，就是PsaA／PsaB 可能是D1／D2 與CP43／CP47融合的產(chǎn)物。

15 光系統(tǒng)Ⅰ從光系統(tǒng)Ⅱ演變而來時發(fā)生了基因融合

光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ都至少有幾十億年的歷史，它們之間在氨基酸序列上的共同性已經(jīng)幾乎完全消失，所以用氨基酸序列的比較已經(jīng)無法得出它們發(fā)展的歷史。但這2 個系統(tǒng)的光反應中心都是二聚體，蛋白質(zhì)分子所結(jié)合的發(fā)射電子的葉綠素分子，最初接收電子的葉綠素（光系統(tǒng)Ⅰ）或去鎂葉綠素（光系統(tǒng)Ⅱ），以及接收電子的醌分子的空間位置高度一致，且蛋白質(zhì)肽鏈折疊的方式也相同，說明這2 類光反應中心是同源的。

比較Ⅰ型光反應中心PsaA/PsaB 與Ⅱ型光反應中心的D1／D2 和CP43／CP47，得出了有趣的結(jié)果。如上所述，PsaA/PsaB 2 個亞基中每個含有11個跨膜區(qū)段，分子量大約80 000，含有光反應中心（5 個跨膜區(qū)段）和捕光天線域（6 個跨膜區(qū)段），而組成光系統(tǒng)Ⅱ光反應中心的D1／D2 每個有5 個跨膜區(qū)段，分子量大約32 000，其空間形狀與光系統(tǒng)Ⅰ中PsaA／PsaB 羧基端的5 個跨膜區(qū)段高度相似；而光系統(tǒng)Ⅱ的“天線蛋白”CP43／CP47 每個有6 個跨膜區(qū)段，分子量分別為43 000 和47 000，它們的空間形狀又和光系統(tǒng)Ⅰ氨基端的6 個跨膜區(qū)段也高度一致。這也說明這些蛋白是同源的，問題是為什么同樣的蛋白在Ⅰ型光反應中心中是一條肽鏈，而在Ⅱ型光反應中心中卻分為2 條肽鏈？

對這種現(xiàn)象有2 種假說。一種假說認為D1／D2和CP43／CP47 是PsaA/PsaB斷裂的產(chǎn)物，即 為PsaA／PsaB 編碼的基因分裂為2 段，這2 段基因分別為D1／D2 和CP43／CP47 編碼，擁有11 個跨膜區(qū)段的PsaA/PsaB 蛋白也因此分裂為擁有5 個跨膜區(qū)段的D1／D2 和擁有6 個跨膜區(qū)段的CP43／CP47。這種現(xiàn)象稱為“基因分裂”（gene fission）。另一種假說與此相反，認為PsaA／PsaB 是D1/D2 與CP43／CP47 融合的產(chǎn)物，即為D1／D2 和CP43／CP47 編碼的基因融合在一起，變成一個基因。這種現(xiàn)象稱為“基因融合”（gene fusion）。在生物體中，基因分裂和基因融合的現(xiàn)象都能發(fā)生，因此2 種過程在理論上都有可能。

基因融合可將功能相關(guān)的2 個或多個蛋白融合在一起，成為多功能的單一蛋白。這樣做的好處是這些功能相關(guān)的蛋白總是在一起，而不需要這些蛋白在細胞中各自合成后再運動到一起。將多個蛋白融合到一起，功能單位的數(shù)量也保證是一比一，而蛋白分開表達就需要有控制機制使它們的表達程度一致。例如在原核生物中，有3 個與嘧啶（DNA 的組成成分之一）合成有關(guān)的酶，分別是氨甲酰磷酸合成酶（carbamoyl phosphate synthase）、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（aspartate carbamoyltransferase）和二氫乳酸酶（dihydroorotase）。這3 個酶各有為自己編碼的基因，在細胞中分別合成。這3 個酶彼此協(xié)作，用谷氨酰胺為原料合成嘧啶。而在真核生物的真菌和動物中，這3 個功能彼此聯(lián)系的酶都融合在一起，成為單一的多功能酶，即1 個蛋白分子具有3 種酶的活性。植物中則沒有這種融合，3 個酶仍然分別表達，這說明真菌與動物的關(guān)系更近。另一方面，植物中2 個與胸腺嘧啶合成有關(guān)的酶，胸苷酸合成酶（thymidylate synthase，TS）和二氫葉酸還原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）彼此融合在一起，稱為TS-DHFR 融合，而這種融合在真菌和動物中都未曾發(fā)生過，也說明植物與真菌和動物有不同的祖先。當然基因融合的后果并不總是好的，融合的蛋白也許會有異常的生理功能，甚至導致癌癥。但是基因融合是蛋白改變形式的一種方式，在生物演化中也起一定的作用。

基因分裂也是改變蛋白結(jié)構(gòu)和功能的一種方式，但與基因融合相比，它發(fā)生的頻率要低得多。根據(jù)對多種生物全基因組（genome）資料（即全部DNA 序列）的統(tǒng)計分析，基因融合和基因分裂的比例，在細菌中是3.92，在古菌中是5.07，在真核生物中是4.16，都大大高于1。根據(jù)以上分析，光系統(tǒng)Ⅰ的PsaA／PsaB 來自光系統(tǒng)Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47 的基因融合，其可能性要高于光系統(tǒng)Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47來自光系統(tǒng)Ⅰ的PsaA／PsaB 的基因分裂。

如果考慮到光系統(tǒng)Ⅱ的光反應中心最初是從細胞色素b變化而來的，基因融合說就更有道理。由細胞色素b變來的光反應中心相當于蛋白D1／D2，其最初的任務(wù)是用光激發(fā)的葉綠素分子還原醌分子，應該還沒有帶上捕光天線。而另一個蛋白能結(jié)合許多葉綠素分子，但是沒有光反應中心的活性，相當于CP43／CP47，它們與光反應中心結(jié)合，成為其“天線”。由于這2 個功能緊密相連，將2 個蛋白融合為1 個蛋白是有利的，這就變成了光系統(tǒng)Ⅰ中的PsaA／PsaB。如 果 光系統(tǒng)Ⅱ的D1／D2 和CP43／CP47 來自光系統(tǒng)Ⅰ的PsaA／PsaB 的分裂，就要求光反應中心的蛋白一出現(xiàn)就能同時執(zhí)行光反應中心的功能和天線這2 個功能，然后反而分裂為光反應中心和天線2 個部分，這種可能性是比較小的。光系統(tǒng)Ⅱ的任務(wù)就是還原醌分子，而光系統(tǒng)I 在此基礎(chǔ)上大大“加碼”，不僅增加了3 個電子傳遞中心（Fx、FA、FB），還要經(jīng)過FAD 還原NADP＋，如果光系統(tǒng)Ⅰ的出現(xiàn)早于光系統(tǒng)Ⅱ，即光系統(tǒng)Ⅱ是從光系統(tǒng)Ⅰ變化而來，那就要設(shè)想復雜的系統(tǒng)先出現(xiàn)，“簡化版”反而后出現(xiàn)，這種可能性也是很低的。

（待續(xù)）