英国谢菲尔德大学揭示菠菜细胞色素b6 f复合体高分辨率结构及光合作用机制

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2019年11月14日，《自然》杂志在线发表了一项研究论文，该论文来自英国谢菲尔德大学Matthew P. Johnson课题组，题目是“Cryo-EM structure of the spinach cytochrome b6 f complex at 3.6 Å resolution”，这项研究借助冷冻电子显微技术，揭示了高等植物菠菜中细胞色素b6 f复合体的高分辨率结构，细胞色素b6 f复合体是光合作用中的重要成分之一，该研究还揭示了其作用的新细节，以及根据不断变化的环境条件调节光合作用效率的机制。

光合作用是地球上最重要的生化反应，它能利用太阳能，把二氧化碳和水转化为有机物，还能释放出氧气，这是一个过程。光合作用十分复杂，它包括光能的吸收，光能的传递，光能的转化，以及碳同化等一系列过程，这些过程涉及光物理、光化学和生理生化等方面。

光合作用起始于色素分子吸收光，进而产生激发态。激发能在捕光色素之间快速且有效地传递，最终传递到光系统II反应中心。这致使电荷分离这个原初反应得以发生。电子传递给原初电子受体脱镁叶绿体，进一步传递后最终参与NAHPH还原力的形成，同时释放氧气和质子（见下图）。

图1展示的是光合作用，其相关信息发表于《植物生物学年度评论》2008年第59卷，第89至113页。

细胞色素b6f复合体在氧的光合作用里起着核心作用，它把光系统I和II之间的电子转移联系起来，还将太阳能转化为跨膜质子梯度，以此用于ATP合成。cyt b6f内的电子转移是通过Q循环发生的，它借助两个电子催化氧化质醌成为PQH2，同时实现质蓝素和质体醌的还原 。在高等植物里，cyt b6f 还作为氧化还原传感中心，这对调节光收集和循环电子传递非常关键，进而能够防止代谢和环境胁迫。以往研究显示，通过控制这种复合物的水平，能够培育出更大更好的植物。所以，要进一步知晓 cytb6 f 的调控作用，并且有可能对其加以改良来优化作物生长，就还得了解高级植物中该复合物的结构。

该研究借助冷冻电子显微镜，也就是cryo-EM，揭示了菠菜中细胞色素cyt b6f二聚体复合物的结构，其分辨率为3.6埃，还揭示了Q循环及其氧化还原传感功能的结构基础。结构表明了菠菜cytb6 f复合体中天然结合的PQ的位置，还提供了有关PQ与Qn位点结合的详细信息，以及Qp位点的叶绿素门控的详细信息，另外也提供了Q循环期间这些位点之间的PQ交换所涉及的构象转换的详细信息。因此，该研究得到了菠菜的cytb6 f复合物高分辨率结构模型，揭示了细胞色素b6 f作为传感器的新作用的更多细节，且能够依据不断变化的环境条件来调节光合作用效率。

菠菜中cytb6 f复合物的冷冻电镜结构

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