光合系统II中水氧化过程中质子释放的机制
光合系统II中水氧化过程中质子释放的机制研究
学术背景
光合系统II（Photosystem II, PSII）是自然界中唯一能够催化水分解的酶，其反应不仅释放出氧气，还为生物质的合成提供了电子。水分解反应释放的质子进入类囊体腔，形成质子动力势（proton-motive force, PMF），驱动ATP的合成。尽管近年来在PSII的结构和功能研究方面取得了显著进展，但水氧化反应中的关键步骤，特别是去质子化过程的机制仍然存在争议。本文通过结合量子/经典（QM/MM）自由能计算和原子分子动力学（MD）模拟，揭示了PSII中氧释放的锰-钙簇（Mn4O5Ca）如何通过保守的羧酸盐和水分子阵列将质子传递到类囊体腔，并识别了局部质子存储位点和分子门控机制，防止了质子回流的浪费反应。
论文来源
本文由Friederike Allgöwer、Maximilian C. Pöverlein、A. William Rutherford和Ville R. I. Kaila共同撰写，分别来自斯德哥尔摩大学生物化学与生物物理系和伦敦帝国理工学院生命科学系。论文于2024年12月19日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，题为《Mechanism of Proton Release during Water Oxidation in Photosystem II》。
研究流程
1. 研究设计
本研究旨在通过多尺度模拟方法，揭示PSII中水氧化过程中质子释放的机制。研究结合了经典的分子动力学（MD）模拟和量子/经典（QM/MM）自由能计算，重点分析了PSII中Mn4O5Ca簇的质子传递路径。
2. 分子动力学模拟
研究首先进行了微秒级的MD模拟，模拟了PSII嵌入脂质膜并处于水分子和离子环境中的情况。模拟系统包含约53.5万个原子，模拟了不同氧化状态（S2、S3、S4）和质子化状态（Asp61D1、Glu312D2、Glu65D1、Glu310D2、Asp224PsbO）下的PSII结构。每个模拟持续200纳秒，总计约10微秒。
3. 量子/经典模拟
在MD模拟的基础上，研究进行了QM/MM自由能计算和从头算分子动力学（QM/MM-MD）模拟。QM/MM模型包含约1.65万个经典原子和258至276个量子原子，模拟了PSII中CL1通道的质子传递路径。QM区域包括质子受体（Asp61D1、Glu312D2、Glu65D1、Glu310D2、Asp224PsbO）及其配位残基。
4. 自由能计算
研究使用伞形采样（umbrella sampling）方法计算了质子传递路径的自由能剖面。反应坐标定义为质子传递路径中所有键形成/断裂距离的线性组合。通过加权直方图分析方法（WHAM）计算了自由能剖面。
主要结果
1. 质子传递路径
研究揭示了PSII中CL1通道支持通过羧酸盐链（Asp61D1、Glu312D2、Glu65D1、Glu310D2/Asp224PsbO）的水介导质子释放。氧化态Tyr161D1（YZ）的氧化降低了质子传递反应的动力学屏障，电场效应驱动了质子传递。
2. 分子门控机制
Glu65D1被识别为局部分子门控，控制质子向类囊体腔的传递。Glu65D1的质子化导致其构象变化，使其侧链摆动向Glu310D2，从而建立与类囊体腔的质子连接。这种构象变化防止了质子从类囊体腔回流到Mn4O5Ca簇。
3. 电场效应
研究发现，YZ氧化触发的电场增强了CL1通道中的质子传递。电场强度为1至2 V Å⁻¹，YZ氧化使电场效应增强了约0.5 V Å⁻¹。电场效应通过调节离子对的构象变化，降低了质子传递的屏障。
4. 自由能剖面
QM/MM自由能计算显示，质子从Asp61D1传递到Glu310D2的屏障约为6 kcal mol⁻¹，反应自由能变化（ΔG）约为3 kcal mol⁻¹。YZ氧化后，质子传递的有效时间尺度为纳秒至微秒级。
结论
本研究揭示了PSII中CL1通道在光驱动水氧化过程中逐步去质子化的机制。质子传递受到氧化态门控的严格控制，这些门控通过水合转变和离子对构象变化来调节。Glu65D1门控调节了CL1通道中质子传递的屏障，防止了质子回流。Glu312D2可能作为局部质子存储位点。研究结果表明，多个生物能量转换系统可能利用电场效应、离子对构象变化和水合转变来控制质子传递反应。
研究亮点
- 质子传递路径的揭示：研究首次详细描述了PSII中CL1通道的质子传递路径，揭示了羧酸盐链在水介导质子传递中的关键作用。
- 分子门控机制的发现：Glu65D1被识别为局部分子门控，控制质子向类囊体腔的传递，防止了质子回流。
- 电场效应的揭示：研究首次通过模拟揭示了YZ氧化触发的电场如何增强质子传递，为理解生物能量转换中的质子传递机制提供了新的视角。
- 多尺度模拟方法的应用：研究结合了经典的MD模拟和QM/MM自由能计算，为复杂生物系统中的质子传递机制研究提供了新的方法学框架。
研究意义
本研究不仅深化了对PSII水氧化机制的理解，还为其他生物能量转换系统中的质子传递机制研究提供了重要的理论依据。研究揭示的电场效应和分子门控机制可能广泛应用于生物能量转换系统的研究中，具有重要的科学和应用价值。