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成果展示

《Nature Structural & Molecular Biology》發表生物物理所高等植物光合膜蛋白菠菜次要捕光復合物CP29三維晶體結構研究成果

發布時間:2011年02月15日

  2011年2月6日,國際著名期刊Nature Structural & Molecular Biology在線發表了中國科學院生物物理所常文瑞院士課題組關于高等植物光合膜蛋白——菠菜次要捕光復合物CP29的2.8 ?分辨率晶體結構(Structural insights into energy regulation of light-harvesting complex CP29 from spinach)。該項工作是繼2004年常文瑞院士課題組解析了菠菜主要捕光復合物LHCII晶體結構之后的又一重要突破,也是國際上首個高等植物次要捕光復合物的晶體結構。該研究工作在晶體結構的基礎上深入分析討論了CP29的捕光、能量傳遞和光保護等功能。

  光系統II次要捕光復合物CP29位于主要捕光復合物LHCII與核心復合物之間的界面上,是維持PSII-LHCII超大復合物所必需的。CP29除了承擔捕獲太陽能并將能量高效傳遞到反應中心外,還在LHCII與反應中心之間的能量傳遞中起到橋梁作用。此外,CP29還參與強高光照條件下植物自身的光保護機制(如以熱的形式將過多的激發能耗散掉,即非光化學淬滅NPQ)。由于CP29在光系統II中的含量較低并且結合多種色素分子,存在見光不穩定性,因而獲得足夠量并且穩定、均一可用于晶體生長的蛋白樣品十分不易。而高等植物光合膜蛋白結晶是國際公認的難題,即便獲得晶體也往往因為衍射能力很差而無法用于結構解析,因此,多年來一直沒有CP29的晶體結構信息。

  經過5年多的潛心研究和不懈努力,常文瑞院士課題組最終取得了突破,解析了來源于高等植物菠菜的CP29晶體結構。晶體結構顯示,CP29脫輔基蛋白具有三段跨膜螺旋和兩段位于類囊體腔側的兩親性螺旋,每個單體結合有13個葉綠素 (Chl)分子及3個類胡蘿卜素分子。CP29的晶體結構與以前廣泛應用的預測模型存在很大差異:在晶體結構中,有5個葉綠素是新發現的,其中還包括一個主要捕光復合物LHCII中也不存在的全新的葉綠素a615,并且預測模型中認為的4個葉綠素混合占有位點也通過晶體結構被明確的指認為Chl a或Chl b。晶體結構中發現了一個非常特殊的葉綠素對具有三明治式結構特征,這種特殊的葉綠素配位方式在光合膜蛋白中尚屬首例。另外,晶體結構中還發現了兩個重要色素簇a615/a611/a612/Lut和Vio(Zea)/a603/a609,它們位于CP29分子表面并且分布在兩側,可能是能量傳遞途徑的進出口和潛在的能量淬滅中心。根據晶體結構,CP29中完整精確的色素網絡得以構建。該項研究工作為深入研究高等植物次要捕光復合物的高效捕光,能量傳遞,尤其是光保護等能量調節機制提供了結構基礎。

  該項研究工作得到科技部、中國科學院和國家自然科學基金委員會的資助?! ?/p>

CP29單體結構示意圖 CP29中的色素網絡

 

(報道:科技處)

(2011年2月15日)

 

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