光合作用水解放氧的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

光合作用過(guò)程中，光系統(tǒng)II核心復(fù)合體接受來(lái)自外圍捕光復(fù)合體II（LHCII），次要捕光復(fù)合物葉綠素結(jié)合蛋白（CP29、CP26和CP24））的激發(fā)能，以誘導(dǎo)稱為P680的特殊葉綠素發(fā)生電荷分離，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)化。這一復(fù)雜的光物理過(guò)程是由PSII的許多蛋白質(zhì)亞基和各種輔助因子，包括葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素、一個(gè)Mn4CaO5簇、一個(gè)血紅素、質(zhì)體醌和脂質(zhì)體共同完成的。目前比較常見(jiàn)的說(shuō)法是PSII核心蛋白復(fù)合體發(fā)生電荷分離后會(huì)將電子傳遞給脫鎂葉綠素（Pheo），PSII核心復(fù)合體會(huì)形成“電子陷阱”，進(jìn)而PSII的另一個(gè)特征功能特性發(fā)揮作用，通過(guò)Mn4CaO5簇蛋白誘導(dǎo)水氧化反應(yīng)從水分子中奪取電子。PSII核心復(fù)合物的電子傳遞給原初電子受體，并從原初電子供體H2O中獲取電子，實(shí)現(xiàn)了光合電子傳遞的起始步驟。為了更好的理解電子傳遞鏈的起始過(guò)程，本文將從放氧復(fù)合體的結(jié)構(gòu)模型展開(kāi)，希望能給廣大讀者以新的啟示。

光合放氧的高等植物和藻類(lèi)PSII都有放氧復(fù)合體結(jié)構(gòu)。1998年H. Schiller 等人用X射線吸收光譜研究了高等植物（菠菜）和單細(xì)胞綠藻（Scenedesmus obliquus ）PS II處于暗穩(wěn)定狀態(tài)（S1-state）結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)發(fā)現(xiàn)就是綠藻和高等植物的PS II錳簇復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和取向高度相似或完全相同。

放氧復(fù)合體工作時(shí)存在中間體最早可以追溯到1955年ALLEN和Franck發(fā)現(xiàn)在黑暗中光合機(jī)構(gòu)接受單次閃光并不釋放氧氣。在之后的1965-1969年間P.Joliot通過(guò)改進(jìn)的極譜技術(shù)對(duì)這種放氧失活的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)識(shí)到放氧失活現(xiàn)象為光化學(xué)產(chǎn)生的中間體穩(wěn)定性有限。1970年，Kok,B.在前人研究的基礎(chǔ)上研究了分離的葉綠體在弱光和閃光下的氧氣釋放，分析光和氧氣釋放，中間體及其在黑暗中衰變的關(guān)系，得出閃光總是產(chǎn)生與前體或氧氣相同數(shù)量的氧化當(dāng)量。每個(gè)光化學(xué)中心在穩(wěn)態(tài)光合作用中存在的不穩(wěn)定前體當(dāng)量數(shù)= 1.2。四個(gè)光化學(xué)過(guò)程形成的氧化當(dāng)量的協(xié)同作用基本上發(fā)生在各個(gè)反應(yīng)中心，最終的O2釋放步驟是一個(gè)量子過(guò)程。數(shù)據(jù)與線性四步機(jī)制吻合，在該線性四步機(jī)制中，反應(yīng)中心或相關(guān)的催化劑（S）連續(xù)累積四個(gè)電荷。S4狀態(tài)產(chǎn)生O2并返回到基態(tài)S0。除了S0態(tài)，第一氧化態(tài)S1在黑暗中也是穩(wěn)定的，兩個(gè)較高的態(tài)S2和S3不穩(wěn)定。他們還估算了一些光氧化步驟的弛豫時(shí)間。最快的反應(yīng)可能是S1*-S2），半衰期時(shí)間小于等于200μs。S2狀態(tài)，可能還包括S0*狀態(tài)的處理速度會(huì)稍慢一些（≈300-400 μs）。

上世紀(jì)九十年代初的諸多研究結(jié)果顯示S0-S1和S1-S2躍遷都涉及錳的氧化。1998年Lucia Iuzzolino用X射線吸收光譜研究光系統(tǒng)II膜顆粒的結(jié)果也建議將水循環(huán)中的S2-S3 狀態(tài)變化歸因于放氧復(fù)合體的錳氧化。提出光合作用的放氧反應(yīng)與PS II錳簇復(fù)合物中四核錳配合物的四種不同氧化態(tài)循環(huán)有關(guān)。

1999年匡廷云院士團(tuán)隊(duì)根據(jù)前人的研究提出新的放氧復(fù)合體結(jié)構(gòu)模型及放氧機(jī)理。兩個(gè)H2O分子在“ C”形簇的開(kāi)口端與兩個(gè)錳離子（Mn1II和Mn4III）不對(duì)稱結(jié)合，并保持相當(dāng)大的距離。兩個(gè)組氨酸殘基通過(guò)咪唑的氮原子與處于較高氧化態(tài)的另外兩個(gè)錳離子（Mn2IV和Mn3IV）配位。作為末端配體結(jié)合到Mn4III的Cl連接到Ca，后者需要通過(guò)oxo橋連接羧酸配體來(lái)維持兩個(gè)Mn2O2單元的特殊構(gòu)型。放氧中心的整體結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的。新的放氧機(jī)理可以預(yù)測(cè)兩個(gè)H2O分子的不對(duì)稱氧化，放氧中心的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化和間接質(zhì)子傳遞。

之前的大多數(shù)研究都是在推測(cè)放氧復(fù)合體錳簇蛋白的狀態(tài)及其結(jié)構(gòu)，KennethSauer等人在2005年的綜述文章系統(tǒng)總結(jié)了在那之前借助X射線吸收光譜（XAS）、X射線發(fā)射光譜（XS）、共振非彈性X射線散射（RIXS）和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）研究的成果，提出了較為清晰而詳細(xì)的PS-II中錳簇放氧復(fù)合體及其內(nèi)部各元素分布的模型。
 

由O原子橋接的4個(gè)Mn原子的簇內(nèi)排列示意圖

由O原子橋接的4 Mn和1 Ca的簇內(nèi)排列與Mn-和Sr-X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)二色性一致

2004年3月19日，Kristina N等人在Science上發(fā)表題為Architecture of the PhotosyntheticOxygen-Evolving Center的文章。報(bào)道了在3.5Å分辨率下細(xì)長(zhǎng)嗜熱聚球藻的PSII結(jié)構(gòu)，描述PSII輔助因子結(jié)合位點(diǎn)，提出一個(gè)新的放氧復(fù)合體（OEC）的結(jié)構(gòu)。Kristina N認(rèn)為放氧復(fù)合體含有一個(gè)類(lèi)似立方烷的Mn3CaO4團(tuán)簇并通過(guò)mono-μ-oxo橋連到第四個(gè)Mn原子。
 

Kristina N提出的放氧中心（OEC）模型

 （A）具有側(cè)鏈配體和可能具有催化作用的重要側(cè)鏈殘基的OEC的立體圖。Mn離子，Ca2+和氧原子分別以品紅色，青色和紅色顯示。OEC的一種未鑒定的非蛋白配體以綠色標(biāo)記。蛋白質(zhì)主鏈顯示為淺灰色；側(cè)鏈和碳原子遵循蛋白質(zhì)亞基的顏色（D1，黃色； CP43，綠色）。σA加權(quán)2 [Fo]-[Fc]密度顯示為輪廓為1.5σ的淺藍(lán)色絲網(wǎng)。1.89340Å（Mn邊緣，輪廓為10σ）和2.25430Å（高亮Ca2，輪廓為7σ）的異常差異傅立葉圖分別顯示為品紅色和藍(lán)綠色。（B）與（A）相同，但繞y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)40°。（C）OEC的示意圖。 D1，D2和CP43亞基中的殘基分別以黃色，橙色和綠色顯示。 X1，X21和X22是與Mn4（X1）和Ca2+（X21和X22）可能存在的底物水結(jié)合位置，這是根據(jù)非蛋白質(zhì)配體的位置以及Mn和Ca2+離子的配位方式確定的。在當(dāng)前分辨率下不可見(jiàn)但可能的水分子顯示為W。可能的氫鍵顯示為淺藍(lán)色虛線。（D）活性部位和管腔之間的親水途徑（藍(lán)色箭頭）。殘基的顏色與（B）相同。
 

Kristina N的水氧化機(jī)理。在Kristina N之前的研究表明緊密結(jié)合的Ca2+靠近Mn離子是水氧化機(jī)理的先決條件。在S狀態(tài)循環(huán)中，只有一個(gè)Mn離子與底物水分子結(jié)合，并且在形成雙氧之前會(huì)生成高活性的親電中間體，即Mn（IV）氧基或Mn-oxo基。Pecoraro等人的觀點(diǎn)也支持Mn（V）參與水氧化。Kristina N的OEC結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈表明Mn4是這種反應(yīng)性Mn離子。實(shí)際上，在Kristina N的電子密度圖中檢測(cè)到Mn4的X1位置在水氧化反應(yīng)過(guò)程中可能被水分子或氧氣中間體占據(jù)。根據(jù)上述機(jī)制，提出O = O鍵的形成是由于金屬離子與Ca2+連接的第二底物水分子的親核攻擊而發(fā)生的，其中該金屬離子還可能部分充當(dāng)弱路易斯酸，并受Mn3簇和Cl-配體的輔助。在Kristina N的結(jié)構(gòu)中，接近X1位點(diǎn)的Ca2+離子 X21或X22配體似乎是第二底物水分子的理想結(jié)合位。附近的殘基D1 Gln165和CP43 Arg357可在形成O=O鍵之前提供氫鍵以穩(wěn)定中間體。實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，CP43 Arg357突變?yōu)榻z氨酸完全抑制了氧氣的釋放并阻止了光合自養(yǎng)生物的生長(zhǎng)。

在這之前的研究認(rèn)為，水的氧化涉及質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移到TyrZ自由基，TyrZ和D1 His190之間的氫鍵不僅對(duì)穩(wěn)定TyrZ至關(guān)重要。而且還為水氧化產(chǎn)生的質(zhì)子提供出口通道。TyrZ靠近水的氧化位點(diǎn)，并且還可以為反應(yīng)中間體提供氫鍵。但Kristina N研究表明質(zhì)子更有可能通過(guò)另一條途徑逸出。水分子和一些殘基（包括Glu189）可以將假定的水氧化位點(diǎn)與質(zhì)子通道連接，該質(zhì)子通道由將D1 Asp61（與Mn4緊密相關(guān)）連接到腔表面的極性殘基形成，而無(wú)需位于OEC的另一側(cè)TyrZ和D1 His190參與。

以上的研究讓我們對(duì)PSII放氧結(jié)構(gòu)有了比較清晰的認(rèn)識(shí)，但受于分辨率的限制，仍有很多細(xì)節(jié)不能確定。2011年5月5日，日本的科學(xué)家Yasufumi Umena在Nature雜志上發(fā)表題為Crystal structure of oxygen-evolving photosystemII at a resolution of 1.9 Å的研究文章，以嗜熱藍(lán)藻為研究對(duì)象，將PSII放氧復(fù)合體的結(jié)構(gòu)解析提升到一個(gè)新的高度。通過(guò)對(duì)光系統(tǒng)II的晶體結(jié)構(gòu)1.9 Å分辨率的分析，Yasufumi Umena找到了Mn4CaO5團(tuán)簇的所有金屬原子及其所有配體。發(fā)現(xiàn)五個(gè)氧原子充當(dāng)了連接五個(gè)金屬原子的oxo橋，并且四個(gè)水分子與Mn4CaO5團(tuán)簇鍵合。它們中的一些可以用作形成雙氧的底物。在每個(gè)光系統(tǒng)II單體中識(shí)別出1300多個(gè)水分子。其中一些形成了廣泛的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，可以用作質(zhì)子，水或氧分子的通道。PSII的高分辨率結(jié)構(gòu)揭示了Mn4CaO5團(tuán)簇及其氧橋和配體以及四個(gè)結(jié)合的水分子的幾何排列。這為揭示水分解和O = O鍵形成的機(jī)理提供了基礎(chǔ)。此外，該研究對(duì)氨基酸側(cè)鏈和輔因子的精確排列的確定使我們對(duì)PSII內(nèi)發(fā)生的能量遷移，電子轉(zhuǎn)移和水分解反應(yīng)有扎實(shí)的結(jié)構(gòu)理解。
 

Yasufumi Umena提出的Mn4CaO5團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型
a，與Mn4CaO5團(tuán)簇相關(guān)的單個(gè)原子確定。團(tuán)簇結(jié)構(gòu)與錳/鈣原子5σ輪廓的2Fo- -Fc圖（藍(lán)色）以及氧原子/水分子7σ輪廓的縮略圖（綠色）重疊。b，金屬原子與氧oxo或水分子之間的距離（單位為Å）。c，每對(duì)錳原子之間的距離。d，錳和鈣原子之間的距離。e，Mn4CaO5簇及其配體環(huán)境的立體圖。所示距離是兩種單體之間的平均距離。錳，紫色；鈣，黃色；氧氣，紅色； D1，綠色； CP43，粉紅色。

Yasufumi Umena的研究結(jié)果將放氧復(fù)合體中四個(gè)錳原子和單個(gè)鈣原子的電子密度被確定并清晰地分辨出來(lái)，鈣原子的電子密度低于錳原子的電子密度，這使我們能夠清楚地識(shí)別單個(gè)原子。另外，發(fā)現(xiàn)了五個(gè)氧原子作為oxo橋，連接了縮略圖中的五個(gè)金屬原子。在這五種金屬和五個(gè)氧原子中，三個(gè)錳，一個(gè)鈣和四個(gè)氧原子形成了類(lèi)似立方烷的結(jié)構(gòu)，其中鈣和錳原子占據(jù)了四個(gè)角，而氧原子則占據(jù)了另外四個(gè)角。類(lèi)立方烷結(jié)構(gòu)中氧和鈣之間的鍵長(zhǎng)通常在2.4-2.5Å范圍內(nèi)，而氧氣和錳之間的鍵長(zhǎng)在1.8-2.1Å范圍內(nèi)。但是，在立方烷一角的一個(gè)氧（O5）與鈣之間的鍵長(zhǎng)為2.7Å，而O5與錳之間的鍵長(zhǎng)為2.4-2.6Å。由于鍵長(zhǎng)的這些差異，Mn3CaO4類(lèi)立方烷不是理想的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

第四錳（Mn4）位于類(lèi)立方烷結(jié)構(gòu)之外，并通過(guò)O5與類(lèi)立方烷結(jié)構(gòu)內(nèi)的兩個(gè)錳（Mn1和Mn3）相連，通過(guò)第五氧（O4）以雙-μ-oxo橋與Mn3連接。Mn4CaO5團(tuán)簇的整體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于變形的椅子，不對(duì)稱的類(lèi)立方烷作為椅子底座，孤立的Mn4和O4作為椅子的靠背。

Mn4CaO5團(tuán)簇的最重要的結(jié)構(gòu)特征就是扭曲的椅子形式，這對(duì)于闡明水分解反應(yīng)的機(jī)理可能很重要。該研究的很多結(jié)果顯示，大的變形主要是由Mn4CaO5簇中鈣和O5的存在引起的。O5和金屬原子之間的距離明顯更長(zhǎng)，表明相應(yīng)的鍵很弱，因此O5的負(fù)電荷可能比oxo橋中正常氧原子的價(jià)低。這反過(guò)來(lái)表明，O5可能以氫氧根離子的形式出現(xiàn)在S1狀態(tài)，并可能為形成雙氧提供底物之一。因?yàn)閃2和W3都在與O5氫鍵結(jié)合距離之內(nèi)，所以這兩種水之一可能會(huì)提供另一種底物。

由于在Kok循環(huán)中S0和S1之間的躍遷最快，因此在此躍遷期間釋放的質(zhì)子可能會(huì)被D1-Tyr 161（又稱YZ）接受，并通過(guò)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移使其質(zhì)子化。W3比O5更接近YZ，可能比O5更適合作為質(zhì)子釋放基團(tuán)。因此，在S1狀態(tài)下，W3而不是O5，可能是氫氧離子，這表明W2和W3之間可能會(huì)形成O=O鍵。無(wú)論如何，我們的結(jié)果表明O=O鍵的形成發(fā)生在O5，W2和W3三種中的兩個(gè)間。
 

YZ附近的氫鍵網(wǎng)絡(luò)
a，YZ附近的氫鍵（D1-Tyr 161）。金屬原子和水配體之間的鍵以實(shí)線表示，氫鍵以虛線表示。距離以Å表示。b，從Mn4CaO5團(tuán)簇通過(guò)YZ到管腔體相的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。參與氫鍵網(wǎng)絡(luò)的水分子以橙色表示，而未參與氫鍵網(wǎng)絡(luò)的水分子以灰色表示。左上角的綠色區(qū)域代表腔體表面。PsbV，淺黃色；其他顏色代碼與前面的相同。OEC，放氧復(fù)合物。

兩個(gè)Cl-結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)
a, 兩個(gè)Cl-離子的位置。藍(lán)色網(wǎng)孔，在0.9Å的波長(zhǎng)下測(cè)得的輪廓為4σ的2Fo-Fc圖；橙色網(wǎng)格，在1.75Å波長(zhǎng)下測(cè)量的輪廓為8σ的異常差分傅立葉圖。左上角的小密度來(lái)自D1-Met 328的硫原子。距離以Å表示。b，從Mn4CaO5團(tuán)簇通過(guò)Cl-1結(jié)合位點(diǎn)到腔體的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。 c，從Mn4CaO5團(tuán)簇通過(guò)Cl-2結(jié)合位點(diǎn)到腔體的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。顏色代碼與前面相同。

放氧復(fù)合物（OEC）是一種天然酶，可在自然條件下光合作用中催化水的氧化，產(chǎn)生地球上絕大多數(shù)生物生存所必需的氧氣。正因如此，科研人員對(duì)自然界這一最偉大反應(yīng)的探索從未停止。

2015年1月，Nature雜志在線發(fā)表了來(lái)自日本岡山大學(xué)（第一單位）沈建仁課題組與合作者題為“Native structure of photosystem II at1.95 Å resolution viewed by femtosecond X-ray pulses”的研究論文，該研究使用自由電子激光（SACLA）技術(shù)解析了嗜熱藍(lán)藻的PSII的S1狀態(tài)的“無(wú)輻射破壞”結(jié)構(gòu)，其分辨率為1.95Å。通過(guò)對(duì)OCE高分辨率的解析，研究人員認(rèn)為在S1狀態(tài)，O5是氫氧離子而不是氧陰離子（去質(zhì)子化的氧）。O5的不尋常特性以及在S1狀態(tài)下是OH-離子的指向表明，它在S0狀態(tài)下是水分子。從S0過(guò)渡到S1時(shí)，質(zhì)子從O5位置釋放，導(dǎo)致S1狀態(tài)的OH-產(chǎn)生。O5為形成O = O鍵提供了底物水分子之一，這與17O電子-電子雙共振檢測(cè)NMR實(shí)驗(yàn)一致。O5的參與，水氧化反應(yīng)中O = O鍵的形成可以在O5與附近的另一個(gè)氧原子之間進(jìn)行，這可能是一個(gè)新插入的水分子�；�于上述結(jié)果，研究人員指出行程O(píng)=O的第二個(gè)氧原子可能由已經(jīng)存在的末端水配體W2或W3其中之一提供，因?yàn)閮烧遅2和W3在與O5氫鍵結(jié)合的距離之內(nèi)，因此可能能夠在S態(tài)過(guò)渡期間移向O5以形成O=O鍵。該成果為氧氣釋放的機(jī)理提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，同時(shí)將為水氧化人工催化劑的設(shè)計(jì)提供藍(lán)圖。
 

2015年沈建仁在文章中提出的可能的放氧反應(yīng)機(jī)理
S1狀態(tài)的O5同時(shí)連接到Mn1D（III）和Mn4A（III）。從S1過(guò)渡到S2時(shí)，電子可能會(huì)從Mn4A中脫離，從而導(dǎo)致右側(cè)開(kāi)放結(jié)構(gòu)（“ R型”），或者從Mn1D中脫離，從而導(dǎo)致左側(cè)開(kāi)放結(jié)構(gòu)（“ L型”）。兩種結(jié)構(gòu)都允許在隨后的S狀態(tài)過(guò)渡過(guò)程中插入新的水分子，為即將形成O = O鍵（由底部右側(cè)結(jié)構(gòu)中的紅色鍵表示）之前的過(guò)渡狀態(tài)做準(zhǔn)備。或者，可以通過(guò)將W2或W3移向O5來(lái)準(zhǔn)備好形成O = O鍵的過(guò)渡狀態(tài)（由底部左側(cè)結(jié)構(gòu)中的橙色箭頭指示）。灰色：錳；藍(lán)色：鈣；紅色：oxo氧；黃色：O5；橙色：水。

2017年沈建仁在文章中提出的可能的放氧反應(yīng)機(jī)理
OEC中O = O鍵形成和質(zhì)子轉(zhuǎn)移途徑的可能機(jī)制。虛線圓圈表示與O4鍵合的水（W567）H附近的水分子（W665）的位移，這導(dǎo)致W567接近O4。虛線箭頭表示質(zhì)子轉(zhuǎn)移的可能途徑。用紅色虛線包圍的兩對(duì)氧原子代表O = O鍵形成的可能位點(diǎn)，而O5和O6之間的氧原子距離更短，因此代表了O = O鍵形成的實(shí)際位點(diǎn)。

2017年3月，Nature雜志在線發(fā)表了來(lái)自日本岡山大學(xué)（第一單位）沈建仁課題組與合作者題為“Light-induced structural changes andthe site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL”的研究論文，該研究使用使用X射線自由電子激光（XFEL）技術(shù)捕捉到了光激發(fā)和黑暗狀態(tài)下PSII復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了Mn4CaO5簇在水光解過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化，更加細(xì)致的分析了放氧復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，在OEC周?chē)�的區(qū)域中，距離Mn4CaO5簇3.5Å的水分子在兩次閃光照明下從圖中消失了。這縮短了另一個(gè)水分子與氧原子O4之間的距離，說(shuō)明質(zhì)子轉(zhuǎn)移也發(fā)生了。重要的是，兩次閃光減去暗處同構(gòu)差異傅立葉圖顯示了O5附近的明顯正峰，而位于Mn1和Mn4準(zhǔn)中心的是獨(dú)特的μ4-oxo橋。這表明在O5附近插入了一個(gè)新的氧原子（O6），這兩個(gè)氧原子之間的O = O距離為1.5。這為O = O鍵的形成機(jī)制提供更為細(xì)致的解釋。從分子水平上揭示出氧氣形成的可能機(jī)理。

2019年10月18日，Science雜志刊登日本岡山大學(xué)沈建仁團(tuán)隊(duì)最新研究成果，在標(biāo)題為An oxyl/oxo mechanism foroxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser的文章中，研究人員將SACLA X射線自由電子激光（XFEL）設(shè)備產(chǎn)生的量子束照射到光系統(tǒng)II晶體上，分析了S1，S2和S3狀態(tài)的PSII結(jié)構(gòu)。在S2中未發(fā)現(xiàn)水的插入，但是在S2過(guò)渡到S3時(shí)D1 Glu189的翻轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致水通道的打開(kāi)，并提供了一個(gè)用于插入其他氧配體的空間，從而導(dǎo)致開(kāi)放的Mn4CaO6簇與oxyl/oxo橋。PSII在不同S狀態(tài)之間的結(jié)構(gòu)變化揭示了光合水氧化過(guò)程中底物水通道，質(zhì)子釋放和雙氧形成的協(xié)同作用。
 

PSII中的供水網(wǎng)絡(luò)
OEC周?chē)�有五個(gè)氫鍵結(jié)合的水網(wǎng)絡(luò)。所示氫鍵的上限距離為3.3。 CL1和CL2代表在OEC附近發(fā)現(xiàn)的氯離子。

OEC的示意圖結(jié)構(gòu)以及S1-S3狀態(tài)中O1和O4通道的狀態(tài)
可將來(lái)自O(shè)1通道的水分子摻入S3中的O6中，或重新填充水分子以等待下一個(gè)催化反應(yīng)。

綜上所述，光合作用光系統(tǒng)II（PSII）放氧復(fù)合體的結(jié)構(gòu)解析經(jīng)歷了由最初的推測(cè)有中間體存在，到放氧過(guò)程放氧復(fù)合物存在S0-S4五種狀態(tài)，再M(fèi)n3CaO4團(tuán)簇中的原子定位，直到目前水氧化位點(diǎn)，O=O形成位點(diǎn)的確定。PSII氧化水生成氧氣過(guò)程清晰和系統(tǒng)的研究為PSII供體側(cè)反應(yīng)，質(zhì)子產(chǎn)生，氧氣釋放的機(jī)理有了更新的認(rèn)識(shí)，為合成氧化水的人工催化劑提供了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，意義深遠(yuǎn)。

由于相關(guān)研究?jī)?nèi)容非常專(zhuān)業(yè)，難免有些理解不準(zhǔn)確或者編輯整理的疏漏，請(qǐng)以英文原文為準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)
1. Kok, B., et al. (1970)."Cooperation of charges in photosynthetic O2 evolution–I. A linear fourstep mechanism." Photochemistry Photobiology 11(6): 457-475.
2. Iuzzolino, L., et al.(1998). "X-ray absorption spectroscopy on layered photosystem II membraneparticles suggests manganese-centered oxidation of the oxygen-evolving complexfor the S0-S1, S1-S2, and S2-S3 transitions of the water oxidation cycle."Biochemistry (Moscow) 37(49): 17112-17119.
3. Schiller, H., et al.(1998). "Structure and orientation of the oxygen-evolving manganesecomplex of green algae and higher plants investigated by X-ray absorptionlinear dichroism spectroscopy on oriented photosystem II membraneparticles." Biochemistry (Moscow) 37(20): 7340-7350.
4. Zhang, C., et al. (1999)."New structure model of oxygen-evolving center and mechanism for oxygenevolution in photosynthesis." Chinese Science Bulletin 44(24): 2209-2215.
5. Ferreira, K. N., et al.(2004). "Architecture of the photosynthetic oxygen-evolving center."Science 303(5665): 1831-1838.
6. Sauer, K., et al. (2005)."X-ray spectroscopy of the Mn 4 Ca cluster in the water-oxidation complexof Photosystem II." Photosynthesis Research 85(1): 73-86.
7. Umena, Y., et al. (2011)."Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of1.9 Å." Nature 473(7345): 55.
8. Suga, M., et al. (2015)."Native structure of photosystem II at 1.95 Å resolution viewed byfemtosecond X-ray pulses." Nature 517(7532): 99.
9. Suga, M., et al. (2017)."Light-induced structural changes and the site of O= O bond formation inPSII caught by XFEL." Nature 543(7643): 131.
10. Suga, M., et al. (2019). "An oxyl/oxo mechanism foroxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser."Science 366(6463): 334-338.