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重大突破!叶绿素合成关键酶晶体结构首次揭示

中国农业科学院生物技术研究所博士程奇带领的课题组首次揭示了叶绿素生物合成关键酶——光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶三维晶体结构,对认识蛋白质结构如何控制重要光驱动酶的催化作用产生重大突破。该成果日前发表在顶级科学杂志《Nature》上。

“万物生长靠太阳”,靠的就是光合作用,一切能为地球上生命所用的能量都是由太阳的光能转化而来。光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶作为蓝细菌、藻类和多细胞植物叶绿素合成的关键酶。该酶的活性及其基因表达直接影响黄化幼苗的转绿能力,对绿色植物的生长发育至关重要。虽然从发现这个关键酶至今大约近一百年了,但是科学家们却一直没有能够揭开LPOR蛋白(光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶)结构的神秘面纱,因而对LPOR蛋白的作用机理也只是处于理论推测阶段。LPOR蛋白的结构及作用机理对光合作用的理论和应用研究意义重大,是该领域亟待解决的重大科学问题之一。

中国农业科学院生物技术研究所博士程奇课题组和上海交通大学基础医学院博士周爱武团队与英国曼切斯特大学生物技术研究所博士Nigel Scrutton(奈杰尔·斯克鲁顿)团队合作,研究发现了了LPOR酶单体,LPOR-NADPH(光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)蛋白复合体的晶体结构,衍射率分别为1.4A,1.8A,2.4A。LPOR晶体结构的阐明及其LPOR-NADPH-原叶绿素酸酯三元复合物的精准建模研究,揭示了POR活性位点如何通过NADPH进行局部氢化物转移和沿结构定义的质子转移途径进行远距离质子转移,促进光驱动的原叶绿素减少。

LPOR-NADPH晶体结构

至此证明,该酶活性位置的蛋白结构高度调谐,促进了光化学作用。它为如何利用光能驱动酶催化,提供了重要信息。

“本研究提供了LPOR蛋白质结构和激发态化学之间关键的缺失环节,对光催化的化学和生物催化剂以及相关蛋白小分子抑制剂的工程化设计具有重要意义。”该成果共同通讯作者程奇表示,这项工作也为提供定量的能量(光能到化学能)转化反应的详细计算分析铺平了道路,对该催化作用的描述将更加完整,这也是目前酶学的一大挑战。

该成果共同第一作者中国农业科学院生物技术研究所博士孙文丽介绍,此项研究科学意义重大,由此揭秘了太阳提供给地球上一切生命的终极能量来源的生物学转化“阀门”的真实结构及其开关功能;光驱动酶的结构学基础;光依赖型还原酶的动力学机制。

“本成果为诸多相关研究领域奠定研究的基础——填补了国际上近一百年来光合作用相关领域的空白(叶绿素生物合成光驱动型酶LPOR及其辅因子NADPH复合体的三维晶体结构),具有‘里程碑’的意义;有助于进一步完善相关趋同进化过程中的一些关键酶蛋白的进化顺序(地球钟)和未来可预测性走向;有助于ATP(腺嘌呤核苷三磷酸)依赖型与光依赖(驱动)型酶工程化设计(新型固氮酶LUN、新型聚合酶Pol 等等)及相关领域的合成生物学基础(生物固氮/光合作用)等。”程奇表示

据悉,该研究得到了国家973项目(2010CB126504)的资助。

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