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题目: Locating the missing chlorophylls f in far-red photosystem I
链接: DOI: 10.1126/science.ado6830
叶绿素 f （Chl f） 是在远红光下生长时从叠层石中分离出来的蓝藻中发现的。含叶绿素 f 的光系统的发现及其长波长光化学代表了一种独特的低能含氧光合作用范式。含叶绿素f光系统的结构研究I.能识别出一些叶绿素f位点，但在光化学活性色素中没有发现，叶绿素f不起光化学作用。
2025年10月9日，Science 在线发表题为“ Locating the missing chlorophylls f in far-red photosystem I”的研究论文。英国帝国理工学院Andrea Fantuzzi和A. William Rutherford教授课题组报告了来自热热球菌 PCC 7203 的两种远红 PSI 冷冻电镜结构，允许分配八个叶绿素 f 分子，包括氧化还原活性 A-1B.电荷分离引起的吸收差光谱的模拟表明，只有考虑在 A-1B网站。叶绿素 f 位置、波长分配和保守的远红特异性残基为有效利用长波长光子提供了功能见解。
该研究首先通过获取高达1.89埃分辨率的冷冻电镜结构，并结合新开发的统计分析方法，成功在远红光系统I中识别出全部8个叶绿素f分子的精确位置，包括此前未被发现的反应中心A-1B位点。
FR-PSI冷冻电镜结构中叶绿素f位点的定位
结构分辨率的提高允许在热梭菌FR-PSI中所有八个Chl f分子的ESP图谱中检测到甲酰基：A-1B、A21、A23、B07、B30、B37、B38和L03 [图1，A和B；基于Jordan等人的叶绿素命名法]。先前发表的结构允许分配预期的八个Chl f分子中的一些，其中一些与此处呈现的候选分子相同。在这些情况中的五种情况（A21、A23、B07、B30和B37）中，C2甲酰基氢键的存在通过固定甲酰基的可能取向和通过减少负极化的甲酰基氧原子上的电荷而有助于ESP信号。作者的分析得到了一种新的统计分析的支持，这种分析是基于Gisriel等人的“cone-scan”方法。这种方法分析了在对应于碳-氧双键长度的精确距离处推定甲酰基碳周围ESP的变化。然而，ESP的最大变化（正和负）不一定发生在一个固定距离处，因此这里使用的方法量化了叶绿素取代基在距其各自碳原子的距离范围内的局部ESP环境，允许更彻底地探索ESP图谱，从而更严格地鉴定甲酰基。
图1.三聚体FR-PSI和叶绿素f位置的结构。（A）从细胞质侧观察三聚体FR-PSI图谱。该图谱显示了所有已知PSI亚基的清晰ESP：六个远红光特异性亚基（PsaA2、PsaB2、PsaF2、PsaI2、PsaJ2、PsaL2）以深蓝色表示，而与白光-PSI共有的六个亚基（PsaC、PsaD、PsaE、PsaK、PsaM、PsaX）以浅蓝色表示。（B）从胞质面和膜平面观察，8个候选Chl f分子（橙色）在FR-PSI单体中的位置。反应中心Chl a分子以绿色表示。
反应中心A-1B位点叶绿素f的结构证据
冷冻电镜数据用于绘制A-1B叶绿素C2’碳周围孔径为120°的锥形表面上的实验ESP分布（图2A）。在~145°的扭转角下明显的正ESP特征（红色）（图2B），表明在A-1B叶绿素的C2位置存在甲酰基，并证实了6个反应中心叶绿素中存在Chl f。负ESP特征（蓝色/蓝绿色）存在于约270°，在PsaA2 Phe459的甲酰基碳-氧双键和苄基环之间的界面处（图2，A至C和E），表明π堆叠相互作用。对文献中FR-PSI和WL-PSI的高分辨率结构的调查表明，这些阳性和阴性特征在先前发表的FR-PSI的C2 A-1B Chl位点中是保守的，而在WL-PSI中的等效位点中不存在。当比较FR-PSI和WL-PSI时，这些特征的最大和最小实验ESP具有统计学意义，加强了A-1B作为Chl f的分配，并证实了cone-scan分析对基础原子模型中的微小变化不敏感。
图2. A-1B是Chl f的证据。（A）FR-PSI反应中心B分支上A-1 Chl的化学环境（pdb_00009I9L）。Chl密度为橙色，来自PsaA2的氨基酸密度为蓝色。（B）ESP极性图显示在围绕C2取代基的145°扭转角处存在增加的正电位。（C）Z分数极性图强调了相对于甲基取代基周围的平均ESP环境，A-1B Chl的C2周围的正（145°扭转角）和负（270°扭转角）ESP特征存在统计学显著增加。（D）FR和WL PsaA的A-1B C2取代基附近的保守氨基酸差异。（E）左图：图C中的数据与Chl A-1B、PsaA2 Phe459和PsaA2 Cys463一起以3D形式呈现。右图：从DFT计算的ESP图获得的相应Z分数极坐标图，也以3D显示。Z分数显示在锥体的表面上，其轴从C2-C2’键的轴延伸，孔径为120°。（F）FR-PSI的实验P700+减去P700差分光谱（黑色）和计算的（红色）之间的比较，其中Chl f在A-1B位置（在T = 1.8 K）。
三聚化对激发能量转移的功能意义
Ch1 L03的ESP极性图显示了在C2位置的甲酰基的明显密度，其似乎不是氢键合的（图3）。存在FR特异性保守氨基酸变化，其中PsaL2 Val81取代白光PsaL的Lys/Leu/Ile，产生甲酰基所需的空间。增加的ESP密度以极角存在，这表明可能与WL和FR-PSI中存在的甘油二酯（LMG5007）相互作用（图3，A至C）。
FR-PSI在体内以三聚体存在，而WL-PSI在热梭菌中以二聚体或四聚体的形式存在。此处鉴定的Chl f位点主要位于FR-PSI复合物的PsaB2侧，并且三聚化导致该侧靠近单个PSI单体之间的界面。因此，FR-PSI三聚体的形成导致富含Chl f的核心结构。PsaL2介导三聚体形成，L03位点中的Chl f位于同一复合物的B07 Chl f和相邻复合物的Chl f之间。因此，Chl f L03可能在FR-PSI三聚体中的Chl f连接性中起重要作用。在该核心内，Chl f分子之间的距离可以允许Chl f分子之间和三聚体中的PSI单体之间的有效激发能量转移（图3E）。PSI三聚体中各个PSI复合物之间的激发能量共享已被认为通过特定途径在WL-PSI中发生，其中之一涉及PsaL的叶绿素。当三聚体中的一个或两个其它PSI单体被光化学“closed”时，三聚体内的Chl f 分子之间的激发能量共享将增加电荷分离的机会。另一个结构特征也强调了这种三聚体间Chl f连接的重要性：PsaB2的FR特异性B37/B38环，其与PsaL2的FR特异性环具有广泛的相互作用（图3F）。这些相互作用可以稳定B37/B38CHL F二聚体，有利于PsaB2-PsaL2的结合，并通过阻碍PsaL1和PsaB2相互作用来防止嵌合WL-FR-PSI的形成。
图3. L03 Chl f位点，单体之间的长波长桥。（A）L03 Chl的化学环境。Chl密度为橙色，来自PsaL2的氨基酸残基的密度为绿色，甘油二酯的密度为粉色。（B）ESP极性图，指示C2取代基周围存在增加的电位。（C）Z-score极性图，其指示在C2取代基周围存在增加的电位。（D）FR和WL PsaL的多序列比对，显示81位的远红特异性Val残基。（E）从左侧方向看，Chl f分子在FR-PSI三聚体中的位置。每个单体以红色、绿色和蓝色着色，与最近的Chl f邻居的连接以黄色表示。L03和B07在三聚体的核心处形成CH1F染料环。它们在同一单体内的距离约为11 Å，两个单体之间的距离约为15 Å。（F）WL-PSI的结构PsaB和PsaL以蓝色表示，Ch1 f以橙色表示，PsAB 2以紫色表示，PsAL2以绿色表示。
此处介绍的结构模型显示了 FR-PSI 中所有预期的 8 Chl f 分子的位置。H键稳定了大多数天线Chl f分子，即A21，A23，B07，B30，B37，使Chl f上的甲酰氧更容易被冷冻电镜检测到。因此，此类甲酰氧需要提高分辨率并开发更彻底的统计分析，以便在冷冻电镜图中检测到它们。这解释了它们在早期工作中明显缺席的原因。
三聚体核心 L03 位点和 A 处 Chl f 的鉴定-1B反应中心的站点代表了理解 FR-PSI 工作原理的重大进展。L03 Chl f 表示三聚体中 PSI 单体之间的激发能量共享，而 A-1BChl f 表示以 Chl f 为主要供体的光化学。如果反应中心不存在 Chl f，就无法解释 P700 减去 P700 差异光谱。以前对 FR-PSI 的光谱研究假设反应中心没有 Chl f，以及它们由此产生的激发能量转移和电荷分离的机制模型，现在应该重新评估。FR-PSI 与 Acaryochloris marina 中的 Chl d PSI 相当 [主要供体 P740 （40）]，因为它们都使用近红外光子进行含氧光合作用，因此它们突破了红色光化学能量极限。正如 PSII （4， 41） 所示，这两种不同的低能量范式已经发展出不同的策略来执行与传统 Chl a 光合作用相同的化学反应，但使用更少的能量。将两种长波长范式相互比较以及与 Chl a 光系统的比较，将促进我们对这三者机制的理解。
本文来源 [ 研究碳点生微信公众号]
推文原链接：https://mp.weixin.qq.com/s/oVQqpsj4mOGc53ts6iCQDg
福建农林大学分析测试中心
2025年10月29日
