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光合(he)(he)(he)(he)作用過(guo)程中，光系統II核心復合(he)(he)(he)(he)體接受來自外圍捕(bu)光復合(he)(he)(he)(he)體II（LHCII），次要捕(bu)光復合(he)(he)(he)(he)物葉綠素結合(he)(he)(he)(he)蛋(dan)白(bai)（CP29、CP26和(he)CP24））的激發能(neng)，以(yi)誘導(dao)稱為P680的特殊葉綠素發生(sheng)電(dian)荷(he)分(fen)離，實(shi)現光能(neng)到電(dian)能(neng)的轉(zhuan)化。這一復雜的光物理(li)過(guo)程是由PSII的許多蛋(dan)白(bai)質(zhi)亞基和(he)各(ge)種(zhong)輔助(zhu)因子，包括葉綠素、類胡蘿(luo)卜(bu)素、一個(ge)(ge)Mn4CaO5簇(cu)、一個(ge)(ge)血紅素、質(zhi)體醌和(he)脂質(zhi)體共同(tong)完成的。目前比較常見的說法是PSII核心蛋(dan)白(bai)復合(he)(he)(he)(he)體發生(sheng)電(dian)荷(he)分(fen)離后會將電(dian)子傳(chuan)遞(di)給脫(tuo)鎂葉綠素（Pheo），PSII核心復合(he)(he)(he)(he)體會形成“電(dian)子陷阱”，進而PSII的另一個(ge)(ge)特征功能(neng)特性發揮作用，通過(guo)Mn4CaO5簇(cu)蛋(dan)白(bai)誘導(dao)水(shui)(shui)氧化反應從水(shui)(shui)分(fen)子中奪取電(dian)子。PSII核心復合(he)(he)(he)(he)物的電(dian)子傳(chuan)遞(di)給原初電(dian)子受體，并(bing)從原初電(dian)子供體H2O中獲(huo)取電(dian)子，實(shi)現了光合(he)(he)(he)(he)電(dian)子傳(chuan)遞(di)的起始步驟。為了更好的(de)理解電子(zi)傳遞(di)鏈的(de)起(qi)始過程(cheng)，本文將從(cong)放氧(yang)復合(he)體的(de)結構模型展開，希(xi)望能(neng)給廣大讀(du)者以(yi)新的(de)啟示。
光合(he)放氧的高(gao)等(deng)植物和藻類PSII都有放氧復合(he)體(ti)結構。1998年H. Schiller 等(deng)人(ren)用X射線吸收光譜研究了高(gao)等(deng)植(zhi)(zhi)物(wu)（菠菜）和(he)單細胞綠(lv)藻（Scenedesmus obliquus ）PS II處于(yu)暗穩定狀(zhuang)態（S1-state）結(jie)構(gou)，其(qi)中(zhong)一個發現(xian)就是綠(lv)藻和(he)高(gao)等(deng)植(zhi)(zhi)物(wu)的(de)PS II錳簇復合(he)物(wu)的(de)結(jie)構(gou)和(he)取向(xiang)高(gao)度相(xiang)似或(huo)完全(quan)相(xiang)同。
放(fang)氧復(fu)合(he)體(ti)工作(zuo)時存在中(zhong)間體(ti)最早(zao)可以追溯(su)到1955年ALLEN和(he)Franck發現在黑(hei)暗中(zhong)光(guang)合(he)機構接(jie)受單次閃光(guang)并不釋放(fang)氧氣。在之(zhi)后的1965-1969年間P.Joliot通過(guo)改進(jin)的極譜技術對這種放(fang)氧失活的現象進(jin)行(xing)了研究，認識(shi)到放(fang)氧失活現象為光(guang)化學(xue)產(chan)生(sheng)的中(zhong)間體(ti)穩定性有限。1970年，Kok,B.在(zai)前(qian)人(ren)研究的基礎上研究了分離的葉綠(lv)體在(zai)弱(ruo)光(guang)(guang)和(he)閃(shan)光(guang)(guang)下的氧(yang)氣釋放(fang)，分析光(guang)(guang)和(he)氧(yang)氣釋放(fang)，中間體及(ji)其在(zai)黑暗中衰變的關系，得出閃(shan)光(guang)(guang)總是產生與前(qian)體或氧(yang)氣相同數量(liang)的氧(yang)化當(dang)量(liang)。每個光化學中(zhong)(zhong)心在穩態光合(he)作用中(zhong)(zhong)存在的不穩定前體當量數= 1.2。四個光化學過程形成的氧化當量的協同作用基本上發生在各個反應中心，最終的O2釋放步驟是一個量子過程。數據與線性四步機制吻合，在該線性四步機制中，反應中心或相關的催化劑（S）連續累積四個電荷。S4狀態產生O2并返回到基態S0。除了S0態，第一氧化態S1在黑暗中也是穩定的，兩個較高的態S2和S3不穩定。他們還估算了一些光氧化步驟的弛豫時間。最快的反應可能是S1*-S2），半衰期時間小于等于200μs。S2狀態，可能還包括S0*狀態的處理速度會稍慢一些（≈300-400 μs）。
上世紀九十年代初(chu)的(de)諸多研究結果顯示S0-S1和S1-S2躍(yue)遷都涉(she)及錳的(de)氧化(hua)。1998年Lucia Iuzzolino用(yong)X射線吸(xi)收光譜研(yan)究光系統(tong)II膜顆(ke)粒(li)的結果也建議將水循環中的S2-S3 狀(zhuang)態變(bian)化歸因(yin)于放氧(yang)復(fu)合體的錳(meng)氧(yang)化。提(ti)出光合作用(yong)的放(fang)氧反應與PS II錳簇復合物中四核(he)錳配合物的四種不同(tong)氧化態循環有(you)關(guan)。
1999年匡廷(ting)云院士團隊根據前人的研究提出(chu)新(xin)的放氧(yang)復合體結構模型及放氧(yang)機理。兩(liang)(liang)個(ge)H2O分(fen)子(zi)在(zai)“ C”形簇的(de)(de)(de)(de)(de)(de)開口(kou)端(duan)與兩(liang)(liang)個(ge)錳離(li)(li)子(zi)（Mn1II和Mn4III）不對稱(cheng)結合，并保持相當大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)距(ju)離(li)(li)。兩(liang)(liang)個(ge)組(zu)氨(an)酸殘基通過(guo)咪唑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氮原子(zi)與處于較高氧(yang)(yang)化(hua)(hua)態的(de)(de)(de)(de)(de)(de)另外兩(liang)(liang)個(ge)錳離(li)(li)子(zi)（Mn2IV和Mn3IV）配(pei)(pei)位(wei)。作為末(mo)端(duan)配(pei)(pei)體結合到Mn4III的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Cl連接(jie)到Ca，后(hou)者(zhe)需要通過(guo)oxo橋連接(jie)羧酸配(pei)(pei)體來維持兩(liang)(liang)個(ge)Mn2O2單元的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特殊(shu)構型。放(fang)氧(yang)(yang)中心的(de)(de)(de)(de)(de)(de)整體結構是不對稱(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)放(fang)氧(yang)(yang)機(ji)理可以預測(ce)兩(liang)(liang)個(ge)H2O分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不對稱(cheng)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)，放(fang)氧(yang)(yang)中心的(de)(de)(de)(de)(de)(de)動(dong)態結構變化(hua)(hua)和間接(jie)質子(zi)傳(chuan)遞(di)。
之前(qian)的大多(duo)數研究都是在推測放氧復合體錳簇蛋白的狀態及其結構(gou)，KennethSauer等人在2005年的綜述文章系統總(zong)結了在那之前借(jie)助(zhu)X射(she)(she)(she)線(xian)吸收(shou)(shou)光譜(pu)（XAS）、X射(she)(she)(she)線(xian)發射(she)(she)(she)光譜(pu)（XS）、共(gong)振(zhen)非(fei)彈性(xing)X射(she)(she)(she)線(xian)散射(she)(she)(she)（RIXS）和擴展(zhan)X射(she)(she)(she)線(xian)吸收(shou)(shou)精細結構（EXAFS）研(yan)究的成(cheng)果，提(ti)出了較為清晰(xi)而(er)詳細的PS-II中錳簇(cu)放氧復合體及其內部各(ge)元素分布的模型。
由O原子橋接的4個Mn原子的簇內(nei)排列(lie)示意圖
由O原(yuan)子橋接的4 Mn和(he)1 Ca的簇(cu)內排列(lie)與Mn-和(he)Sr-X射線吸收(shou)精(jing)細結構二色(se)性一致
2004年(nian)3月19日，Kristina N等人在Science上發(fa)表(biao)題為Architecture of the PhotosyntheticOxygen-Evolving Center的(de)文章(zhang)。報道(dao)了(le)在3.5?分辨率下(xia)細長嗜熱(re)聚球藻的(de)PSII結(jie)構，描述PSII輔助因子(zi)結(jie)合位點，提出一個新的(de)放氧復(fu)合體(ti)（OEC）的(de)結(jie)構。Kristina N認(ren)為放氧復(fu)合體(ti)含(han)有一個類似立方烷的(de)Mn3CaO4團簇并(bing)通過mono-μ-oxo橋連到第(di)四個Mn原子(zi)。
Kristina N提出的放氧(yang)中心（OEC）模型
（A）具有側鏈(lian)配體和可能(neng)具有催化作用(yong)的重要側鏈(lian)殘基的OEC的立體圖。Mn離子，Ca2+和氧原子分別以品(pin)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記。蛋(dan)白質主鏈顯示為(wei)淺灰色；側(ce)鏈(lian)和碳原子遵循蛋白質亞基的(de)顏色（D1，黃色； CP43，綠色）。σA加權2 [Fo]-[Fc]密度顯示為輪廓(kuo)為1.5σ的淺藍色絲(si)網。1.89340?（Mn邊緣，輪廓為10σ）和2.25430?（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綠色。（B）與(yu)（A）相同(tong)，但(dan)繞y軸(zhou)逆時針(zhen)旋轉40°。（C）OEC的示意(yi)圖。 D1，D2和CP43亞基中的殘基分別(bie)以黃色，橙(cheng)色和綠色顯示。 X1，X21和X22是(shi)與Mn4（X1）和Ca2+（X21和X22）可(ke)能存在的底物水(shui)結合位(wei)置(zhi)，這是(shi)根據非蛋(dan)白質配(pei)體的位(wei)置(zhi)以及Mn和Ca2+離子的配(pei)位(wei)方式(shi)確定(ding)的。在當前分辨(bian)率下不(bu)可見但可能的水分子顯(xian)示(shi)為W。可(ke)能的氫鍵(jian)顯示為(wei)淺藍色虛線。（D）活性部位和管(guan)腔(qiang)之間的親水途徑（藍色箭頭）。殘(can)基的(de)顏色與(yu)（B）相同。
Kristina N的水氧化機理。在Kristina N之前的研究表明緊密結合的Ca2+靠近Mn離子是水氧化機理的先決條件。在S狀態循環中，只有一個Mn離子與底物水分子結合，并且在形成雙氧之前會生成高活性的親電中間體，即Mn（IV）氧基或Mn-oxo基。Pecoraro等人的觀點也支持Mn（V）參與水氧化。Kristina N的OEC結構強烈表明Mn4是這種反應性Mn離子。實際上，在Kristina N的電子密度圖中檢測到Mn4的X1位置在水氧化反應過程中可能被水分子或氧氣中間體占據。根據上述機制，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生的，其中該金屬離子還可能部分充當弱路易斯酸，并受Mn3簇和Cl-配體的輔助。在Kristina N的結構中，接近X1位點的Ca2+離子 X21或X22配體似乎是第二底物水分子的理想結合位。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定中間體。實際研究中發現，CP43 Arg357突變為絲氨酸完全抑制了氧氣的釋放并阻止了光合自養生物的生長。
在這之(zhi)前(qian)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)認(ren)為(wei)，水的(de)氧(yang)(yang)化(hua)涉及(ji)質子(zi)(zi)耦合電(dian)子(zi)(zi)轉移到TyrZ自由基(ji)，TyrZ和(he)D1 His190之(zhi)間(jian)的(de)氫(qing)鍵不僅(jin)對穩定TyrZ至關重要。而(er)且還為(wei)水氧(yang)(yang)化(hua)產生的(de)質子(zi)(zi)提供出口通(tong)道(dao)。TyrZ靠(kao)近水的(de)氧(yang)(yang)化(hua)位(wei)點，并且還可(ke)(ke)以(yi)為(wei)反應中(zhong)間(jian)體提供氫(qing)鍵。但Kristina N研(yan)(yan)究(jiu)表明(ming)質子(zi)(zi)更有(you)可(ke)(ke)能通(tong)過(guo)另一(yi)條途徑逸出。水分子(zi)(zi)和(he)一(yi)些殘基(ji)（包(bao)括Glu189）可(ke)(ke)以(yi)將(jiang)假定的(de)水氧(yang)(yang)化(hua)位(wei)點與質子(zi)(zi)通(tong)道(dao)連接，該質子(zi)(zi)通(tong)道(dao)由將(jiang)D1 Asp61（與Mn4緊密相關）連接到腔表面的(de)極性(xing)殘基(ji)形成，而(er)無需位(wei)于OEC的(de)另一(yi)側TyrZ和(he)D1 His190參與。
以上的研究讓我們對PSII放(fang)氧(yang)結構有了比較清晰的認識，但受于分辨率(lv)的限制，仍(reng)有很多(duo)細節不能確定。2011年(nian)5月5日，日本(ben)的(de)科學(xue)家Yasufumi Umena在Nature雜志(zhi)上發表題為(wei)Crystal structure of oxygen-evolving photosystemII at a resolution of 1.9 ?的(de)研究文(wen)章，以嗜熱藍藻為(wei)研究對象，將PSII放氧復合體的(de)結構解析提升到(dao)一個新的(de)高度(du)。通(tong)(tong)過對(dui)光系統II的(de)(de)(de)(de)(de)晶體(ti)(ti)結(jie)構1.9 ?分(fen)辨率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)，Yasufumi Umena找(zhao)到了(le)Mn4CaO5團簇(cu)的(de)(de)(de)(de)(de)所有金屬原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)及(ji)其所有配體(ti)(ti)。發(fa)現五個氧原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)充當了(le)連接五個金屬原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)oxo橋，并且四個水分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)與Mn4CaO5團簇(cu)鍵合。它們(men)中的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)些可(ke)以(yi)(yi)用(yong)(yong)作(zuo)形(xing)(xing)成(cheng)雙氧的(de)(de)(de)(de)(de)底物(wu)。在每個光系統II單體(ti)(ti)中識(shi)別出1300多個水分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)。其中一(yi)些形(xing)(xing)成(cheng)了(le)廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)氫(qing)鍵網絡，可(ke)以(yi)(yi)用(yong)(yong)作(zuo)質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi)，水或(huo)氧分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)通(tong)(tong)道。PSII的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)分(fen)辨率(lv)結(jie)構揭示了(le)Mn4CaO5團簇(cu)及(ji)其氧橋和(he)配體(ti)(ti)以(yi)(yi)及(ji)四個結(jie)合的(de)(de)(de)(de)(de)水分(fen)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)幾何排(pai)列。這為揭示水分(fen)解和(he)O = O鍵形(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)機理提供了(le)基(ji)礎。此(ci)外，該研究對(dui)氨基(ji)酸(suan)側(ce)鏈和(he)輔因子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)精確(que)排(pai)列的(de)(de)(de)(de)(de)確(que)定使我(wo)們(men)對(dui)PSII內發(fa)生的(de)(de)(de)(de)(de)能量遷移(yi)，電子(zi)(zi)(zi)(zi)轉移(yi)和(he)水分(fen)解反(fan)應(ying)有扎實的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構理解。
Yasufumi Umena提出的Mn4CaO5團簇結構模型
a，與Mn4CaO5團簇相關的單個原子確定。團簇結構與錳(meng)/鈣原(yuan)子(zi)5σ輪廓(kuo)的2Fo- -Fc圖（藍色）以(yi)及氧(yang)原(yuan)子(zi)/水分子(zi)7σ輪廓(kuo)的縮(suo)略圖（綠色）重疊。b，金屬原(yuan)子(zi)與氧oxo或(huo)水分子(zi)之(zhi)間的(de)距離（單位為?）。c，每對錳原子之(zhi)間的距離。d，錳和鈣原子之間的(de)距離。e，Mn4CaO5簇及(ji)其配(pei)體環境的立體圖。所示距離是兩種單體之(zhi)間的平均距離。錳，紫色；鈣，黃色；氧(yang)氣，紅色； D1，綠(lv)色(se)； CP43，粉紅色(se)。
Yasufumi Umena的(de)(de)研究結果將(jiang)放氧(yang)(yang)復合體中(zhong)(zhong)四個(ge)(ge)(ge)錳(meng)原(yuan)(yuan)子(zi)和(he)(he)(he)單個(ge)(ge)(ge)鈣原(yuan)(yuan)子(zi)的(de)(de)電(dian)子(zi)密(mi)(mi)度被確定并(bing)清(qing)晰地(di)分辨出來，鈣原(yuan)(yuan)子(zi)的(de)(de)電(dian)子(zi)密(mi)(mi)度低于錳(meng)原(yuan)(yuan)子(zi)的(de)(de)電(dian)子(zi)密(mi)(mi)度，這使(shi)我們能夠清(qing)楚地(di)識別單個(ge)(ge)(ge)原(yuan)(yuan)子(zi)。另外，發現了(le)五(wu)(wu)個(ge)(ge)(ge)氧(yang)(yang)原(yuan)(yuan)子(zi)作為oxo橋，連(lian)接(jie)了(le)縮(suo)略圖中(zhong)(zhong)的(de)(de)五(wu)(wu)個(ge)(ge)(ge)金屬(shu)原(yuan)(yuan)子(zi)。在(zai)這五(wu)(wu)種金屬(shu)和(he)(he)(he)五(wu)(wu)個(ge)(ge)(ge)氧(yang)(yang)原(yuan)(yuan)子(zi)中(zhong)(zhong)，三個(ge)(ge)(ge)錳(meng)，一個(ge)(ge)(ge)鈣和(he)(he)(he)四個(ge)(ge)(ge)氧(yang)(yang)原(yuan)(yuan)子(zi)形(xing)成了(le)類似立(li)方(fang)(fang)(fang)烷(wan)(wan)的(de)(de)結構，其中(zhong)(zhong)鈣和(he)(he)(he)錳(meng)原(yuan)(yuan)子(zi)占(zhan)(zhan)據(ju)(ju)了(le)四個(ge)(ge)(ge)角，而(er)(er)氧(yang)(yang)原(yuan)(yuan)子(zi)則占(zhan)(zhan)據(ju)(ju)了(le)另外四個(ge)(ge)(ge)角。類立(li)方(fang)(fang)(fang)烷(wan)(wan)結構中(zhong)(zhong)氧(yang)(yang)和(he)(he)(he)鈣之間(jian)的(de)(de)鍵長通常在(zai)2.4-2.5?范(fan)圍內，而(er)(er)氧(yang)(yang)氣和(he)(he)(he)錳(meng)之間(jian)的(de)(de)鍵長在(zai)1.8-2.1?范(fan)圍內。但是(shi)，在(zai)立(li)方(fang)(fang)(fang)烷(wan)(wan)一角的(de)(de)一個(ge)(ge)(ge)氧(yang)(yang)（O5）與鈣之間(jian)的(de)(de)鍵長為2.7?，而(er)(er)O5與錳(meng)之間(jian)的(de)(de)鍵長為2.4-2.6?。由(you)于鍵長的(de)(de)這些差異，Mn3CaO4類立(li)方(fang)(fang)(fang)烷(wan)(wan)不是(shi)理想的(de)(de)對稱結構。
第四錳（Mn4）位于類(lei)(lei)立(li)(li)(li)方烷結構之外，并通過O5與類(lei)(lei)立(li)(li)(li)方烷結構內的兩個(ge)錳（Mn1和Mn3）相連(lian)，通過第五氧（O4）以雙(shuang)-μ-oxo橋與Mn3連(lian)接。Mn4CaO5團簇的整體結構類(lei)(lei)似于變形的椅子(zi)，不對稱(cheng)的類(lei)(lei)立(li)(li)(li)方烷作為椅子(zi)底座，孤立(li)(li)(li)的Mn4和O4作為椅子(zi)的靠背。
Mn4CaO5團簇的(de)(de)(de)(de)最重要的(de)(de)(de)(de)結(jie)構特(te)征就是(shi)扭曲的(de)(de)(de)(de)椅子形(xing)式(shi)(shi)，這(zhe)對于闡明水分(fen)解反(fan)應的(de)(de)(de)(de)機理可能很(hen)重要。該(gai)研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)(de)很(hen)多結(jie)果顯(xian)示，大的(de)(de)(de)(de)變形(xing)主要是(shi)由(you)Mn4CaO5簇中(zhong)鈣和O5的(de)(de)(de)(de)存在(zai)引起的(de)(de)(de)(de)。O5和金屬原子之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)距(ju)離(li)明顯(xian)更長(chang)，表明相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)鍵(jian)很(hen)弱，因(yin)此(ci)O5的(de)(de)(de)(de)負電(dian)荷(he)可能比(bi)oxo橋(qiao)中(zhong)正(zheng)常氧(yang)(yang)原子的(de)(de)(de)(de)價低。這(zhe)反(fan)過來表明，O5可能以(yi)氫氧(yang)(yang)根(gen)離(li)子的(de)(de)(de)(de)形(xing)式(shi)(shi)出現在(zai)S1狀態，并可能為形(xing)成雙氧(yang)(yang)提供(gong)底物之(zhi)一(yi)。因(yin)為W2和W3都(dou)在(zai)與O5氫鍵(jian)結(jie)合距(ju)離(li)之(zhi)內(nei)，所以(yi)這(zhe)兩種水之(zhi)一(yi)可能會提供(gong)另一(yi)種底物。
由于在Kok循環(huan)中S0和S1之間的(de)躍(yue)遷(qian)最快，因此(ci)在此(ci)躍(yue)遷(qian)期間釋放(fang)的(de)質子可(ke)(ke)能(neng)會(hui)被(bei)D1-Tyr 161（又稱YZ）接(jie)受，并通過質子耦(ou)合電子轉(zhuan)移使其質子化。W3比O5更接(jie)近YZ，可(ke)(ke)能(neng)比O5更適合作為質子釋放(fang)基團(tuan)。因此(ci)，在S1狀態(tai)下，W3而不是(shi)O5，可(ke)(ke)能(neng)是(shi)氫(qing)氧離子，這表明W2和W3之間可(ke)(ke)能(neng)會(hui)形成O=O鍵(jian)。無論(lun)如(ru)何，我們(men)的(de)結果表明O=O鍵(jian)的(de)形成發生在O5，W2和W3三種(zhong)中的(de)兩個間。
YZ附近的氫鍵網絡
a，YZ附(fu)近的(de)氫鍵（D1-Tyr 161）。金屬原(yuan)子和(he)水配體之間(jian)的鍵(jian)以(yi)實線表示，氫鍵(jian)以(yi)虛線表示。距離(li)以(yi)?表示(shi)。b，從Mn4CaO5團簇通過YZ到管腔體相(xiang)的氫鍵網絡。參(can)與氫鍵網(wang)(wang)絡(luo)的水(shui)分子以橙色表示(shi)，而未參(can)與氫鍵網(wang)(wang)絡(luo)的水(shui)分子以灰色表示(shi)。左上(shang)角的綠(lv)色區域(yu)代表腔體表面。PsbV，淺黃(huang)色；其他顏(yan)色代碼(ma)與前面的相(xiang)同。OEC，放(fang)氧(yang)復(fu)合物。
兩(liang)個Cl-結合(he)位點的(de)結構
a, 兩個Cl-離子的位置。藍色網孔(kong)，在0.9?的波長下測得的輪(lun)廓為4σ的2Fo-Fc圖(tu)；橙色(se)網格(ge)，在(zai)1.75?波長下測量的輪廓為(wei)8σ的異常差分(fen)傅立葉(xie)圖。左上(shang)角的小密度來(lai)自D1-Met 328的硫原子(zi)。距(ju)離以?表示。b，從Mn4CaO5團簇通過(guo)Cl-1結合位(wei)點到腔體的(de)氫(qing)鍵(jian)網絡。 c，從Mn4CaO5團(tuan)簇(cu)通過Cl-2結合(he)位點到腔體(ti)的氫鍵網絡。顏(yan)色代碼(ma)與前面相同。
放氧復合物(wu)(wu)（OEC）是(shi)一種天然酶，可在自(zi)(zi)然條件下光合作用中催化(hua)水的氧化(hua)，產生地球上(shang)絕大(da)多數生物(wu)(wu)生存所必需的氧氣。正因如此(ci)，科研人員(yuan)對(dui)自(zi)(zi)然界這一偉大(da)反應(ying)的探索(suo)從未(wei)停(ting)止。
2015年1月，Nature雜(za)志在(zai)線發(fa)表了來自(zi)日本岡(gang)山大學（第一(yi)單位）沈(shen)建(jian)仁課題(ti)組與(yu)合作者題(ti)為(wei)“Native structure of photosystem II at1.95 ? resolution viewed by femtosecond X-ray pulses”的研(yan)究論文，該研(yan)究使用自(zi)由(you)電子激光（SACLA）技術解析了嗜熱藍藻(zao)的PSII的S1狀態的“無輻射(she)破壞(huai)”結構，其(qi)分辨率為(wei)1.95?。通過對(dui)OCE高(gao)分辨率的(de)(de)(de)(de)(de)解析，研究人(ren)員認(ren)為(wei)在(zai)S1狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)，O5是氫氧(yang)(yang)(yang)離(li)子(zi)而(er)不(bu)是氧(yang)(yang)(yang)陰離(li)子(zi)（去(qu)質子(zi)化的(de)(de)(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)）。O5的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)尋常特(te)性以(yi)及在(zai)S1狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)下是OH-離(li)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)指向表(biao)明，它在(zai)S0狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)下是水分子(zi)。從S0過渡(du)到S1時，質子(zi)從O5位置釋放，導致S1狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)OH-產生。O5為(wei)形(xing)成O = O鍵提(ti)供了底物水分子(zi)之一，這與17O電(dian)子(zi)-電(dian)子(zi)雙共振檢測NMR實驗一致。O5的(de)(de)(de)(de)(de)參(can)與，水氧(yang)(yang)(yang)化反應中(zhong)O = O鍵的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成可(ke)以(yi)在(zai)O5與附近的(de)(de)(de)(de)(de)另一個(ge)氧(yang)(yang)(yang)原子(zi)之間進(jin)行，這可(ke)能(neng)是一個(ge)新插入的(de)(de)(de)(de)(de)水分子(zi)。基于上述結果，研究人(ren)員指出行程O=O的(de)(de)(de)(de)(de)第二個(ge)氧(yang)(yang)(yang)原子(zi)可(ke)能(neng)由(you)已經(jing)存在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)末端水配體W2或W3其中(zhong)之一提(ti)供，因(yin)為(wei)兩者W2和W3在(zai)與O5氫鍵結合的(de)(de)(de)(de)(de)距離(li)之內，因(yin)此可(ke)能(neng)能(neng)夠在(zai)S態(tai)(tai)(tai)過渡(du)期間移(yi)向O5以(yi)形(xing)成O=O鍵。該成果為(wei)氧(yang)(yang)(yang)氣釋放的(de)(de)(de)(de)(de)機理提(ti)供了結構基礎，同時將為(wei)水氧(yang)(yang)(yang)化人(ren)工催化劑的(de)(de)(de)(de)(de)設計提(ti)供藍(lan)圖(tu)。
2015年沈建仁在文章中提出的可能的放氧反應機理
S1狀態的O5同時連接到Mn1D（III）和Mn4A（III）。從S1過渡到S2時，電子可能會從Mn4A中脫離，從而導致右側開放結構（“ R型”），或者從Mn1D中脫離，從而導致左側開放結構（“ L型”）。兩種結構都允許在隨后的S狀態過渡過程中插入新的水分子，為即將形成O = O鍵（由底部右側結構中的紅色鍵表示）之前的過渡狀態做準備。或者，可以通過將W2或W3移向O5來準備好形成O = O鍵的過渡狀態（由底部左側結構中的橙色箭頭指示）。灰色：錳；藍色：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機理
OEC中O = O鍵形成和質子轉移途徑的可能機制。虛線圓圈表示與O4鍵合的水（W567）H附近的水分子（W665）的位移，這導致W567接近O4。虛線箭頭表示質子轉移的可能途徑。用紅色虛線包圍的兩對氧原子代表O = O鍵形成的可能位點，而O5和O6之間的氧原子距離更短，因此代表了O = O鍵形成的實際位點。
2017年3月，Nature雜志在(zai)(zai)線(xian)發(fa)表了來自日本岡山大學(xue)（第一單位）沈建仁課題組與合(he)作者題為“Light-induced structural changes andthe site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL”的(de)(de)研(yan)究論文(wen)，該(gai)研(yan)究使用使用X射(she)線(xian)自由電子激光(guang)（XFEL）技術捕(bu)捉到了光(guang)激發(fa)和黑暗狀(zhuang)態下PSII復(fu)合(he)物的(de)(de)結構，發(fa)現了Mn4CaO5簇在(zai)(zai)水光(guang)解(jie)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)結構變化，更加(jia)細致的(de)(de)分析(xi)了放氧復(fu)合(he)體的(de)(de)結構。結果顯示(shi)(shi)，在OEC周圍(wei)的(de)(de)區域(yu)中(zhong)，距(ju)(ju)離Mn4CaO5簇3.5?的(de)(de)水分子(zi)在兩(liang)次(ci)(ci)閃光照明(ming)下(xia)從圖(tu)中(zhong)消失了(le)(le)(le)。這(zhe)縮(suo)短(duan)了(le)(le)(le)另一個水分子(zi)與氧(yang)原(yuan)子(zi)O4之間(jian)的(de)(de)距(ju)(ju)離，說明(ming)質子(zi)轉移也發(fa)生了(le)(le)(le)。重(zhong)要的(de)(de)是，兩(liang)次(ci)(ci)閃光減(jian)去(qu)暗處同構差異傅立葉圖(tu)顯示(shi)(shi)了(le)(le)(le)O5附(fu)近的(de)(de)明(ming)顯正峰，而位于Mn1和Mn4準中(zhong)心的(de)(de)是獨特的(de)(de)μ4-oxo橋(qiao)。這(zhe)表明(ming)在O5附(fu)近插入(ru)了(le)(le)(le)一個新的(de)(de)氧(yang)原(yuan)子(zi)（O6），這(zhe)兩(liang)個氧(yang)原(yuan)子(zi)之間(jian)的(de)(de)O = O距(ju)(ju)離為1.5。這(zhe)為O = O鍵的(de)(de)形成機制提供更(geng)為細致的(de)(de)解(jie)釋。從分子(zi)水平上揭示(shi)(shi)出氧(yang)氣形成的(de)(de)可能(neng)機理。
2019年10月18日(ri)，Science雜志刊(kan)登日(ri)本岡山大學沈(shen)建仁團隊最新(xin)研究(jiu)成果，在(zai)標題為An oxyl/oxo mechanism foroxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser的文(wen)章(zhang)中，研究(jiu)人員(yuan)將(jiang)SACLA X射線自由電子(zi)(zi)激光(guang)（XFEL）設備產生的量子(zi)(zi)束(shu)照射到光(guang)系統(tong)II晶體上，分析了S1，S2和S3狀態的PSII結構(gou)。在S2中(zhong)未發(fa)現水(shui)的(de)(de)(de)插入，但是在S2過(guo)(guo)渡(du)到(dao)S3時(shi)D1 Glu189的(de)(de)(de)翻轉會導致水(shui)通道(dao)的(de)(de)(de)打開(kai)，并(bing)提供了一個用于(yu)插入其他氧配體的(de)(de)(de)空間，從而導致開(kai)放的(de)(de)(de)Mn4CaO6簇與oxyl/oxo橋。PSII在不同S狀態之間的(de)(de)(de)結構變化揭(jie)示(shi)了光(guang)合水(shui)氧化過(guo)(guo)程中(zhong)底物水(shui)通道(dao)，質(zhi)子(zi)釋(shi)放和雙氧形(xing)成的(de)(de)(de)協(xie)同作用。
PSII中的供水網絡
OEC周圍有五個氫鍵(jian)結合的水網絡。所示氫鍵的上限(xian)距(ju)離(li)為(wei)3.3。 CL1和CL2代(dai)表在OEC附近發現(xian)的(de)氯離(li)子。
OEC的示意圖結構以及S1-S3狀(zhuang)態中O1和O4通(tong)道的狀(zhuang)態
可將來自(zi)O1通道(dao)的(de)水分(fen)子摻入S3中的(de)O6中，或重(zhong)新填(tian)充水分(fen)子以等待下(xia)一個(ge)催化反應。
綜上所述，光合(he)作用光系統II（PSII）放(fang)(fang)氧(yang)(yang)(yang)復合(he)體的結構解析經歷了由最初的推測有(you)中間(jian)體存在(zai)，到放(fang)(fang)氧(yang)(yang)(yang)過程放(fang)(fang)氧(yang)(yang)(yang)復合(he)物(wu)存在(zai)S0-S4五種狀態(tai)，再Mn3CaO4團簇中的原子定位，直到目前(qian)水(shui)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)位點(dian)，O=O形成(cheng)位點(dian)的確定。PSII氧(yang)(yang)(yang)化(hua)水(shui)生成(cheng)氧(yang)(yang)(yang)氣(qi)過程清晰和系統的研究為(wei)PSII供體側反應，質子產(chan)生，氧(yang)(yang)(yang)氣(qi)釋放(fang)(fang)的機理有(you)了更新的認識，為(wei)合(he)成(cheng)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)水(shui)的人工催化(hua)劑提供了扎實的理論基礎，意(yi)義深遠。
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