研究背景
在光合作用中，捕光蛋白复合物吸收太阳能，通过激发态能量转移将能量集中到光反应中心，引发特殊叶绿素对的电荷分离。这一过程最终导致电子传递链中的醌分子被还原。还原后的醌分子（氢醌）会自发地从捕光蛋白复合物脱离，穿越细胞膜到达细胞色素bc1蛋白复合物，并被重新氧化。醌分子的循环氧化还原产生了电化学势差，进而推动生物能三磷酸腺苷（ATP）的合成。在这一系列电子传递过程中，醌分子的转运方式和效率起着关键作用，它直接影响着光合作用的能量转换速率。因此，对醌分子转运机制的深入理解不仅能增进我们对自然光合作用的认识，还能为设计和优化人工光合作用系统提供宝贵的理论支持。然而，醌分子转运的精确分子机制仍是一个未解之谜。
文章概述
近期，华中农业大学的高军教授团队与英国利物浦大学的刘鲁宁教授团队通过采用自随机加速分子动力学-分子动力学（S-RaMD-MD）模拟的增强采样分子模拟技术，成功地揭示了紫色非硫光合细菌—沼泽红假单胞菌Rhodopseudomonas（Rps.）palustris的光合超分子复合物RC-LH1中醌分子的运输途径和方式。研究的主要发现包括：
1.还原后醌分子运动性的提升：研究显示，当醌分子被还原后，其运动性会显著增强。与此同时，周围蛋白质环境的构象变化进一步促进了醌分子的解离。
2.解离模式与通道选择性：醌分子倾向于以“尾部在前”的模式解离，并且这一过程表现出明显的通道选择性。
3.芳香族氨基酸的引导作用：通过π-堆积相互作用，芳香族氨基酸在引导醌分子解离过程中发挥了关键作用。
4.LH1蛋白环开放的加速效应：研究还发现，LH1蛋白环的开放状态能够加速醌分子的解离过程。
这些发现不仅深化了我们对光合作用中醌分子转运机制的理解，还为未来人工光合作用系统的设计和优化提供了坚实的理论支撑。
图文导读
图1. RC-LH1计算模型示意图。（A）和（B）为封闭RC-LH1结构模型示意图。（C）和（D）为开放RC-LH1结构模型示意图。
图2. S-RaMD-MD模拟原理示意图。蓝色椭圆区域表示施力原子群，其中心点标记为C；灰色椭圆区域代表参考位点原子群，其中心标记为R。直线箭头表示“直接”的前进运动，而曲线箭头则表示“迂回”的前进运动。绿色圆柱体代表醌分子被允许运动的范围。
图3. 醌分子还原前后的运动性差异。（A）和（B）分别代表还原前和还原后醌分子的位置变化。（C）和（D）分别为还原前和还原后醌分子头基的六碳环与非血红素铁之间的距离变化。
图4. 醌分子与蛋白质残基之间的相互作用变化。（A）和（B）分别为醌和氢醌头基与蛋白质残基之间相互作用的演变。（C）显示了醌分子与蛋白质残基之间的相互作用。（D-F）显示了氢醌与蛋白质残基之间相互作用的演变。
图5. 封闭RC-LH1中，醌分子从不同通道解离的概率示意图。（A）头部在前解离。（B）尾端在前解离。黄色箭头的粗细代表解离的概率。
图6. 醌分子解离过程中的自由能变化。（A）和（B）分别代表头部在前和尾部在前解离的示意图。随着反应坐标的变化，醌分子头基的六碳环颜色逐渐从蓝色变为红色。黄色点代表反应坐标的参考点。（C）头部在前和尾部在前解离的自由能剖面比较。
图7. 醌分子解离过程中相互作用和自由能的变化。（A）和（B）分别展示了封闭和开放RC-LH1系统中，醌分子解离的反应坐标和相互作用的演变。（C）和（D）分别表示醌分子从封闭和开放的RC-LH1系统中解离的自由能变化。
图8. 开放RC-LH1中，醌分子从不同通道解离的概率示意图。黄色箭头的粗细代表解离的概率。
总结
本研究通过综合运用经典分子动力学模拟、S-RaMD-MD模拟以及伞形采样模拟技术，对光合沼泽红假单胞菌Rps. palustris的RC-LH1复合物中醌解离的机制在原子级水平上进行了系统深入的分析。研究成果首次揭示了醌分子在还原前后运动性的显著差异，阐明了RC-LH1中醌分子的解离模式和通道选择性，以及LH1开口在加速醌分子解离过程中的重要作用。这些重要的发现不仅增进了我们对光合作用中醌分子转运机制的理解，也为设计和优化人工光合作用系统提供了重要的理论依据。
华中农业大学毛瑞超博士（已毕业）为本文第一作者，英国利物浦大学刘鲁宁教授和华中农业大学高军教授为本文共同通讯作者。本研究得到了中国国家自然科学基金（21873034和32070109）、英国生物技术与生物科学研究委员会BBSRC、英国皇家科学学会和英国Leverhulme Trust基金的支持。
论文信息：
Tunneling Mechanisms of Quinones in Photosynthetic Reaction Center–Light Harvesting 1 Supercomplexes
Ruichao Mao, Jianping Guo, Lihua Bie, Lu-Ning Liu*, Jun Gao*
Small Science
DOI: 10.1002/smsc.202400188
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