Science：光合作用机制的新突破

　　

生物通报道：植物和紫细菌中的类胡萝卜素不仅能辅助光吸收，还能够抵御光破坏。现在，多伦多大学和格拉斯哥大学的研究人员又揭示了，植物光合作用时，类胡萝卜素将能量传递给叶绿素的具体过程，文章发表在本期Science杂志上。

光合作用是指，植物、藻类和某些细菌通过光合色素，利用光能将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。光合色素包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等。光合作用由一系列复杂的代谢反应组成，是地球生物赖以生存的基础。

胡萝卜的橙色和番茄的红色都是由类胡萝卜素赋予的。植物中的类胡萝卜素，往往伴随着负责吸收红光太阳能的叶绿素。类胡萝卜素的主要功能是在阳光最强烈时进行光防护，同时类胡萝卜素也能够辅助光吸收。

数十年前人们就曾预言，在光合作用中，应该存在一种不参与光吸收的暗态（Dark State）类胡萝卜素。而多伦多大学化学系教授Greg Scholes领导的这项研究，首次证实了这种状态的存在，并指出这种完全不参与光吸收的状态是一个重要媒介，能够将类胡萝卜素所吸收的能量有效传递给叶绿素。

“不参与光吸收的分子状态却被用于传递光能，这的确出人意料，”Scholes说。“自然界有效利用了类胡萝卜素分子的多种量子力学状态，并让它们各司其职。”

研究人员通过一种特殊技术（broadband two-dimensional electronic spectroscopy）分析了紫细菌光吸收蛋白的电子结构及电子动态，并由此解析了类胡萝卜素吸收光，并将能量传递给细菌叶绿素的具体过程。研究显示，人们所预言的暗态类胡萝卜素的确存在，而且这种状态能够介导从类胡萝卜素到细菌叶绿素的能量流。

“这种暗状态的理论自诞生以来就争议不断，而现在我们找到了确凿的证据，”Scholes说。这项研究的结果为上述理论提供了有力支持，是迄今为止最明确的证据。

“近六十年来，自然界光吸收系统的能量转移过程一直是研究的热点，不过这一过程的具体机制一直存在着争议。而我们的研究为人们展示了，光吸收和能量转移过程中的细节，”文章的共同作者，格拉斯哥大学的Richard Cogdell教授说。

“这项研究，让我们对生命的基础分子有了更深入的认识，”Scholes说。“想想看，类胡萝卜素的功能涉及了光吸收、光保护和能量传递，甚至还被一些紫细菌用来作为热量传感器。一个分子的不同量子力学状态可以执行如此之多的功能，这令人惊叹。”

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Broadband 2D Electronic Spectroscopy Reveals a Carotenoid Dark State in Purple Bacteria

Although the energy transfer processes in natural light-harvesting systems have been intensively studied for the past 60 years, certain details of the underlying mechanisms remain controversial. We performed broadband two-dimensional (2D) electronic spectroscopy measurements on light-harvesting proteins from purple bacteria and isolated carotenoids in order to characterize in more detail the excited-state manifold of carotenoids, which channel energy to bacteriochlorophyll molecules. The data revealed a well-resolved signal consistent with a previously postulated carotenoid dark state, the presence of which was confirmed by global kinetic analysis. The results point to this state’s role in mediating energy flow from carotenoid to bacteriochlorophyll.