编辑推荐：
在光合作用研究中，NDH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）脱氢酶）复合物对光合循环电子流和呼吸作用意义重大。研究人员解析了菠菜 NDH–PSI–LHCI 超级复合物的冷冻电镜结构，揭示其组成、相互作用等，为理解光合作用机制提供关键依据。
光合作用，这一地球上最为神奇的生命活动之一，如同大自然的魔法，让绿色植物、藻类和蓝细菌能够利用太阳能，将二氧化碳转化为有机物质，为整个生态系统提供能量和物质基础。在光合作用的过程中，一系列复杂的分子机制在微观层面上精密地运作着。其中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）脱氢酶（NDH）复合物扮演着至关重要的角色，它参与光合循环电子流和呼吸作用，在叶绿体膜上转移电子、运输质子，对三磷酸腺苷（ATP）的产生有着重要影响 。
在开花植物中，NDH 会与光系统 I（PSI）形成超级复合物，这一超级复合物的存在增强了其在强光下的稳定性，对植物适应多变的光照环境意义非凡。然而，尽管科学家们对光合作用的研究已经取得了诸多成果，但对于 NDH–PSI–光捕获复合物 I（LHCI）超级复合物的详细结构和功能机制，仍存在许多未知之处。此前，虽然已经有研究揭示了该超级复合物的存在，但关键亚基、辅因子以及整个外周臂的详细信息在很大程度上尚未得到解析。这些未解之谜如同层层迷雾，笼罩着光合作用的微观世界，阻碍着科学家们深入理解光合作用的本质。
为了揭开这些谜团，德国马克斯?普朗克生物物理研究所（Max Planck Institute of Biophysics）的研究人员 Bianca Introini、Alexander Hahn 和 Werner Kühlbrandt 展开了深入研究。他们致力于解析菠菜中 NDH–PSI–LHCI 超级复合物的结构，期望通过这一研究，深入了解 NDH 在电子转移和质子转运中的作用机制，以及它与 PSI 的相互作用方式，进而为揭示光合作用的奥秘提供关键线索。
最终，他们的努力取得了重大成果。研究人员成功解析了菠菜 NDH–PSI–LHCI 超级复合物的冷冻电镜结构，分辨率达到 3.0 - 3.3 ?。这一成果发表在《Nature Structural & Molecular Biology》杂志上，为该领域的研究带来了新的突破。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是蛋白质纯化技术，他们从菠菜幼叶中提取类囊体膜，经过一系列复杂的处理和纯化步骤，成功获得了 NDH–PSI–LHCI - 2 超级复合物。其次是冷冻电镜技术，将纯化后的样品进行冷冻处理，然后使用冷冻电镜进行观察和数据收集。最后是图像处理和模型构建技术，利用 cryoSPARC、RELION 等软件对电镜图像进行处理和分析，并借助 AlphaFold 等工具构建原子模型。
研究结果具体如下：
- NDH–PSI–LHCI - 2 超级复合物的组成与结构：该超级复合物由一个 NDH 和一个 PSI–LHCI 单元组成，包含 41 个蛋白质亚基、154 个叶绿素和 38 个类胡萝卜素，46 种不同的脂质增强了亚基之间的相互作用 。NDH 分为五个模块，其外周臂结合了三个铁硫簇，PQ 结合在膜臂和外周臂交界处的 PQ 腔中。菠菜 PSI–LHCI - 2 与豌豆的 PSI–LHCI 复合物相似，由 12 个核心亚基和四个 LHCI 天线复合物组成 。此外，研究还发现菠菜 PSI–LHCI - 2 中的叶绿素数量比大麦的 PSI–LHCI - 2 更多。
- NDH–PSI–LHCI - 2 的相互作用：在菠菜超级复合物中，Lhca6、NdhF 和 PnsB5 对稳定 NDH 和 PSI–LHCI - 2 之间的连接起到了重要作用。它们之间存在大量的静电、极性和疏水相互作用，主要集中在基质侧。
- NdhU 亚基的发现与特征：研究人员在菠菜 NDH 的外周臂中发现了一个此前未解析的亚基 NdhU，它属于 SubE 模块。NdhU 具有灵活的 N 端环和 J 形结构域，与其他亚基存在广泛的相互作用，对复合物与铁氧还蛋白（Fd）的相互作用至关重要。
- 结合脂质的作用：研究人员在菠菜超级复合物中模拟了 46 种脂质的密度，这些脂质在 NDH 和 PSI–LHCI - 2 中均有分布。它们在稳定超级复合物、参与光合作用等方面发挥着重要作用，例如，一些脂质填充在相邻亚基之间的间隙，起到疏水粘合剂的作用；部分 PG 脂质与叶绿素紧密结合，影响叶绿素的积累。
- PQ 结合口袋与跨膜质子通路：研究发现 PQ 结合口袋由多个亚基形成，与线粒体复合物 I 的 Q 结合口袋相似，PQ 分子结合在口袋中，与周围的氨基酸残基存在相互作用。NDH 的跨膜模块包含七个亚基，形成了 E 通道和质子泵单元，研究人员还发现了多个与质子转运相关的通道和半通道，为理解质子转运机制提供了重要线索。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了菠菜 NDH–PSI–LHCI - 2 超级复合物与线粒体复合物 I 的相似性和独特特征。通过高分辨率的结构解析，研究人员能够在侧链水平上精确识别 NDH 模块，为理解电子转移和超级复合物形成机制奠定了基础。此外，研究还发现了一些叶绿体特异性亚基的潜在功能，以及不同植物中 PSI–LHCI 复合物叶绿素含量差异的原因。这些发现对于深入理解光合作用的机制具有重要意义，为优化光合作用过程，推动农业和可再生能源领域的发展提供了理论依据。同时，研究结果也为后续进一步研究光合作用的调控机制、植物对环境变化的适应策略等提供了重要的参考，有望开启光合作用研究的新篇章，为解决全球粮食和能源问题带来新的思路和方向。
