蓝藻光合系统I中醌结合特异性与电子传递的演化机制研究

《Journal of Bodywork and Movement Therapies》：A Variant of the MenB Strain of Synechocystis sp. PCC 6803 Disrupts a Stress Response Pathway Allowing DMPBQ to Occupy the A 1 Sites of Photosystem I

本研究针对蓝藻光合系统I（PSI）中醌结合位点的特异性问题，通过构建menB基因突变株ΔmenB(2023)，发现其因slr1737基因二次突变导致A1位点结合不可置换的DMPBQ（2,3-二甲基-5-植基-1,4-苯醌）。该研究通过紫外光谱、液相色谱-质谱联用（LC/MS）及瞬态光谱技术证实DMPBQ的电子传递动力学与PQ-9相似但结合稳定性更高，揭示了醌尾部疏水相互作用对PSI功能演化的关键意义。

　　

在光合作用的光系统I（Photosystem I，PSI）中，phylloquinone（PhQ，叶绿醌）作为关键电子载体参与能量转化过程。然而，当PhQ生物合成途径被破坏时，蓝藻会利用其他醌类分子替代PhQ，但不同醌分子的结合稳定性和电子传递效率存在显著差异。这一现象引发重要科学问题：PSI如何通过演化形成对特定醌分子的结合偏好性？这种偏好性对光合作用效率有何影响？

为解答这些问题，美国宾夕法尼亚州立大学John H. Golbeck团队对Synechocystis sp. PCC 6803蓝藻的menB基因突变株展开研究。menB基因编码的酶是PhQ生物合成途径中的关键酶，其缺失会导致PhQ无法合成。研究人员发现，一株保存多年的ΔmenB突变株（编号2023）表现出与早期ΔmenB突变株（编号2002）不同的表型：其PSI中的醌分子无法通过外源PhQ置换。通过全基因组测序，团队发现ΔmenB(2023)中还存在slr1737基因的二次突变，该基因编码tocopherol cyclase（生育酚环化酶），其失活导致代谢中间体DMPBQ（2,3-二甲基-5-植基-1,4-苯醌）积累。

研究采用紫外-可见吸收光谱、液相色谱-质谱联用（LC/MS）、瞬态吸收光谱和时间分辨电子顺磁共振（TR-EPR）等技术，系统分析不同突变株中醌分子的组成及其电子传递特性。LC/MS结果直接证实ΔmenB(2023)的PSI中存在DMPBQ，而野生型中为PhQ，ΔmenB(2002)中为plastoquinone-9（PQ-9，质体醌-9）。瞬态吸收光谱显示，DMPBQ和PQ-9在PSI中的电荷重组动力学相似（寿命约3-4毫秒），远快于PhQ的电子传递（44毫秒），这与醌分子还原电位的差异相符。EPR光谱进一步表明，DMPBQ的苯醌头基使其g因子特征与PQ-9相似，而与PhQ不同。更重要的是，外源PhQ可置换ΔmenB(2002)中的PQ-9，但无法置换ΔmenB(2023)中的DMPBQ，说明DMPBQ的植基尾部（与PhQ相同）通过疏水相互作用增强了结合稳定性。

关键实验方法

研究通过基因测序鉴定突变位点，利用紫外光谱检测全细胞醌组成，LC/MS分析PSI中提取的醌分子结构，瞬态吸收光谱测量P₇₀₀⁺还原动力学，EPR表征自由基对特性。样本为实验室培养的Synechocystis蓝藻突变株。

醌组成分析

紫外吸收光谱显示，ΔmenB(2023)缺乏PhQ特征吸收峰（383纳米），补充menadione（甲萘醌）后仍无法恢复PhQ合成。LC/MS在ΔmenB(2023)的PSI中检测到m/z 415.35的DMPBQ特征峰，而野生型中为m/z 451.35的PhQ。

电子传递动力学

瞬态吸收光谱表明，DMPBQ和PQ-9均导致P₇₀₀⁺快速重组（3-4毫秒），而PhQ的重组速度为44毫秒。EPR谱中DMPBQ的苯醌特征信号进一步证实其电子结构与PQ-9相似。

醌结合特异性机制

PhQ置换实验证明，DMPBQ因与PhQ相同的植基尾部，通过疏水作用力牢固结合于PSI的A₁位点，而PQ-9的异戊二烯尾部结合较弱易被置换。

本研究揭示PSI通过醌尾部结构实现结合特异性选择，DMPBQ的稳定性说明演化过程中植基尾部对优化电子传递效率的关键作用。该发现不仅阐明光合作用机制的适应性演化规律，还为人工光合系统的设计提供理论依据。论文发表于《Journal of Biological Chemistry》。