光系统 II（PSII）是位于类囊体膜上的色素 - 蛋白复合物，执行一系列光诱导的电子传递反应，最终导致水分解为电子、质子和分子氧。通过这种方式，光能被转化为化学能，并生成分子氧；这两者对于地球上的生命生存至关重要 [1], [2], [3]。在蓝细菌中，PSII 由 20 个亚基组成，包括三个膜周边亚基和 17 个跨膜亚基，单体总分子量为 350 kDa，它在生理环境中以二聚体形式存在，总分子量约为 700 kDa [4], [5]。
PSII 反应中心叶绿素（Chls）P680 的激发启动了电荷分离和电子传递反应，电子从水传递到 QA 和 QB，这两个质体醌分子分别结合在反应中心蛋白 D2 和 D1 上。在这些醌受体中，QA 是单电子受体，而 QB 是双电子受体。在通过两个电子还原后，QB 通过从基质侧接受两个质子被还原为 QBH2，随后与类囊体膜中质体醌池中的游离醌进行交换。在 QA 和 QB 之间，有一个由碳酸氢根（BCT）和几个氨基酸残基配位的非血红素铁 [4], [5]，该碳酸氢根与几个附近的氨基酸残基和水分子形成氢键 [4], [5], [6]。这些水分子和氨基酸残基形成延伸的氢键网络，将 QB 结合位点与基质（细胞质）侧连接起来，可能用于将质子从基质侧转移到 QB 以对其进行质子化。事实上，已经提出了两条质子传递途径。一条是垂直路径，从基质表面通过几个水分子，涉及 D1-E244、D1-Y246、D2-Y244、碳酸氢根和非血红素铁的配体之一 D1-H215，到达 QB 的头基 [4], [5], [6], [7], [8]。这条路径包含许多氨基酸残基和水分子，因此可能构成 QB 质子化的主要路径。另一条路径由 D1-S264、D1-H252（暴露于基质侧表面）以及可能的一到两个水分子介导，这条路径位于 QB 头基的侧面 [4], [5], [6], [7], [8]。
D1 由 psbA 基因编码，在蓝细菌中，存在多种形式的 psbA 基因 [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。在嗜热蓝细菌Thermosynechococcus elongatus（T. elongatus）中，三个基因编码 D1 亚基：psbA1、psbA2 和 psbA3 [16]，这些基因的差异表达使生物体能够适应各种生长条件。在正常生长条件下，表达 psbA1；然而，在高光等光胁迫条件下，psbA3 取代 psbA1 [17], [18], [19]；在氩气诱导的微好氧条件下，诱导转录 psbA2 [13]。
在 D1 中 QB 结合位点周围的残基中，S264 引起了关注，因为它位于上述第二条氢键路径中，且其侧链与 QB 头基的远端氧形成氢键。已证实 S264 突变为其他残基会影响对结合 QB 位点从而阻断电子从 QA? 传递到 QB 的除草剂的抗性 [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]，这可能与涉及 S264 残基的质子传递受阻有关 [27], [28]。此外，分子动力学模拟表明，D1-S264 在 QBH2 释放过程中发生重新取向，因此参与 QBH2/QB 的交换 [29], [30]。最近，利用嗜热蓝细菌T. elongatus 构建并表征了一个 D1-S264V 突变体 [8]。研究表明，在仅含 PsbA3 的菌株中，S264V 突变体具有野生型 26% 的放氧活性，而在具有 PsbA1 背景的相同突变体中几乎没有减少，并且与 PsbA1 菌株相比，PsbA3 菌株对除草剂的敏感性也大大降低。这些效应归因于突变体中电子从 QA? 传递到 QB 效率低下，这是由于 QB 对 QA? 的氧化较慢，以及缺乏或减缓与非血红素铁还原偶联的质子摄取所致 [8]。在 77 K 记录的光减黑暗差吸光谱中，观察到 PsbA3-S264V 在 440–460 nm 区域存在差异，这被解释为反映了 QA 周围氢键网络的重排 [8]。最后，突变体中除草剂的结合亲和力可能降低了。
在此，我们利用单颗粒冷冻电子显微镜（cryo-EM）以 1.96 ? 分辨率确定了嗜热蓝细菌T. elongatus 中 PsbA3-S264V 突变体的结构，该结构显示与 PSII 的仅含 PsbA3 结构相比，涉及 S264 的氢键网络发生了改变 [31]。我们还分析了突变体的 DCMU 结合结构以及通过等温滴定量热计（ITC）测得的 DCMU 结合亲和力，结果显示突变体 PSII 的 DCMU 结合减弱。基于这些结果，我们讨论了 S264 在 QB 结合及其质子化中的作用，以及在除草剂结合中的作用。
