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[新京报]打开植物光合作用大门 叶绿素合成关键酶三维结构被解析
【发布时间:2019-10-31】【关注度:

文章来源:新京报   发布时间:2019-10-31 11:49   作者:周怀宗


    新京报讯(记者 周怀宗)10月30日,记者从中国农科院获悉,叶绿素合成关键酶的三维结构首次被解析,这一成果由中国农科院、上海交通大学、英国曼彻斯特大学的相关研究机构共同完成,并于近日发表于《自然》杂志。
    万物生长靠太阳
    在生物进化的过程中,能量及物质的合成,经过了“黑暗-光明”的转变。在生命诞生之初,大部分微生物都可以在黑暗中存活,引导它们合成物质和能量的,是一种名为DPOR(非光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶)的蛋白酶。随着生物的进化,叶绿体逐渐形成,进化出来的高等生物产生了光合作用,这是一个可以将光能转化为化学能的过程,而光合作用中重要的光激发酶LPOR(光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶)起到了光合反应途径阀门的作用,诱导物质和能量的合成。


 
LPOR在光合作用中的重要作用。受访者供图

    大约在百年前,科学家们就发现了这一物质,“它是叶绿素合成前一步反应的催化酶”,该论文的共同第一作者、中国农业科学院生物技术研究所助理研究员孙文丽告诉新京报记者,“在黑暗中,叶绿素的合成被原叶绿素酸酯所阻断,当遇到光线时,受到光的激发,原叶绿素酸酯氧化还原酶将原叶绿素酸酯转化为叶绿素酸酯,叶绿素酸酯再转化形成叶绿素,从而启动光合作用。”
    找到光合作用的开关
    然而,即便知道了基本的原理,但囿于技术原因,科学家们却一直没有能够揭开LPOR蛋白结构的神秘面纱,只是通过电脑建模来模拟它的结构及运作的过程,孙文丽说,“LPOR蛋白是光激发的,稳定性不好,想要获得其晶体并不容易。这一次我们不仅获得了LPOR酶单体晶体,同时还获得了LPOR-NADPH(光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)蛋白复合体的晶体结构,并在此基础上,通过电脑建模,构建了更加精准的LPOR-NADPH-原叶绿素酸酯三元复合物结构。”


 
LPOR-NADPH晶体结构。受访者供图

    据介绍,这一发现填补了国际上近一百年来光合作用相关领域的空白(叶绿素生物合成光驱动型酶LPOR及其辅因子NADPH复合体的三维晶体结构),揭秘了太阳提供给地球上一切生命的终极能量来源的生物学转化“阀门”的真实结构及其开关功能,具有“里程碑”式的意义。
    更精确的晶体结构能做什么
    孙文丽介绍,新的发现,可能会在多个生物学领域的研究中,起到更重要的作用。
  “简单来说,得到光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶的晶体结构,以及其相应的复合结构,为更多领域的研究,提供了更多更准确的模型。”孙文丽说。
    这一模型在光驱动型催化剂及蛋白小分子抑制剂的设计研究中都有可能用到,“当我们需要开发新的光驱动型酶,如光驱动型聚合酶时,就可能使用到这种模型”。孙文丽说。
    孙文丽介绍,“植物从发芽到幼苗,要经历一个从黄变绿的过程,这个过程,就是从光依赖型原叶绿素酸酯氧化还原酶的工作开始的,我们了解了它的结构,以及它运作的过程,就能开发出更多的、有针对性的蛋白酶,帮助农作物更好地生长”。

 

 

 

 
   
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