光合作用是地球上最重要的化學反應，為生命的存在和繁衍提供物質和能量基礎。光合作用最早起源於細菌，通過基因在不同物種之間的「旅行」而逐漸出現在藻類和高等植物中。光合玫瑰菌（R. castenholzii）是一種嗜熱不產氧光合細菌，在進化中形成了一套獨特高效的光能吸收、轉化和循環電子傳遞系統。此系統沒有外周天線，捕光複合體（Light Harvesting, LH）由多個脫輔基蛋白的異二聚體（LHαβ）組成環狀，將反應中心（Reaction Center, RC）緊密包圍在中間，每個LHαβ都結合著細菌葉綠素和類胡蘿蔔素分子用於捕獲和傳遞光能。反應中心含有的特殊細菌葉綠素對接受光能，並產生電荷分離，釋放出的電子用於還原電子受體甲基萘醌（Menaquinone, MQ）為氫醌，氫醌從反應中心捕光天線複合體（RC-LH complex）離開進入細胞膜內的醌池等待被氧化。
與高等植物和藍細菌不同的是，在光合玫瑰菌的光合系統中，氫醌的氧化不是由細胞色素複合體bc1/b6f完成的，而是由一種全新的蛋白複合體ACIII （Alternative Complex III）來完成。氫醌結合到ACIII的醌結合位點，被氧化後釋放出的電子傳遞給藍銅蛋白（Auracyanin），之後藍銅蛋白在周質腔中運動，再將電子傳回給與反應中心緊密結合的細胞色素Cyt c，最終電子回到反應中心，從而完成了電子的循環傳遞（圖1）。此電子傳遞過程中形成的跨膜質子電化學梯度被用來驅動N ADP+的還原和ATP的合成，實現光能到化學能的轉換，為細菌生長提供能量。
作為細胞色素複合體bc1/b6f的功能替代物，ACIII氧化氫醌、傳遞電子和轉運質子的機制是長期以來未能獲闡明的科學問題。2020年7月29日，Science Advances雜誌在線發表了中國科學院生物物理研究所孫飛課題組與杭州師範大學徐曉玲課題組合作研究的成果 「Cryo-EM structures of the air-oxidized and dithionite-reduced photosynthetic alternative complex III from Roseiflexus castenholzii」。該項工作以光合玫瑰菌光合作用系統為研究對象，通過冷凍電鏡技術首次解析了光合作用過程中電子傳遞鏈複合體ACIII在氧化和還原兩種狀態下的精細結構，通過結構比較和分析提出了一種新的電子傳遞-質子轉運偶聯機制。
研究人員從光合玫瑰菌中提取並解析了ACIII在氧化態3.3 Å和還原態3.5 Å解析度的冷凍電鏡結構。ACIII複合體由6個亞基（ActA, ActB, ActC, ActD, ActE, ActF）組成，共包含23段跨膜螺旋。在膜周質側，ActA和Act E結合6個c型血紅素，ActB結合1個3Fe4S鐵硫簇和3個4Fe4S鐵硫簇，這些血紅素和鐵硫簇共同構成了ACIII的電子傳遞鏈（圖2）。
根據序列比對和同源結構分析，研究人員在ActC亞基中發現了一個醌結合口袋和一條質子轉運通道。通道中間的三個高度保守的胺基酸（His99，His246和Arg394）與醌結合口袋之間存在著廣泛的氫鍵相互作用，可能在偶聯氫醌氧化和質子轉運中發揮著關鍵作用。基於氧化態和還原態ACIII的密度差別，以及電子傳遞體的氧化還原電勢分析，研究人員提出了一種新的電子傳遞-質子轉運偶聯機制模型，該模型為研究其他光合作用和線粒體呼吸作用過程中的類似電子傳遞-質子轉運偶聯現象提供了新的理論借鑑和分析思路。
此項工作由孫飛課題組與杭州師範大學徐曉玲、辛越勇課題組合作完成。杭州師範大學徐曉玲教授和中科院生物物理所孫飛研究員為本文的共同通訊作者，孫飛課題組師揚博士（先在英國MRC-LMB從事博士後研究）、杭州師範大學副研究員辛越勇和碩士研究生王超為本文共同第一作者。數據收集和樣品分析等工作得到了中科院生物物理所生物成像中心、浙江大學冷凍電鏡中心等有關工作人員的大力支持和幫助。
此研究是合作團隊繼光合玫瑰菌反應中心捕光天線複合體（RC-LH）結構（Nature communications, 9 : 1568. doi: 10.1038/s41467-018-03881-x）之後取得的又一突破。在RC-LH複合體的工作中，研究人員發現了罕見的跨膜Cyt c和獨特的醌穿梭通道，擴展了光合細菌吸收、傳遞光能和醌逃逸機制的多樣性，提出了複合體內部電子傳遞的路徑，有效推進了光能轉化過程分子機理的研究。此外，徐曉玲課題組還測定了ACIII下遊電子受體Auracyanin在氧化態2.2 Å和還原態2.0 Å解析度的晶體結構，綜合催化活性、構象變化和Fourier差值分析，揭示了其傳遞電子的結構基礎和作用機制，為後續電子循環傳遞機理的研究奠定了基礎（Photosynth Res. 2020, 143(3), 301-314，doi: 10.1007/s11120-020-00709-y）。
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https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba2739