光系统 II 是植物、藻类和蓝藻中的一种蛋白质，它利用阳光将水分解成原子成分，释放氢和氧。关于这个过程的一个长期问题是水分子如何进入光系统 II 的中心，在那里水被分解以产生我们呼吸的氧气。更好地了解这一过程可以为下一代人工光合作用系统提供信息，这些系统可以从阳光和水中产生清洁的可再生能源。

在上周发表在Nature Communications上的一篇论文中，能源部劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL)、SLAC 国家加速器实验室和其他几家机构的科学家之间的国际合作揭示了蛋白质如何吸收水以及如何去除氢释放氧分子。

在 SLAC 的直线加速器相干光源 (LCLS) X 射线激光器上，该团队用超快 X 射线脉冲照射蓝藻样品，以收集 X 射线晶体学和光谱数据，同时绘制蛋白质结构和电子在蛋白质中的流动方式. 通过这项技术，他们能够测试关于光系统 II 如何将水分解为氧气的竞争理论。在过去的几年里，该团队使用这种方法在自然界发生的温度下观察了这种水分解循环的各个步骤。

蛋白质的中心充当催化剂，它以高效的方式驱动某些化学反应发生。这项研究旨在揭示大自然如何在数百万年的进化过程中优化这种催化过程。由四个锰原子和一个钙原子组成的簇由氧原子连接，并被水和蛋白质的外层包围。在科学家研究的这一步中，水通过一条通路流入蛋白质的中心，在那里一个水分子最终在锰原子和钙原子之间形成了一座桥梁。研究人员表明，这种水分子可能提供了循环结束时产生的氧分子中的一个氧原子。

去年，研究人员发现光系统 II 将水运送到中心，就像通过一个水桶旅：水分子以许多小步骤从路径的一端移动到另一端。他们还表明，中心内的钙原子可能参与了水的穿梭。在这项最新的研究中，研究人员首次确定了这一过程展开的确切途径。

“这可能会阻止水过早地与中心相互作用，从而产生不需要的中间体，如过氧化物，这会对酶造成损害，”LBNL 的科学家兼通讯作者之一扬·克恩 (Jan Kern) 说。

研究人员还表明，还有另一种途径专门用于去除水分解反应过程中产生的氢质子。在质子通路中，他们发现了“质子门”的存在，可以阻止质子回到中心。

LBNL 的高级科学家 Junko Yano 说：“这些结果显示了水分子进入催化位点的位置和方式，以及质子释放的位置，促进了我们对两种水如何结合在一起形成我们呼吸的氧气的理解。”通讯作者。“这表明仅仅确定主要催化中心的结构是不够的，但了解整个蛋白质如何进行反应也很重要。”

除了 SLAC 和 LBNL，此次合作还包括来自瑞典乌普萨拉大学的研究人员;柏林洪堡大学;和威斯康星大学麦迪逊分校。