老葉的植物王國

  LHCII。圖片來源： 維基百科 如果說光合作用（photosynthesis）是世界上最重要的反應，這句話一點也不過份。畢竟，所有的生物都依賴植物，而植物依賴光合作用來合成一切。 光合作用又分為光反應（light reaction）與卡爾文循環（也稱為碳反應，Calvin cycle）。光反應主要就是吸收光能並轉化為化學能（ATP，腺核苷三磷酸）與電子。 光反應中，吸收光能的成員有兩個光系統（photosystems，PS）與兩個捕光複合體（light-harvesting systems，LHC）。光系統負責捕捉光能，並啟動光反應；捕光複合體則是協助光系統捕捉光能。 而其中的LHCII是植物光合作用系統中最豐富的膜蛋白質複合體。它的主要位於葉綠體的類囊體膜中，由多種蛋白質和色素分子（如葉綠素和類胡蘿蔔素）組成，形成一個高度有序的複合體。 LHCII的主要功能是捕獲太陽光能量並將其轉換為化學能。它吸收光子並將激發能傳遞給光系統II（PSII）的反應中心，促進水分子的光解並釋放氧氣。 LHCII不僅是光能的捕獲者，還參與調節植物對光環境的適應。它在非光化學淬滅（NPQ）過程中起著重要作用，這是一種保護機制，用於在強光條件下避免對光合作用系統的損害。 LHCII的組裝和聚集狀態可以根據光照強度和其他環境因素進行動態調節。在不同的環境條件下，它會通過改變其聚集狀態來調整對光能的捕獲和利用效率。過去的研究發現，在高光照狀況下，光反應的電子傳遞鏈趨於飽和，使還原態的質體醌（PQH 2 ）累積，活化捕光複合體II激酶（LHCII protein kinase）。LHCII激酶活化後便會去磷酸化LHCII，使其離開光系統II。捕光複合體II離開光系統II後，傳遞至光反應電子傳遞鏈的電子減少，PQH 2 慢慢減少，減少到一定程度後便會活化LHCII磷酸酶（LHCII phosphatase），讓捕光複合體II回來。 LHCII也參與類囊體膜的組織結構，協助確保有效的能量轉移和光合作用的最佳化。 總而言之，LHCII是一個多功能的蛋白質複合體，對於植物的光合作用和對光環境的適應非常重要。 最近的研究報告探討了植物細胞膜中光合作用的主要捕光複合體（LHCII）的聚集現象。研究團隊通過單分子測量、LHCII蛋白質脂質體（proteoli...

捕光複合體II（LHCII）。圖片來源： 維基百科 光合作用（photosynthesis）就是植物以葉綠素（chlorophyll）將光能捕捉下來，產生能量（ATP）與電子（NADPH），用來還原二氧化碳（CO 2 ）產生醣類的過程。說來好像非常簡單，但是在日正當中時，因為無法移動的關係，植物總是會被迫吸收過多的光能。 這些光能如果不排除，就會在植物細胞內遊走，產生自由基，對植物造成傷害。要如何把這些過多的光能給發散掉呢？在教科書裡面總是提到兩個很重要的蛋白質複合體：捕光複合體I與捕光複合體II（light harvesting complex，LHC）。捕光複合體們不只有葉綠素、還有類胡蘿蔔素（carotenoids）。據信，類胡蘿蔔素會將葉綠素所吸收的過多的光能給發散掉，這樣就不會生成自由基來傷害植物了。 說是這麼說，但是誰也沒真的觀察到葉綠素直接把光能傳遞給類胡蘿蔔素過。沒看到過是因為光能傳遞的速度實在太快以及光能的波長未知。 2017年，麻省理工學院的研究團隊建立了一個新的技術，可以觀察10 -15 秒的能量傳遞，而且從紅光到藍光的範圍都可以看到。於是他們將捕光複合體II放在脂質所構成的奈米盤中進行觀察。這是第一次直接觀察到葉綠素將光能直接傳遞給類胡蘿蔔素。 雖然看到了，但究竟是什麼引發葉綠素將光能傳給類胡蘿蔔素，而不是傳遞給光系統呢？這就需要更多的研究來加深理解了。 參考文獻： Minjung Son, Alberta Pinnola, Samuel C. Gordon, Roberto Bassi, Gabriela S. Schlau-Cohen. Observation of dissipative chlorophyll-to-carotenoid energy transfer in light-harvesting complex II in membrane nanodiscs. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-15074-6