特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。光合作用通過以化學形式儲存太陽能來為地球上的生命提供燃料。如今的富氧大氣是由于光合作用過程中光系統II的蛋白質結合錳簇處的水分解而產生的。分子氧的形成始于一個有四個累積電子空穴的狀態，即半個世紀前假設的S4狀態，但這在很大程度上仍未表征。有鑒于此， ?柏林弗雷大學Holger Dau等人解決了光合O2形成的這一關鍵階段及其關鍵的機制作用。作者用微秒紅外光譜跟蹤了230000個暗適應光系統的激發周期。將這些結果與計算化學相結合，揭示了一個關鍵的質子空位是通過門控側鏈去質子化最初產生的。隨后，在單電子、多質子轉移事件中形成活性氧自由基。這是光合O2形成過程中最慢的一步，具有中等的能量屏障和顯著的熵減緩。將S4狀態確定為氧自由基狀態；其形成之后是快速的O–O鍵合和O2釋放。結合之前在實驗和計算研究方面的突破，展示了一幅引人注目的光合O2形成的原子圖。該研究結果為過去30億年中可能沒有變化的生物過程提供了重要見解，這將支持基于知識的人工分水系統設計。為了對PSII進行時間分辨紅外光譜，作者開發了一個FTIR步進掃描實驗，自動交換暗適應的PSII顆粒，從而將以前在單個波數下的實驗擴展到檢測完整的指紋光譜。通過10個可見光納秒激光閃光應用于暗適應的光系統，使用基于Kok標準模型的特定反卷積方法，獲得了四個半穩定反應循環中間體S1、S2、S3和S0之間每個單獨躍遷的時間相關s態差譜。為了對FTIR步進掃描實驗獲得的2D時間-波數數據陣列進行系統分析，利用了質子去除時間常數和與O2形成相關的電子轉移，時間常數可以作為時間分辨光譜數據中反應的動力學標簽。
在激光閃光后數百毫秒收集的常規穩態S態差異光譜可以反映與穩定光誘導的錳離子氧化態變化直接耦合的變化，并由配位的蛋白質側鏈感知。然后，穩態差譜對應于tO2組分的DAS（2.5ms），支持歸屬于Mn或Ca結合的羧酸鹽側鏈。然而，在其他光譜區域，觀察到了不同的行為：在tO2振幅光譜中，1700–1750?cm?1處的正峰和1565-1605cm?1處的負峰?與穩態光譜中的對應物不匹配。這些峰可能可歸屬于質子化的羧酸酯側鏈的振動和羧酸酯的去質子化側鏈。作者得出結論，羧酸鹽去質子化與質子向水性溶劑的遷移（tH+）和羧酸鹽再質子化相一致，與O2形成步驟（tO2）平行。
使用基于密度泛函理論（DFT）的最小能量路徑（MEP）研究了導致O–O鍵形成的反應路徑。O–O鍵形成的計算追蹤始于氧化還原活性酪氨酸（TyrZ），并且Mn4Ca簇仍處于S3態構象。此外，假設從S3狀態到S′3狀態的轉換已經完成（時間常數為340?μs），導致羧酸根的去質子化狀態，這是隨后通過S4狀態形成O–O鍵和釋放O2的反應的先決條件。在PSII的經典分子動力學模擬中，在幾十納秒的時間范圍內觀察到了與蛋白質動力學耦合的水分子的水位置和氫鍵鏈的明顯變化。這表明，任何依賴于水分子和氫鍵相互作用的特定位置的反應的活化能都有很強的熵貢獻。水氧化循環中半穩定中間體的晶體學分析也支持與水分子重排相關的反應步驟。MEP計算表明，Asp61羧酸根在電子轉移步驟中發生質子化，該步驟與三個質子的Grotthus型運動相耦合，金屬離子（Mn4）的非常規特征起到了中繼作用。
Greife, P., Sch?nborn, M., Capone, M. et al. The electron–proton bottleneck of photosynthetic oxygen evolution. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06008-5
