关于植物进行光合作用的机理研究，几百年来一直是科学研究的一个重大课题。最近，我国科学家率先独立完成了这一课题的核心问题研究，《自然》杂志以封面和评论文章的形式发表了该研究成果——

破解菠菜捕光复合物II的晶体结构

2004年3月18日，世界权威科学杂志《自然》发表了中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员主持的研究小组完成的研究论文：“菠菜主要捕光复合物（LHC-II）的晶体结构”（Crystal Structure of Spinach Major Light-harvesting Complex at 2.72 AResolution），并将菠菜主要捕光复合物-Ⅱ（LHC-Ⅱ）晶体结构图选作该期杂志的封面。迷宫一样的蛋白质三维结构图，标志着我国科学家在光合作用研究领域取得了世界级的研究成果。

3月19日，中国科学院、科技部、国家自然基金会联合举行专题新闻发布会宣布，中国科学家经过6年努力，成功测定一个重要的光合膜蛋白晶体结构——菠菜主要捕光复合物-II（LHC-Ⅱ）的晶体结构。从而率先破解了这一国际公认的、具有高度挑战性的科技前沿难题。

LHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物。这一复合物是由蛋白质分子、叶绿素分子、类胡萝卜素分子和脂类分子所组成的复杂分子体系。它们被镶嵌在生物膜中，很难分离和结晶。测定这样的膜蛋白复合体的晶体结构是国际公认的难题，也是科学界长盛不衰的研究热点。研究小组发现了这种复合物是一个具有典型正二十面体对称特征的空心球体。这种结构同时首次揭示了色素分子在复合物中的排布规律，解释了LHC-II能够高效进行光能吸收和传递的原因。同时还发现了膜蛋白结晶的一种全新方式。

光合作用研究领域的一大突破

1994年，豌豆植物主要捕光复合物-II的一个3.4埃分辨率的电子晶体学模型的发表，让生物学家看到了绿色植物这一主要太阳能收集体系的许多结构特征。从此以后，研究人员一直在急切等待一种高分辨率结构，以便将关于光合作用中所涉及的光收集和能量转移过程的知识提升到全面的原子数据水平。

在中国科学院知识创新工程、科技部“973”计划、国家自然科学基金委项目和国家“863”项目的支持下，中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员主持的研究小组选取菠菜作为研究对象，经过6年的艰苦努力，终于通过X-射线晶体学方法完成了这一重要复合物的三维结构测定，在2.73埃分辨率水平上提供了包括蛋白质分子、色素分子、脂分子在内的近30000个原子的三维坐标，首次完整地建立了复合体内能量传递的网络，并对高等植物在高光照条件下的光保护机理进行了有益的探索。

这是国际上第一个用X-射线晶体学方法解析的绿色植物捕光复合物高分辨率空间结构，推动了我国光合作用机理与膜蛋白三维结构研究进入国际领先水平。国际同行评价，“这是光合作用研究领域的一大突破，对于理解植物光合作用中所发生的捕光和能量传递过程必不可少。”

研究用的菠菜

其间，中国科学院植物研究所匡廷云院士主持的研究小组，经过多年的艰苦努力，分离、纯化了这一重要的光合膜蛋白（LHC-II），为晶体和空间结构的解析打下了物质基础，这是生物化学、结晶学及结构生物学的多学科结合所取得的重大研究成果，使我国在高等植物LHC-II三维结构测定方面领先德国和日本等发达国家，率先完成了这一具有高度挑战性的国际前沿课题。

该成果主要内容有四个方面

捕光蛋白复合物的三维结构是植物高效利用光能的结构基础。LHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物，它结合了参与植物光合作用的天线叶绿素总量的一半。这一复合物是由蛋白质分子、叶绿素分子、类胡萝卜素分子和脂类分子所组成的一个复杂分子体系，它们被镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。常文瑞研究员介绍说，由我国科学家在国内独立完成，率先测定光合膜蛋白晶体结构这一成果的主要内容包括以下四个方面：

（1）发现了膜蛋白结晶的第三种方式，膜蛋白LHC-II在晶体中先组装形成一个二十面体形状的空心球体，再以此为基本单位在晶体中周期排列。这种堆积方式完全不同于以往所报道的I型和II型的膜蛋白晶体，是迄今为止所发现的膜蛋白结晶的一种全新方式。这一发现是膜蛋白结构生物学研究领域的一个创新点。

（2）首次报道了二十面体状的膜蛋白-脂复合体的空心球体结构，由60个LHC-II单体组成一个具有典型正二十面体对称特征的空心球体，其球壳结构提供了一个包括膜蛋白，色素分子和脂分子在内的一个类似光合膜的完整结构模型。对于在分子水平上研究光合膜内蛋白，色素分子以及蛋白与脂分子之间的相互作用具有重要的学术意义。

（3）首次揭示了色素分子在复合物中的排布规律，对每一个复合物单体中的14个叶绿素分子和4个类胡萝卜素分子的具体归属进行了准确的确认，每个色素分子在三维空间的取向和位置得到了精确的测定。在此基础上发现了独特的色素排布特征，解释了LHC-II能够高效进行光能吸收和传递的原因。

（4）在0.27纳米分辨率上提供了包括蛋白质分子、色素分子、脂分子和水分子在内的近30000个独立原子的高精度三维坐标数据，这套数据目前已存入国际蛋白质数据银行（PDB）。根据这一结构数据，首次完整地建立了该复合体内的能量传递网络，提出了基于结构的光保护分子机理模型，阐述了植物在高光强条件下通过LHC-II的调节作用对多余的光能进行耗散以实现自我保护的机理。对培育高光效和强抗逆性作物具有潜在的指导意义。

值得说明的是，在现有的蛋白质数据银行（PDB）中属于膜蛋白的结构数据仅占所有存入的数据的0.6%，而在细胞中膜蛋白却占了所有蛋白总数的约30%。膜蛋白在各种各样重要生物学的基本过程中起着关键的作用，如光合作用，呼吸作用，神经信号传导，免疫反应和营养物质的吸收等。对于膜蛋白所承担的重要生物学功能的深入理解还有赖于高分辨率膜蛋白三维结构的解析。