特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。光合作用通过以化学形式储存太阳能来为地球上的生命提供燃料。如今的富氧大气是由于光合作用过程中光系统II的蛋白质结合锰簇处的水分解而产生的。分子氧的形成始于一个有四个累积电子空穴的状态，即半个世纪前假设的S4状态，但这在很大程度上仍未表征。有鉴于此， 柏林弗雷大学Holger Dau等人解决了光合O2形成的这一关键阶段及其关键的机制作用。作者用微秒红外光谱跟踪了230000个暗适应光系统的激发周期。将这些结果与计算化学相结合，揭示了一个关键的质子空位是通过门控侧链去质子化最初产生的。随后，在单电子、多质子转移事件中形成活性氧自由基。这是光合O2形成过程中最慢的一步，具有中等的能量屏障和显著的熵减缓。将S4状态确定为氧自由基状态；其形成之后是快速的O–O键合和O2释放。结合之前在实验和计算研究方面的突破，展示了一幅引人注目的光合O2形成的原子图。该研究结果为过去30亿年中可能没有变化的生物过程提供了重要见解，这将支持基于知识的人工分水系统设计。为了对PSII进行时间分辨红外光谱，作者开发了一个FTIR步进扫描实验，自动交换暗适应的PSII颗粒，从而将以前在单个波数下的实验扩展到检测完整的指纹光谱。通过10个可见光纳秒激光闪光应用于暗适应的光系统，使用基于Kok标准模型的特定反卷积方法，获得了四个半稳定反应循环中间体S1、S2、S3和S0之间每个单独跃迁的时间相关s态差谱。为了对FTIR步进扫描实验获得的2D时间-波数数据阵列进行系统分析，利用了质子去除时间常数和与O2形成相关的电子转移，时间常数可以作为时间分辨光谱数据中反应的动力学标签。
在激光闪光后数百毫秒收集的常规稳态S态差异光谱可以反映与稳定光诱导的锰离子氧化态变化直接耦合的变化，并由配位的蛋白质侧链感知。然后，稳态差谱对应于tO2组分的DAS（2.5ms），支持归属于Mn或Ca结合的羧酸盐侧链。然而，在其他光谱区域，观察到了不同的行为：在tO2振幅光谱中，1700–1750 cm−1处的正峰和1565-1605cm−1处的负峰 与稳态光谱中的对应物不匹配。这些峰可能可归属于质子化的羧酸酯侧链的振动和羧酸酯的去质子化侧链。作者得出结论，羧酸盐去质子化与质子向水性溶剂的迁移（tH+）和羧酸盐再质子化相一致，与O2形成步骤（tO2）平行。
使用基于密度泛函理论（DFT）的最小能量路径（MEP）研究了导致O–O键形成的反应路径。O–O键形成的计算追踪始于氧化还原活性酪氨酸（TyrZ），并且Mn4Ca簇仍处于S3态构象。此外，假设从S3状态到S′3状态的转换已经完成（时间常数为340 µs），导致羧酸根的去质子化状态，这是随后通过S4状态形成O–O键和释放O2的反应的先决条件。在PSII的经典分子动力学模拟中，在几十纳秒的时间范围内观察到了与蛋白质动力学耦合的水分子的水位置和氢键链的明显变化。这表明，任何依赖于水分子和氢键相互作用的特定位置的反应的活化能都有很强的熵贡献。水氧化循环中半稳定中间体的晶体学分析也支持与水分子重排相关的反应步骤。MEP计算表明，Asp61羧酸根在电子转移步骤中发生质子化，该步骤与三个质子的Grotthus型运动相耦合，金属离子（Mn4）的非常规特征起到了中继作用。
Greife, P., Schönborn, M., Capone, M. et al. The electron–proton bottleneck of photosynthetic oxygen evolution. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06008-5
