Recent advances in the structural biology of photosystem II

光系统II 结构生物学 析氧络合物 类囊体 化学 超分子化学 低温电子显微 蓝藻 蛋白质结构 辅因子 光合反应中心 电子晶体学 光合作用 AAA蛋白 结构生物信息学 生物物理学 氧化还原酶 结晶学 电子转移 电子传输链 纳米技术 光系统I 嗜热菌 叶绿体 超分子组装 生物 计算生物学 人工光合作用 结构基因组学 膜蛋白 基质(水族馆) 蛋白质动力学 膜生物学 蛋白质结构域 分子机器 设计要素和原则
作者
James W. Murray
出处
期刊:Plant Journal [Wiley]
卷期号:126 (4): e70925-e70925
标识
DOI:10.1111/tpj.70925
摘要

SUMMARY Photosystem II (PSII) is the membrane protein‐pigment complex responsible for the light‐driven oxidation of water to molecular oxygen, a reaction that enables the aerobic biosphere and powers biological carbon fixation. Over the past two decades, structural biology has transformed our understanding of PSII from low‐resolution outlines of its protein chains and cofactors to near‐atomic resolution models. Early X‐ray crystallographic structures from thermophilic cyanobacteria established the architecture of the reaction centre and the Mn 4 CaO 5 oxygen‐evolving complex (OEC), defining the protein ligands and cofactor network that support charge separation and water oxidation. The advent of high‐resolution single‐particle cryo‐EM microscopy has expanded structural coverage across taxa, assembly and repair intermediates, and PSII–antenna supercomplexes that are beyond crystallisation. CryoEM now routinely achieves sub‐2.5 Å resolution. In situ cryo‐EM tomography further bridges atomic models to the native thylakoid membrane environment, exposing the supramolecular organisation of PSII in cells. X‐ray free electron laser (XFEL) pump–probe experiments provide time‐resolved snapshots of the Kok S‐state cycle, revealing substrate water insertion, metal–oxo rearrangements and approaches O–O bond formation. Despite these advances, key challenges remain, including unambiguous assignment of manganese oxidation states, direct localisation of hydrogen atoms and complete structural characterisation of transient S‐state intermediates. Integration of structural methods with spectroscopy, computation and emerging protein design approaches promises not only deeper mechanistic insight into biological water oxidation, but also guidance for the development of robust, earth‐abundant catalysts.
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