朱欽士

（美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2019年第5期第10頁(yè)）

8 葉綠素分子通過(guò)還原醌分子建立跨膜質(zhì)子梯度

葉綠素（chlorophyll）是生物利用太陽(yáng)光能量的主要分子，其結(jié)構(gòu)與血紅素非常相似（見(jiàn)圖5左上和右上），也有一個(gè)由卟啉環(huán)組成的巨大的共軛系統(tǒng)。但由于卟啉環(huán)上所連的化學(xué)基團(tuán)的差異，血紅素的中心是1 個(gè)鐵離子，而葉綠素的中心是1個(gè)鎂離子，血紅素對(duì)可見(jiàn)光的吸收主要在550～570 nm，即主要吸收綠光，呈現(xiàn)紅色；而葉綠素對(duì)可見(jiàn)光的吸收主要在600～700 nm，即主要吸收橙色光和紅色光，呈現(xiàn)綠色。

與血紅素分子最重要的區(qū)別是，葉綠素分子在可見(jiàn)光的激發(fā)下還能射出電子，且該電子還可還原醌分子，這樣就可以利用氫醌建立跨膜氫離子梯度，這就是基于葉綠素的光合作用的基本原理。由于葉綠素分子的功能與醌分子相聯(lián)系，效果好于使用視黃醛，所以成為光合作用的主要色素分子，平時(shí)說(shuō)的光合作用，也是基于葉綠素的光合作用。

電子受能量激發(fā)，脫離原子或者分子，并非葉綠素分子的專(zhuān)利，而是在非生命世界中廣泛地存在。例如金屬片在受到紫外光照射時(shí)就能射出電子；老式電視機(jī)中的陰極射線管，是用加熱燈絲的方式射出電子；光電池中的材料在受到光照時(shí)也能射出電子；但這些都與生命活動(dòng)無(wú)關(guān)。與生命活動(dòng)有關(guān)的電子射出大多是有害的，例如高能射線在生物組織中引起的電子離開(kāi)分子的情況，稱(chēng)為“電離輻射”，射出的電子常結(jié)合在各種分子上，形成有害的“游離基”（free radicals）。葉綠素分子受可見(jiàn)光激發(fā)時(shí)射出電子，則是生物發(fā)明的有益的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。

葉綠素分子還原醌分子的反應(yīng)，是在1 個(gè)蛋白復(fù)合物稱(chēng)為“光反應(yīng)中心”（photosynthetic reaction center）的結(jié)構(gòu)中完成的（圖5）。反應(yīng)中心的核心部分是一個(gè)由2 個(gè)相同或相似的蛋白組成的二聚體，每個(gè)蛋白亞基含有2 個(gè)與電子傳遞過(guò)程有關(guān)的葉綠素分子，分別靠近細(xì)胞膜的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，此外，在靠近膜內(nèi)側(cè)的地方還結(jié)合一個(gè)醌分子。在圖5中，為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，只繪制光反應(yīng)中心二聚體中的一個(gè)蛋白亞基。靠近細(xì)胞膜的外側(cè)的葉綠素分子（Chl）在光照時(shí)會(huì)射出一個(gè)電子，該電子經(jīng)過(guò)靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的葉綠素分子（在這里是去掉鎂離子的葉綠素分子，稱(chēng)為“去鎂葉綠素”pheophytin），將電子傳遞給靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的醌分子。這個(gè)醌分子是結(jié)合在光反應(yīng)中心的蛋白上的，不能解離，它再將電子傳遞給另一個(gè)亞基上位置與其對(duì)應(yīng)的醌分子。葉綠素分子發(fā)射2 次電子，使第2 個(gè)醌分子得到2 個(gè)電子，再在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)（即細(xì)胞質(zhì)中）獲取2 個(gè)氫離子，就變?yōu)闅漉?。這第2 個(gè)氫醌分子可以從光反應(yīng)中心解離進(jìn)入細(xì)胞膜，在那里被細(xì)胞色素bc1復(fù)合物所氧化，建立跨膜氫離子梯度（見(jiàn)前文及圖5右）。

葉綠素分子射出電子后，自己帶正電，必須要有電子中和此正電，恢復(fù)射電子以前的狀態(tài)，才能再次射出電子。在紫細(xì)菌（Purple bacteria，屬變形菌門(mén)Proteobacteria）中，該電子是由細(xì)胞色素c2提供的。細(xì)胞色素c2是一個(gè)小蛋白分子，只含有一個(gè)血紅素輔基。它不是膜蛋白，而是附著在細(xì)胞膜的外表面，在細(xì)胞膜上滑動(dòng)并傳遞電子。它從細(xì)胞色素bc1復(fù)合物得到電子，再將電子傳回光反應(yīng)中心，實(shí)現(xiàn)電子的環(huán)狀流動(dòng)。這個(gè)環(huán)狀電子流就可連續(xù)不斷地還原醌分子，氫醌再被細(xì)胞色素bc1復(fù)合物氧化，建立跨膜氫離子梯度。由此實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)化為生物可利用的能量的過(guò)程。

如此巧妙的結(jié)構(gòu)是怎樣出現(xiàn)的？要獲得這樣的光反應(yīng)中心，需要合成葉綠素這樣復(fù)雜的分子，還要將2 個(gè)葉綠素分子和1 個(gè)醌分子結(jié)合于蛋白上，且葉綠素分子和醌分子之間的距離和空間方位還必須恰到好處，使得葉綠素分子射出的電子能還原醌分子。這個(gè)蛋白還必須是膜蛋白，以便在細(xì)胞膜內(nèi)發(fā)揮作用，而不是更常見(jiàn)的可溶性蛋白。

原核生物“憑空”創(chuàng)造出這樣復(fù)雜的光反應(yīng)中心，似乎難度過(guò)高。但是生物在演化過(guò)程中是很少“從頭開(kāi)始”創(chuàng)造新東西的，大多是利用已有的分子和機(jī)制加以修改，讓其執(zhí)行新的功能，光反應(yīng)中心的出現(xiàn)也是如此。

9 光反應(yīng)中心的葉綠素和核心蛋白可能來(lái)自以醌為中心的電子傳遞鏈

先說(shuō)葉綠素。葉綠素分子看上去非常復(fù)雜，生物要“從頭”制造這樣一個(gè)分子似乎是非常困難的任務(wù)。但實(shí)際上，原核生物早就發(fā)展了合成葉綠素的關(guān)鍵步驟，即合成血紅素的前期步驟。葉綠素的分子結(jié)構(gòu)和血紅素非常相似，都是以卟啉環(huán)為核心的分子，只是卟啉環(huán)上所連的化學(xué)基團(tuán)不同，中心結(jié)合的金屬離子不同。它們的合成路線在前期階段也一致，都是以組成蛋白質(zhì)的氨基酸之一的谷氨酸為原料，經(jīng)過(guò)氨基酮戊二酸（aminolevulinic acid，ALA）這個(gè)中間產(chǎn)物合成“初卟啉原”（protoporphyrinogen）。初卟啉原的樣子已經(jīng)非常像血紅素和葉綠素了。如果在初卟啉原中插入鐵離子，它就會(huì)向形成血紅素的方向走，但如果在初卟啉原中插入鎂離子，它就會(huì)向合成葉綠素的方向走。這說(shuō)明葉綠素和血紅素有共同的合成途徑，只要將血紅素的合成路線在初卟啉原后做一些修改，就可以合成葉綠素。

既然所有的細(xì)胞生物都含有細(xì)胞色素作為電子傳遞蛋白，細(xì)胞色素分子中血紅素輔基出現(xiàn)的時(shí)間一定非常早。血紅素還分好幾類(lèi)，例如血紅素a、b、c、d、o型等，它們?cè)谶策h(huán)上的化學(xué)基團(tuán)也不同，這說(shuō)明生物修飾卟啉環(huán)，給它連上不同的基團(tuán)并不是一件難事。如果出現(xiàn)一些酶，將初卟啉原變成像葉綠素那樣的分子也應(yīng)該不是特別難。同樣，葉綠素分子出現(xiàn)后也分化成好幾類(lèi)，包括a、b、c1、c2、d、f等，它們?cè)谶策h(huán)上的化學(xué)基團(tuán)也彼此不同。這個(gè)事實(shí)同樣說(shuō)明生物是很有能力修改卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)的。在血紅素合成路線的基礎(chǔ)上合成葉綠素，并沒(méi)有巨大的障礙。

當(dāng)然只有葉綠素分子還不夠，還必須讓它以特殊的方式結(jié)合到蛋白質(zhì)分子上，才能使其在光照時(shí)射出的電子經(jīng)由去鎂葉綠素還原醌分子，且被還原的醌分子必須靠近細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)。這個(gè)要求看似很高，但是類(lèi)似這樣的蛋白也早就由某種氫醌氧化酶基本準(zhǔn)備好了。例如氧化氫醌的細(xì)胞色素bc1復(fù)合物中的細(xì)胞色素b，它就有2 個(gè)在結(jié)構(gòu)上與葉綠素非常相似的血紅素輔基，分別位于接近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)和外側(cè)的位置，且細(xì)胞色素b的蛋白上也有醌的結(jié)合位點(diǎn)（見(jiàn)圖5，比較光反應(yīng)中心和細(xì)胞色素b的結(jié)構(gòu)）。所以在結(jié)構(gòu)上，細(xì)胞色素b已經(jīng)類(lèi)似光反應(yīng)中心，但醌結(jié)合點(diǎn)的位置不對(duì)。在bc1復(fù)合物中，醌的反應(yīng)中心靠近細(xì)胞膜的外側(cè)，任務(wù)是氧化氫醌，這樣氫醌被氧化時(shí)釋放的氫離子才能進(jìn)入細(xì)胞膜外的溶液中。但是在光反應(yīng)中心中，醌的反應(yīng)位點(diǎn)卻靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)，目的是將醌還原為氫醌，這個(gè)問(wèn)題如何解決？

其實(shí)這個(gè)問(wèn)題早就被bc1類(lèi)型的氫醌氧化酶解決了。氫醌氧化酶是在細(xì)胞膜外側(cè)氧化氫醌的，這樣釋放的氫離子才能進(jìn)入細(xì)胞膜外的溶液中。但是這種機(jī)制還不能完全利用氫醌被氧化時(shí)釋放的能量。為了更有效地利用氫醌氧化時(shí)釋放的能量，氫醌氧化酶中的細(xì)胞色素b在靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的地方也發(fā)展出了一個(gè)醌結(jié)合點(diǎn)，讓醌分子也能從這個(gè)結(jié)合點(diǎn)與血紅素輔基反應(yīng)。但與靠近細(xì)胞膜外側(cè)的醌結(jié)合點(diǎn)是氧化氫醌的作用不同，在靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的這個(gè)醌結(jié)合點(diǎn)，醌分子不是被氧化，而是被還原（見(jiàn)圖5右）。

在這個(gè)修改過(guò)的氧化氫醌的機(jī)制中，氫醌分子還像以前一樣，在細(xì)胞膜的外側(cè)被氧化，釋放出2個(gè)電子和2 個(gè)氫離子。在釋放出的2 個(gè)電子中，一個(gè)經(jīng)由Rieske 鐵硫蛋白和細(xì)胞色素c1傳給位于膜表面的細(xì)胞色素c2，另一個(gè)電子則傳給細(xì)胞色素b亞基上的2 個(gè)血紅素輔基（在圖5中標(biāo)示為b），通過(guò)它們將電子傳給內(nèi)側(cè)結(jié)合點(diǎn)上的醌分子。2 個(gè)氫醌分子在細(xì)胞膜外側(cè)被依次氧化時(shí)，就會(huì)有2 個(gè)電子傳給位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的醌分子，再?gòu)募?xì)胞膜內(nèi)側(cè)獲得2 個(gè)氫離子，在內(nèi)側(cè)形成一個(gè)氫醌分子。這個(gè)氫醌分子又可以“游動(dòng)”到細(xì)胞膜的外側(cè)，再次被氧化，形成醌分子的循環(huán)，稱(chēng)為“醌循環(huán)”（Qcycle）。在這個(gè)循環(huán)中，2 個(gè)氫醌分子在細(xì)胞膜的外側(cè)被氧化，釋放出4 個(gè)氫離子，1 個(gè)醌分子在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)被還原為氫醌，從細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)拿走2 個(gè)氫離子，凈結(jié)果就是1 個(gè)氫醌分子的氧化會(huì)在細(xì)胞膜外釋放出4 個(gè)氫離子，在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)拿走2 個(gè)氫離子，能量轉(zhuǎn)化的效率就比原先1 個(gè)氫醌分子氧化只跨膜轉(zhuǎn)移2 個(gè)氫離子的效率提高很多。

醌循環(huán)其實(shí)是醌在膜的不同側(cè)釋放和結(jié)合氫離子，但這種機(jī)制更好地利用氫醌氧化時(shí)釋放的能量。出于這個(gè)原因，許多其他氧化氫醌的酶也采用這種機(jī)制，在它們的細(xì)胞色素b上也有2 個(gè)醌結(jié)合點(diǎn)，用醌循環(huán)機(jī)制轉(zhuǎn)化能量。在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)還原醌分子的結(jié)合點(diǎn)，也因此被這樣“創(chuàng)造”出來(lái)。

既然來(lái)自氫醌的電子經(jīng)過(guò)細(xì)胞色素b中的2個(gè)血紅素輔基又在細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)還原醌分子，如果靠近細(xì)胞膜外側(cè)的血紅素變成了葉綠素，它射出的電子就會(huì)像以前那樣通過(guò)靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的血紅素還原醌分子，只不過(guò)電子從原來(lái)的來(lái)自氫醌分子改為葉綠素分子自己射出，電子傳遞的路線和原先是一樣的。所以只要將細(xì)胞色素b中的血紅素?fù)Q成葉綠素，就可實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)的醌分子還原。

血紅素和葉綠素都是通過(guò)它們中心的金屬離子（在血紅素是鐵離子，在葉綠素是鎂離子）與蛋白質(zhì)分子上組氨酸殘基的側(cè)鏈相互作用的，所以蛋白質(zhì)分子中結(jié)合血紅素的組氨酸側(cè)鏈，也可以在同一位置結(jié)合葉綠素。再加上葉綠素和血紅素分子的形狀高度相似，原來(lái)結(jié)合血紅素的地方，不需要大的改動(dòng)就可改為結(jié)合葉綠素。

當(dāng)然這不是說(shuō)，光反應(yīng)中心的蛋白就一定來(lái)自細(xì)胞色素bc1復(fù)合物中的細(xì)胞色素b。如前所述，在各種原核生物中，都有以醌分子為核心樞紐的電子傳遞鏈，也有各種氧化氫醌的酶，這些酶中許多都含有細(xì)胞色素，且細(xì)胞色素的類(lèi)型不同，但在很多情況下，同一個(gè)蛋白亞基上都結(jié)合有2 個(gè)血紅素分子。例如大腸桿菌（Escherichia coli）的氫醌氧化酶含有細(xì)胞色素bo3（在同一蛋白亞基上含有細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素o3）、醋酸桿菌（Acetobacter aceti）的氫醌氧化酶含有細(xì)胞色素ba3（同一蛋白亞基中含有細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素a3）、嗜酸熱硫化葉菌（Sulfolobus acidocaldarius）的氫醌氧化酶含有細(xì)胞色素aa3（同一蛋白亞基上含有細(xì)胞色素a和細(xì)胞色素a3）、脫氮副球菌（Parococcus denitrificans）的氫醌氧化酶含有細(xì)胞色素bb3（同一蛋白亞基中含有細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素b3）。在許多細(xì)菌的氫醌氧化酶中，特別是在bc1類(lèi)型的氫醌氧化酶中，還有含2 個(gè)細(xì)胞色素b的蛋白亞基（即bb型），例如施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）和紫細(xì)菌（purple bacteria）。從這些例子可以看出，細(xì)菌氫醌氧化酶對(duì)細(xì)胞色素的使用是靈活多變的，但共同點(diǎn)是同一個(gè)蛋白亞基上同時(shí)含有2 個(gè)血紅素輔基，而且這樣的亞基還有2 個(gè)醌結(jié)合點(diǎn)，用醌循環(huán)的方式直接與氫醌發(fā)生反應(yīng)，即細(xì)胞色素中的一個(gè)血紅素直接從氫醌分子那里得到電子，再通過(guò)另一個(gè)血紅素還原位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的醌分子。人們現(xiàn)在看到的，已經(jīng)是光合作用出現(xiàn)幾十億年以后的氫醌氧化酶的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)無(wú)法知道光合作用出現(xiàn)之前這些氫醌氧化酶的情形，但只要有其中一種結(jié)合有2 個(gè)血紅素，且有2 個(gè)醌結(jié)合點(diǎn)的蛋白亞基能以葉綠素替換血紅素，就可轉(zhuǎn)化為原始的光反應(yīng)中心。換句話說(shuō)，光合作用的光反應(yīng)中心很可能是從原核生物的某種醌氧化酶中的細(xì)胞色素變化而來(lái)的，這些亞基本來(lái)就帶有在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)還原醌分子的反應(yīng)位點(diǎn)。

現(xiàn)在所有的光反應(yīng)中心都是二聚體，即由同樣的或是相似的2 個(gè)蛋白結(jié)合在一起。如果光反應(yīng)中心是從細(xì)胞色素bc1類(lèi)型的復(fù)合物中的細(xì)胞色素b變來(lái)的，這也很容易得到解釋?zhuān)驗(yàn)榧?xì)胞色素b所在的bc1復(fù)合物本身就是二聚體，而且是通過(guò)位于膜中的細(xì)胞色素b形成二聚體的。由此推斷，最初形成的光反應(yīng)中心很可能就是以二聚體的方式出現(xiàn)的。

不僅如此，這個(gè)射電子的過(guò)程除了可替代還原性分子還原醌分子外，本身也可建立跨膜質(zhì)子梯度，進(jìn)一步增加太陽(yáng)光能量的轉(zhuǎn)化效率。其機(jī)制還是醌分子在膜兩側(cè)的氧化還原：醌分子的還原是在細(xì)胞膜的內(nèi)側(cè)進(jìn)行的，醌分子除了要從葉綠素獲得電子，還需要從細(xì)胞質(zhì)中獲得氫離子，才能形成氫醌分子中的氫原子，所以會(huì)消耗細(xì)胞質(zhì)中的氫離子。失去電子的葉綠素分子必須從細(xì)胞膜外獲得電子，才能恢復(fù)射電子以前的狀態(tài)，可以再次射電子。這些電子可來(lái)自細(xì)胞色素c2，也可來(lái)自其他分子的氫原子。而氫原子在還原失去電子的葉綠素時(shí)，還會(huì)在細(xì)胞膜外釋放氫離子。所以光反應(yīng)中心本身的反應(yīng)就可以在細(xì)胞膜外釋放氫離子，在細(xì)胞膜內(nèi)消耗氫離子。

由于以醌為核心樞紐的電子傳遞鏈早就為光反應(yīng)中心的出現(xiàn)準(zhǔn)備了各種條件，也出于對(duì)可靠能源的需求，光合作用在地球上出現(xiàn)的時(shí)間非常早，估計(jì)在32 億年之前。由于在原核生物中，基于葉綠素的光合作用只在某些細(xì)菌中存在，在古菌中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這樣的例子，光合作用應(yīng)該出現(xiàn)在原核生物分化為細(xì)菌（bacteria）和古菌（archaea）之后的細(xì)菌中。

當(dāng)然，從細(xì)胞色素b類(lèi)型的蛋白質(zhì)變成的光反應(yīng)中心只是一個(gè)最簡(jiǎn)單的原型，現(xiàn)在人們看到的進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比這個(gè)原型復(fù)雜，含有多個(gè)蛋白亞基，效率也更高，稱(chēng)為“光系統(tǒng)”（photosystem）。光系統(tǒng)還分化成為兩大類(lèi)：一種是以醌為最終電子受體，用于形成跨膜氫離子梯度，稱(chēng)為光系統(tǒng)Ⅱ（photosystem Ⅱ，簡(jiǎn)稱(chēng)PSⅡ）；另一種是光系統(tǒng)Ⅱ的“衍生物”，以鐵氧還蛋白為最終電子受體，為細(xì)胞中的有機(jī)物合成提供氫原子，叫做光系統(tǒng)Ⅰ，簡(jiǎn)稱(chēng)PSⅠ。但不管如何變，光合作用的核心反應(yīng)仍然是葉綠素—葉綠素—醌這條電子傳遞路線，所有其他電子傳遞過(guò)程和功能都是在這個(gè)核心路線的基礎(chǔ)上發(fā)展的。

10 2 種類(lèi)型的光合反應(yīng)中心PSⅡ和PSⅠ

光系統(tǒng)Ⅱ和光系統(tǒng)Ⅰ的排號(hào)命名是根據(jù)它們被發(fā)現(xiàn)的先后順序：光系統(tǒng)Ⅰ是20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)的，而光系統(tǒng)Ⅱ是20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的，所以排在后面。但實(shí)際上，光系統(tǒng)Ⅱ應(yīng)該出現(xiàn)得更早，光系統(tǒng)Ⅰ是在光系統(tǒng)Ⅱ的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的（見(jiàn)后文）。在同時(shí)有2 個(gè)光系統(tǒng)的生物（藍(lán)細(xì)菌和植物）中，電子也是從光系統(tǒng)Ⅱ流向光系統(tǒng)Ⅰ，因而位于電子傳遞鏈的“上游”，所以光系統(tǒng)Ⅱ應(yīng)該叫光系統(tǒng)Ⅰ才對(duì)，只是這2 個(gè)名稱(chēng)叫了這么多年，幾乎在所有的有關(guān)文獻(xiàn)中都如此稱(chēng)呼，也很難再改了。

上文談及，葉綠素射出的電子以醌為最終電子受體的系統(tǒng)就是光系統(tǒng)Ⅱ。被還原的醌分子被細(xì)胞色素bc1復(fù)合物氧化，建立跨膜氫離子梯度，電子又經(jīng)過(guò)細(xì)胞色素c2回到光系統(tǒng)Ⅱ，完成電子的環(huán)狀流動(dòng)。該系統(tǒng)不消耗任何分子，只需太陽(yáng)光，即可建立跨膜氫離子梯度（圖5）。

但此系統(tǒng)也有缺點(diǎn)，只能解決生物的能量來(lái)源問(wèn)題，不能提供生物進(jìn)行有機(jī)合成時(shí)所需要的氫原子。異養(yǎng)生物自然可利用現(xiàn)成的有機(jī)物中的“零件”，例如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等合成自己的生物大分子，但如果要變?yōu)樽责B(yǎng)生物，即不依靠現(xiàn)成有機(jī)物生活的生物，就必須自身從無(wú)機(jī)物“從頭”合成有機(jī)物。由于有機(jī)物是以碳原子為骨架的，上面再連上氫等其他原子，要自身合成有機(jī)物，就必須利用含碳的無(wú)機(jī)分子，其中最容易使用的就是二氧化碳。但二氧化碳并不含有氫原子，所以氫原子必須從別的分子得到。

你也許要問(wèn)，光系統(tǒng)Ⅱ不是可以將醌還原成氫醌嗎？為什么不用氫醌上的氫原子還原二氧化碳？原因就在于氫醌的氧化還原電位太高，在0V左右，即還原性不夠強(qiáng)。細(xì)胞還原二氧化碳時(shí)使用的分子是NADPH，它在氧化狀態(tài)下的化學(xué)名稱(chēng)為“煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸”（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+），其氧化還原電位為-0.32 V 左右，不是氫醌可以還原的。

要想用葉綠素射出的電子最終能還原NADP+，就要對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ進(jìn)行“改造”，使葉綠素射出的電子有更強(qiáng)的還原能力，這就是光系統(tǒng)Ⅱ的變種，光系統(tǒng)I。在這個(gè)系統(tǒng)中，蛋白環(huán)境的調(diào)整使得射電子的葉綠素分子的氧化還原電位降低，從光系統(tǒng)Ⅱ中的+1.1 V 降低到光系統(tǒng)Ⅰ中的+0.5 V，即降低了大約0.6 V。由于起點(diǎn)的電位就比較低，被還原的醌分子的氧化還原電位也降低，從光系統(tǒng)Ⅱ的大約0V降到光系統(tǒng)Ⅰ中的大約-0.5 V，可以還原NADP+了。

光系統(tǒng)Ⅰ核心部分的結(jié)構(gòu)和光系統(tǒng)Ⅱ非常相似，仍然是二聚體，光激發(fā)后的電子傳遞路線也和光系統(tǒng)Ⅱ幾乎完全相同：靠近細(xì)胞膜表面的葉綠素分子在被光照時(shí)也射出一個(gè)電子，這個(gè)電子首先被另一個(gè)葉綠素分子接收（相當(dāng)于光系統(tǒng)Ⅱ中的去鎂葉綠素），再被傳遞到靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的一個(gè)醌分子上。不過(guò)在這里，醌分子的結(jié)構(gòu)有些不同。為了使生成的氫醌有更強(qiáng)的還原能力，光系統(tǒng)Ⅰ使用的是氧化還原電位更低的“葉綠醌”（phylloquinone）。它的“頭部”不像光系統(tǒng)Ⅱ的醌分子那樣只含有一個(gè)環(huán)（苯環(huán)）的結(jié)構(gòu)，而是含有并在一起的2 個(gè)環(huán)（萘環(huán)）。

由于葉綠醌有還原NADP+的能力，光系統(tǒng)Ⅰ的電子傳遞鏈就可以向前延伸了。葉綠醌在接收一個(gè)電子之后，立即將這個(gè)電子傳遞給一個(gè)叫做Fx 的4Fe-4S 鐵硫中心，所以葉綠醌沒(méi)有機(jī)會(huì)被完全還原成為氫醌，其作用也被“降格”為傳遞電子的中心之一。Fx 將電子傳遞到另一個(gè)蛋白亞基PsaC 上的2 個(gè)4Fe-4S 鐵硫蛋白（分別叫做FA和FB）上。由于PsaC 蛋白是一直和PsaA 和PsaB 結(jié)合在一起的，所以可以看成是光系統(tǒng)Ⅰ的一部分，鐵硫蛋白FB也可以看成是光系統(tǒng)Ⅰ的最終電子受體。

再往下，F(xiàn)B通過(guò)FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸，見(jiàn)前文）還原NADP+，生成NADPH，這樣就可利用太陽(yáng)光的能量提供有機(jī)合成所需要的氫原子了。可以看出，為了用葉綠素射出的電子還原NADP+，光系統(tǒng)Ⅰ使用了比光系統(tǒng)Ⅱ長(zhǎng)得多的電子傳遞鏈：

葉綠素-葉綠素-葉綠醌-Fx-FA-FB-FADNADP+。

而光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞鏈只到醌分子為止。

雖然光系統(tǒng)Ⅰ可利用太陽(yáng)光的能量，產(chǎn)生能最終還原NADP+的電子，但這些電子的最初來(lái)源仍然是一個(gè)問(wèn)題。葉綠素射出電子之后，必須要有電子補(bǔ)充，才能恢復(fù)射電子之前的狀態(tài)，才能再次射出電子。在紫細(xì)菌的光系統(tǒng)Ⅱ中，這些電子是從細(xì)胞色素c2獲得的。由于這是環(huán)狀電子流動(dòng)的一部分，沒(méi)有分子的輸入和輸出，所以光系統(tǒng)Ⅱ沒(méi)有電子來(lái)源的問(wèn)題。而在光系統(tǒng)Ⅰ中，電子是要通過(guò)NADPH 輸出的，也就是要不斷被消耗的。這時(shí)環(huán)狀電子流動(dòng)就不能勝任這個(gè)任務(wù)了，而是必須有持續(xù)不斷的電子供給。在綠色硫細(xì)菌中，這是通過(guò)一種細(xì)胞色素c（例如細(xì)胞色素c555）供給的，但是細(xì)胞色素c是從電子傳遞鏈得到電子的，電子傳遞鏈又從硫化氫通過(guò)硫化氫-醌氧化還原酶得到的，所以電子的最終來(lái)源仍然是外來(lái)還原性分子，光系統(tǒng)Ⅰ不過(guò)是將這些電子的還原性增強(qiáng)，使它能還原NADP+而已。

同樣，在只有光系統(tǒng)Ⅱ的細(xì)菌中，光系統(tǒng)只能解決用光能建立跨膜氫離子梯度的問(wèn)題，有機(jī)合成所需要的氫原子仍然必須來(lái)自外來(lái)分子。即無(wú)論是單獨(dú)的光系統(tǒng)Ⅱ還是單獨(dú)的光系統(tǒng)Ⅰ，都不能解決氫原子的來(lái)源問(wèn)題，而必須從外部的還原性分子得到。這個(gè)問(wèn)題由于光系統(tǒng)Ⅱ的一個(gè)重大發(fā)展而解決了，這就是利用水作為氫原子的供體。

（待續(xù)）