中文摘要：

光合放氧是藻类和高等植物的光系统II利用光能将水氧化为氧气的过程，它是自然界最重要的能量转换和物质转换过程之一。本项目以嗜热藻(Synechococcus elongatus)和高等植物(菠菜)的光系统II放氧复合体为研究对象，主要利用超低温顺磁共振(EPR)等技术研究光合放氧过程中Mn簇的动态催化和次级电子给体的调控机制，包括Mn簇不同状态(S0~S4)及状态转变过程中的中间体，揭示Mn簇在水氧化过程中结构的动态特征和离子价态的变化规律及Ca、Cl辅基的作用机理；低温捕捉次级电子给体中间体(TyrZ自由基)，利用瞬态、稳态低温EPR等研究该中间体与底物水分子、Mn簇和蛋白环境的相互作用，揭示这一中间体调控反应的微观动态机理。同时，结合光系统II晶体结构数据，运用量子化学密度泛函理论方法对TyrZ的调控机理、Mn簇的催化机理进行理论研究，力图在原子水平上揭示这些过程机制动态特征。

结论摘要：

光合放氧是藻类和高等植物的光系统II特有功能。Mn簇是水氧化的催化中心，水氧化过程中涉及5种Mn簇的中间态Sn (n=0?4)。TyrZ是光系统II的次级电子给体，它负责调控原初光化学反应和水的催化氧化过程。我们利用低温电子顺磁共振技术成功探测到水氧化过程中S0?S1, S1?S2 和 S2?S3状态转变过程中TyrZ和Mn簇的中间态。结合酸碱滴定实验和理论计算，发现活性光系统II中TyrZ处于疏水的蛋白环境中，它不与底物H2O直接作用。这一结果对前人普遍认同的TyrZ通过与底物H2O直接作用而调控水氧化的观点提出了挑战。在此基础上，我们提出TyrZ调控水氧化的新模型。新模型能够合理地解释TyrZ的氧化和TyrZo的还原均受Mn簇状态的影响，质子的释放、同位素效应和最近的低温顺磁观测等一系列实验。该新模型得到我们的理论计算和化学模拟研究的支持。此外，首次观测到光系统II给体侧的电子转移受受体侧的非血红素Fe离子的氧化-还原状态的调控。这些工作和发现为今后进一步研究光系统II水氧化的功能和机理奠定了基础。