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X射线透视光合作用 为人工合成提供新途径

导读: 近日,一个由瑞典、德国等多国人员组成的小组,利用短脉冲X射线分析看到了植物进行光合作用的分子结构,发现钙在水分解过程中极为重要,是构建人工光合系统的关键"建材"。

  近日,一个由瑞典、德国等多国人员组成的小组,利用短脉冲X射线分析看到了植物进行光合作用的分子结构,发现钙在水分解过程中极为重要,是构建人工光合系统的关键"建材"。这一方法为理解自然界植物的光合作用、光合系统结构与反应机制并最终实现人工光合作用提供了新途径。论文发表在近日出版的《美国国家科学院学报》上。

  光合作用可分两步进行:第一步为光反应,由阳光提供能量分解水分子,放出氧气,为下一步暗反应供应能量;第二步为暗反应,利用第一步的能量与CO2反应,生成各种碳水化合物。而光合作用中心的两种不同的光合蛋白复合色素体系,分别进行光合系统Ⅰ(PSⅠ)和光合系统Ⅱ(PSⅡ)两种光化学反应。其中,PSⅡ在光反应过程中激发高能电子、分解水分子、释放氧和推动电子传递,并启动第一步光反应,在该过程中地位非常重要。

  瑞典奥默大学化学系教授约翰尼斯•梅辛杰领导的团队试图以"人造树叶"项目模拟植物利用太阳能的方法,开发人工光合作用。但其必须先清楚,光合作用中哪些分子是分解水必不可少的,以及这些分子如何发挥作用。为此,团队设计了一种工具来研究植物在进行光合作用时的光合系统。

  此前研究发现,放氧复合物(Mn4O5Ca)是PSⅡ的组成部分,去除钙离子则导致无法放氧。梅辛杰团队从PSⅡ中分离出放氧复合物分子,设法去除了其中的钙离子,再用美国斯坦福大学的X射线自由电子激光设备发出的超短X射线脉冲对分子结构进行了分析,记录下原子50飞秒(1飞秒=10-15秒)的运动过程。

  "放氧复合物中5个氧原子将4个锰离子联合在一起,去除了钙离子后,这种结构没有变化,说明钙离子一定在水分解反应中起着极为重要的作用。"梅辛杰解释说,由于实验所用的X射线脉冲极短暂,所以探测时不会扰乱光合系统。"利用这一新工具,我们最终能够探求水在被分解时,氧原子怎样形成了氧络桥最后产生氧分子的。以往要从细节上研究这一阶段是不可能的。"

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