利用X射线可看到植物光合作用分子结构,为最终实现人工光合作用提供新途径

中国科技网, 2012年06月06日,作者： 常丽君

中国科技网讯 据物理学家组织网6月5日（北京时间）报道，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。”（记者 常丽君）

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如果要评选地球上最重要的化学反应，光合作用毫无疑问排在第一，它是目前已知的绝大多数生命的基础。19世纪后半期人们才发现光合作用的存在，而直到今天，科学家也没有完全把握其实质。欧洲科学家此次利用新的光学手段，窥测到转瞬即逝的化学迹象，从而将光合作用的机制还原到了分子级尺度。如此一来，人们就有望模仿自然界，造出高效率的“光合机器”。