解开光合作用产生氧气的关键步骤

时间:2020-06-23 18:27 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

解开光合作用产生氧气的关键步骤

光系统II是植物、藻类和蓝藻中的一种蛋白质复合体,负责分解水和产生我们呼吸的氧气。在过去的几年里,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室、SLAC国家加速器实验室和其他几家机构的科学家们进行了一项国际合作,他们已经能够在自然界中发生的温度下观察到这个水分解循环的不同步骤。

现在,研究小组用同样的方法瞄准了关键的一步:水分子进入催化复合体,连接锰和钙原子,使水分解,产生可呼吸的氧气。他们的研究成果使他们更接近于获得这一自然过程的完整图像,这可能会为下一代的人工光合系统提供信息,这些系统可以从阳光和水中产生清洁和可再生的能源。他们的研究结果发表在今天的《美国国家科学院院刊》上。

“我们证明,在这项工作的前几次迭代中进行这些测量是可能的,但我们从来没有足够的空间分辨率或足够的时间点来真正深入到这些更精细的细节,”研究报告的合著者、SLAC杰出的科学家乌维·伯格曼(Uwe Bergmann)说。“经过多年的精心优化,我们磨练了自己的能力,能够以足够高的质量进行测量,第一次看到这些微小的变化。”

桶旅

在光合作用过程中,由四个锰原子和一个由氧原子连接起来的钙原子组成的氧进化复合体,在阳光下经过四个稳定的氧化态(即S0到S3)循环。

在棒球场上,当本垒上的球员准备击球时,S0就是比赛的开始。S1-S3将是第一,第二和第三的玩家。每一次击球手与球接触,或该复合体吸收一束阳光,场上的球员就前进一垒。当第四个球被击中时,玩家滑进本垒得分,或者在光系统II的情况下,释放可呼吸的氧气。本研究主要关注从S2到S3的过渡,这是氧分子产生前最后一个稳定的中间状态。

氧进化复合体被水和蛋白质包围。在科学家们观察的步骤中,水通过一个通道进入复合物,在那里一个水分子最终形成了锰原子和钙原子之间的桥梁。这个水分子可能提供了在循环结束时产生的氧分子中的一个氧原子。

利用SLAC的Linac相干光源(LCLS) x射线激光器,研究人员发现,水分子像水桶一样被运送到复合体中:它们从通道的一端向另一端移动了许多小步。他们还发现复合物中的钙原子参与了水的穿梭。

“它就像牛顿的摇篮,”该研究的作者之一、伯克利实验室的资深科学家Vittal Yachandra说,他已经在光系统II上工作了超过35年。“通常情况下,在液态水中,物质总是在不停地移动,但现在我们处在这样一种奇妙的情况下,锰簇周围的一些水分子改变了它们的位置,而其他的实际上总是在同一个位置。”你可以重复这个实验一万次,他们仍然会坐在同一个地方。”

解开光合作用产生氧气的关键步骤

在串联工作

在LCLS,研究小组用超快的x射线脉冲轰击蓝藻样品,以收集x射线晶体学和光谱学数据,以绘制电子在光系统II的氧进化复合体中如何流动。通过这项技术,他们能够同时绘制出它的结构图,并揭示锰簇的化学过程。

之前,研究人员使用这种技术来确保样本是完整的,重要的是,也处于正确的中间化学状态。这篇论文标志着研究人员第一次能够将这两组信息合并,从而发现结构和化学变化之间的联系。这让研究人员可以实时观察这些步骤是如何展开的,并了解有关反应的新情况。

Yachandra说:“看到光吸收引起的变化的‘因果’是令人兴奋的。”

“人们很容易忘记环境的重要性,以及它是如何促成这些非常复杂的过程的,”该研究的作者之一、伯克利实验室的资深科学家矢野纯子(Junko Yano)说。“生活不是在真空中发生的;所有的成分必须协同工作才能使反应成为可能。这些结果向我们展示了催化团簇周围的蛋白质和水分子是如何协同产生氧气的。我们的研究结果将开启一种新的思维方式,并引发新的问题。”

准备好了,,行动!

Yano说,除了光合作用,这项技术还可以应用于其他酶系统,以获得更详细的催化反应快照。

她说:“它使我们能够将系统的结构生物学和化学联系起来,从而理解和控制复杂的化学反应。”

该项目的最终目标是利用整个过程中的许多快照拼凑出一个原子电影,包括最终将两个氧原子与两个水分子结合形成氧分子的难以捉摸的瞬态。

“我们的梦想是走在整个反应周期和足够的时间点和细节,你可以看到整个过程展开,从第一个光子的光来透气的第一个分子氧出来,”合著者Jan Kern说,伯克利国家实验室的科学家。“我们一直在为这部电影搭建布景,建立我们的技术,展示什么是可能的。现在摄像机终于开始工作了,我们可以开始拍摄正片了。”

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