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一项非常有意义并值得获诺贝尔奖的研究 精选

已有 5851 次阅读 2009-4-6 16:20 |个人分类:科研|系统分类:科研笔记

    能源问题是当前社会面临的最为紧迫的问题之一,氢气则是最洁净的高效能源之一。H2可以由2个H+生成,H+又可由H2O生成。那么如何从H2O产生H+,这涉及水的裂解,也就是这个反应:2H2O——O2+4H+问题是如何促使水裂解?
    生物学研究给出的最佳答案是:光合作用。绿色植物能够进行光合作用,光合作用分两步:光反应,进行水的光解;暗反应,固定CO2生成糖等有机物这里着重考虑光反应,光照促使水在植物光系统II中发生裂解,这个反应中光系统II就相当于一种高效的催化剂,它催化的反应正是2H2O——O2+4H+。其产生的氧气释放到大气中,供各种生物呼吸;H+并没有接着被催化产生H2,而是经过另一个催化装置(ATP合酶)的作用,生成ATP,这是一种高效的自由能储备和传递物质,可供给各种需要能量的生命活动,如肌肉收缩、蛋白质合成等等。
    如果光合作用专家将植物催化水裂解的反应机理在原子水平解释清楚了,那么催化学家就可以模拟植物光系统II的催化机制,从而人工制造一种高效的催化剂,其目的是得到可用于合成H2的H+。已经有很多科学家致力于此项研究,而且也取得了一定的成果(见本人上一篇文章)。但是问题还没有得到根本性解决,而且亟待解决。
    应该注意到的是,目前生物学关于光系统II的研究已经达到很高的水平。2001年德国科学家得到了蓝藻(可近似理解为最低等的植物)光系统II在0.38nm分辨率的晶体结构,之后日本、英国科学家又分别于2003年和2004年给出蓝藻光系统II在0.37和0.35nm分辨率的晶体结构,其中So Iwata等人基于0.35nm分辨率的晶体结构,给出了光系统II催化水裂解的分子机制和结构证据。目前,德国科学家已经给出蓝藻0.29nm分辨率的晶体结构,对光系统II的整个作用机制进行了详细地探讨。但是,到目前为止,还没有高等植物(如菠菜)的光系统II晶体结构,因为膜蛋白的纯化与结晶特别是这个含有20多个亚基的超大复合物的结晶是非常困难的(说句实话,因得到第一个膜蛋白晶体——紫细菌光合反应中心晶体结构而获得诺贝尔奖的哈特姆特米歇尔教授也曾忍痛放弃植物光系统II结构的研究)。

    综上所述,模拟植物光系统II的催化机制,制造一种人工催化水裂解的催化剂,是解决能源问题的重要途径之一,而且也是非常非常有效的途径之一,因为水和光都是能够很容易地大量得到的。我以为,如果成功解决这个问题,应该有一个光合作用专家和一个催化学家共同获得诺贝尔化学奖。

附图-蓝藻光系统的晶体结构(左右对称,是同源二聚体,水裂解发生在下方突出的部位,主要由三个亚基PsbO、PsbU和PsbV组成)


附图——水裂解的两种方式


(引自 Rethinking Water Splitting. Richard Eisenberg,Science,2009)

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