光合作用产生的电荷背后的机制

该团队由KOBORIYasuhiro教授(神户大学分子光学科学研究中心)和博士生HASEGAWAMasashi(理学研究生院)和副教授MINOHiroyuki(名古屋大学理学研究生院)领导。

在光合作用中的水分解反应期间，植物通过将太阳能转化为化学能产生氧，提供其生存所必需的能量来源。该反应通过称为光系统II复合物的叶绿体(位于叶中)中的蛋白质复合物进行。

2015年，Kobori教授的研究小组成功地分析了紫外细菌光合反应中心光反应后直接产生的初始电荷分离的电子相互作用和三维放置，这些不会引起水分解的氧化。然而，在用于高等植物的光系统II复合物中，初始电荷分离状态的构型尚不清楚，并且如何在保持高氧化能力的同时导致有效的水分解反应是一个谜。

科学家从菠菜中提取了类囊体膜(在光合作用中发生了光反应)，添加了还原剂，并照射了样品。这使他们能够检测从初始电荷分离状态到一千万分之一秒精度的微波信号。他们开发了一种使用自旋极化成像分析微波信号的方法。有史以来第一次可以对暴露于光作为反应中间体后直接产生的电荷的配置进行3D视图分析。这是在连续摄影的情况下精确到千万分之一秒。基于这种可视化，他们还量化了电子轨道与带电荷的分子重叠时发生的电子相互作用。

通过该分析阐明的初始电荷分离结构与反应前的结构没有很大差异，但成像分析表明，作为活性中间体的颜料中发生的正电荷在叶绿素单分子中不成比例地存在。这表明电荷之间的静电相互作用导致强烈稳定。

已经揭示，负电荷的返回被抑制，因为电子轨道之间的重叠受到乙烯基末端的绝缘效应的极大限制。这意味着可以使用叶绿素(PD1)中的正电荷的高氧化能力用于随后的水的氧化分解。

基于这些发现，研究人员已经解开部分机制，有效地产生大量的化学能，而不会损失光合作用中分解水所需的氧化能力。这些发现有助于设计一种“人工光合作用系统”，通过有效地将太阳能转换成大量的电和氢来提供清洁能源。这一原则的应用有助于解决能源，环境和粮食短缺问题。

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