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XFEL显示氧气形成的最后几毫秒
发布时间：2023-05-04 17:21:53编辑：来源：
科学家们首次能够看到光系统II反应循环中的关键最后一步，在此期间形成氧气。使用使用XFEL技术进行的连续飞秒晶体学，他们设法获得了有关光系统II和Mn/Ca团簇之间相互作用的更多信息。乌普萨拉大学发表在《自然》杂志上的一项新研究已经证明了这一点。
我们呼吸的氧气是由植物、藻类和蓝藻产生的，它们利用阳光的能量来为氧气的形成提供动力。这是由光系统II酶完成的，这是一种蛋白质复合物，可在光合作用过程中将水分解成氢离子和氧气。科学家们现在已经设法看到了导致氧气释放的催化机制的最后关键步骤。
更多地了解光系统II中水分解过程的细节对生物学家，化学家和物理学家来说非常重要。对于化学家来说，了解两个水分子向氧分子的复杂转化如何通过廉价和常见的金属锰(Mn)和钙(Ca)如此有效地催化尤为重要。在实验室中产生相同的反应需要昂贵且稀有的贵金属。
因此，近几十年来，人们进行了深入研究，以获得有关科学家如何确定光系统II及其Mn/Ca团簇结构的知识。然而，已经表明，了解催化剂在催化循环中的静态结构不足以理解水分解和氧气生产的工作原理。还需要有关蛋白质环境如何促进阳光驱动从一种反应中间体到下一个反应中间体的过渡的动态信息。直到最近，才有可能使用一种称为连续飞秒晶体学的技术拍摄时间分辨快照来捕获非常短暂的状态，该技术在X射线自由电子激光器(简称XFEL)上进行。
由于在，德国和瑞典工作的科学家之间25年的合作，当前研究的作者能够使用XFEL技术首次寻找光系统II反应循环的关键最后一步，在此期间形成氧气。到目前为止，人们一直认为不可能获得这一阶段反应的细节，但该研究提供了关于蛋白质环境与Mn/Ca簇之间错综复杂的相互作用的详细新信息。我们现在可以看到氢离子如何通过结构控制的通道释放，以及催化剂如何通过Mn/Ca簇周围的水结合和氨基酸重排恢复到初始状态。
“我们的研究提供了关于水分解如何工作以及一般氧化还原酶催化的新知识。我们希望，基于我们的结果，将来有可能设计出高效的合成催化剂，用于丰富而廉价的金属的水氧化。例如，这种发展对于扩大阳光或可再生电力从水中生产氢气非常重要，“Johannes Messinger指出。
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