光合作用和诺贝尔化学奖

krisablablabla 2014-06-21

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鲁恒星（安徽省桐城市第十一中学 231490）

光合作用是绿色植物和某些微生物利用光能，将二氧化碳和水合成有机物，同时释放氧的生理过程。光合作用从三十几亿年前在地球上出现后，就成为地球上所有生命现象的基础，关系着地球上无数生命的生存、演化和繁荣。

这样一个重要的生化反应，一直以来都受到科学家高度关注。从1901年开始颁发诺贝尔奖以来，已有多位科学家因为在这一领域的杰出贡献而先后获得诺贝尔化学奖。科学家们的工作可谓是光合作用机理研究中重要的里程碑，勾画出了光合作用过程的大致轮廓。

光合作用过程大体包括：一、原初反应，即光量子经叶绿素等光合色素吸收后，传递到光合反应中心引起光化学反应，这一阶段光能转化为电能；二、同化力的形成，即光化学反应引起一系列电子传递和氢离子转移而导致了还原辅酶Ⅱ和ATP的形成，这一阶段电能转化为活跃的化学能；三、碳同化作用，即通过还原辅酶Ⅱ和ATP所推动的二氧化碳合成碳水化合物等有机物质的过程，这一阶段活跃的化学能转变为稳定的化学能。

一、关于叶绿素的研究

1、叶绿素是光合作用过程中接收光能的关键色素。德国科学家威尔泰特因(Richard Martin Willst?tter)证明叶绿素分子是一个双羧酸的酯，它有一个头和一个尾，头是由四个吡咯环组成的卟啉环，镁原子在其中心与四个氮原子配位结合；尾是叶绿醇链。他还发现一切绿色植物都含有叶绿素a和叶绿素b两种叶绿素，它们的区别仅在于吡咯环Ⅱ上是甲基或甲酰基。他的研究揭示了叶绿素的化学本质从而获得1915年诺贝尔化学奖。

2、德国科学家费歇尔(Hans Fischer)又因研究血红素和叶绿素，特别是合成血红素获1930年诺贝尔化学奖。

3、美国科学家伍德沃德(Robert Burns Woodward)则因人工合成叶绿素、类固醇等物质获1965年诺贝尔化学奖。

二、卡尔文循环

4、1945年，美国的卡尔文(Melvin Calvin)等人开始了光合作用碳同化的研究。他们以单细胞的绿藻为材料，利用放射性同位素碳来标记追踪新同化的碳，利用纸色谱技术来分离鉴定微量的中间产物，通过控制光合反应的时间和条件来确定中间产物的相互关系和产生的先后顺序。经过十多年的艰苦工作，终于阐明了光合作用中二氧化碳同化的途径，称为光合碳循环，即卡尔文循环。卡尔文因主持这项研究而在1961年获得了诺贝尔化学奖。

三、三磷酸腺苷的合成

5、在1954年，美国的阿农(Daniel Arnon)及其同事发现，叶绿体在光照下可将ADP和磷酸合成ATP，并称之为光合磷酸化。但是ATP合成究竟是怎样利用光能的？1961年英国的米切尔(Peter D. Mitchell)提出的化学渗透假说为我们揭开了这一谜团。米切尔也因该假说对生物系统中的能量转移过程的完美解释而获得1978年诺贝尔化学奖。

6、关于光合磷酸化的机理，美国的鲍易尔(Paul D. Boyer)提出了质子电化学梯度引起ATP复合酶中的亚基变构而促使三磷酸腺苷合成的假说，英国的华克(John E. Walker)用实验观察到了这样的结构，因此他们获得了1997年的诺贝尔化学奖。

四、光合反应中心立体结构的解析

德国的戴森霍尔（Johann Deisenhofer）、胡贝尔（Robert Huber）和米歇尔（Hartmut Michel）由于成功地解析了细菌光合作用反应中心的立体结构，阐明了其光合作用的进行机制，共同荣获了1988年诺贝尔化学奖。他们利用X-射线晶体分析法确定了光合成中能量转换反应的反应中心复合物的立体结构，阐明了H.M.L和细菌色素等4个蛋白质亚单元以及纳入其中的许多光合成功能的细菌。他们的工作成果不仅解释了细菌光合作用机制，而且可扩展到植物光合作用，使光合作用的研究呈现出光明的前景，为人工合成光合物质迈出了第一步。