宁波光合作用与人工叶片
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(Reference: Wim Vermaas (2019) The World & I March issue, page 158-165.)
光合作用机制---光反应和暗反应
人工模拟 捕光天线
改变固碳途 径，直接生 产生物燃料
电荷分离 光伏电池
暗反应 光反应
水裂解 制氢
H2O + [光能]
O2 + 4e+4H+
如何利用太阳能?
(太阳能光伏、太阳热光能合…作) 用是利用太阳能最好的榜样
光合作用的贡献和启示
光合作用的贡献
地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨， 蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍
光合作用提供并维持大气中氧气的稳定,它的直接产品是人类和 一切生命物质赖以生存和繁衍的基础 (作为食物和用品 的蛋白质、糖类、纺织品、橡胶等)
B850 Bchla
B800 Bchla RG (carotenoid)
紫细菌的RC-LH1核心复合物4.8Å 的晶体结构
cytoplasm
菌的反应中心、捕光天线复合物的晶体结构，高等植物捕光天线、PSI的晶体结构，细 胞色素b6f的晶体结构等
光合作用的重要启示能否变成现实?
光合作用机理研究--光合作用研究领域的Nobel Prizes
• Paul D. Boyer and John E. Walker (2019, Chemistry): Elucidation of enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP).
/wiki/Solar_power#Energy_from_the_Sun
• 国际社会上提出了要用“太阳燃料”逐渐取代传统的“化石燃料”， 将太阳能转化成人类可以直接利用的清洁能源。
• 太阳能在未来能源结构中比例:
2020 1%
2050
2100
24%
64%
----JRC(欧洲联合研究中心)2019预测
• Peter Mitchell (1978, Chemistry): Oxidative and photosynthetic phosphorylation: chemi-osmotic theory
• Robert Burns Woodward (1965, Chemistry): Total synthesis of chlorophyll, vitamin B12, and other natural products
CO2 + ATP + NADPH
碳水化合物
图改自：Nield, J. (2019) Ph.D. Thesis, University of London. UK.
光合作用的启示
• 光合系统高效的捕光天线系统能以接近百分之百的效率进行能量的传 递及转换，人类是否可以模拟这种机制开发制造更加高效环保的吸收 和利用太阳能的人造系统？
etc.
随着人们对光合作用了解的越来越多,人们对 光合作用的兴趣和期望也越来越多,特别是近 年来的倍受重视的能源和环境问题,又使人们 将更多的期待投向光合作用，希望光合作用能 为人类作出更多的贡献, 这就要搞清楚光合作 用是如何工作的? 它的神密机制成为倍受关注 的研究热点。
光合作用神密机制的探索
Photosynthetic Membrane Proteins
Artist’s rendition of a leaf (bottom), thylakoids within a chloroplast (middle), and a photosystem in thylakoids (top).
东南亚地区受海平面上升影响的区域
我国东部沿海地区（红 色区域）将受影响
globalwarmingart/
中国的生存和发展需要足够的能源支撑
中，美，印三国能源消耗占全世界的比重
中国煤炭消耗趋势
引自：International energy outlook, 2019
我国人均化石能源占有量不到世界平均水平的一半，人均石油占有量不 到世界平均的10%，人均天然气占有不到世界平均水平的5%。 中国将是世界上能源需求量增长最快的国家之一，我国能源消耗量将在 10年之后超过美国。 此外，我国能源结构以煤炭为主，对于CO2的排放压力更大，因此中国对 可再生清洁能源的需求尤为迫切。
紫细菌的光合系统示意图
Core complex
(RC+LH1)
Roszak et al. (2019)McDermott et al. (2019)
4.8 Å
Papiz et al. (2019)
2.0 Å
Deisenhofer et al. (1985) Deisenhofer et al. (2019)
发展新型可再生清洁能源势在必行!
Brookhaven Science Associates U.S. Department of Energy
解决能源问题的根本出路---太阳能
在众多可再生能源中太阳能是最重要的基本能源
太阳能
核能 水能 风能 海洋能 地热能 生物能(生物质能) 氢能
什么是太阳能?
Who are the major users? Artificial nights sky brightness from the Defense Meteorological Satellite Program (The U.S. has 4.6% of the world’s
population, produces 16.8% of the world’s energy, and consumes 23.4% of the world’s energy)
2.3 Å
图引自：/Research/psu/psu_model.html
紫细菌的捕光复合物LH2的三维结构
亚基
亚基
periplasm cytoplasm
McDermott et al. (2019) Nature, 374, 517-521. Papiz et al. (2019) J. Mol. Biol., 326, 1523-1538.
IPCC警告说: 无论怎样强调昂贵的能量资源被耗尽和空气中CO2浓度灾难性升高所带来的 惨重的综合效应都不过分。
IPCC （ Intergovernmental Panel on Climate Change，气候变化的政府间协商 组）的模拟清晰的显示了问题的严重性： 模浓拟度预仍测将在持C续O2增排长放1量00减~3少00后年，，空然气后中才C会O2的稳 定下来，同时地表的空气温度将持续的缓 慢增长100年或更多。热膨胀和冰层融化将 使得海平面在未来的几个世纪中持续上涨。
L subunit M viridis RC R. sphaeroids RC 电子传递链辅因子
Deisenhofer et al. (1985) Nature, 318, 618-624. Yeates et al. (1987) P.N.A.S. USA, 84, 6438-6442.
• Melvin Calvin (1961, Chemistry): Carbon-dioxide assimilation in photosynthesis • Richard Kuhn (1938, Chemistry): carotenoids; vitamins • Paul Karrer (1937, Chemistry): Carotenoid structure; flavins; vitamin B2 • Hans Fischer (1930, Chemistry): Chlorophyll chemistry; hemin synthesis • Richard Martin Wilstatter (1915, Chemistry): Chlorophyll purification and structure, carotenoids,
• 能否利用或模拟光系统I或II产生电荷分离释放电子的机制制造生物光 伏电池来直接发电？
• 能否利用现代遗传学、分子生物学和合成生物学手段，改变原来的固 碳途径，直接生产能源产品（生物柴油、脂肪烃等）？
• 能否利用或模拟放氧复合物在常温常压下把水裂解而制氧和制氢呢？
• ……
光合作用的重要启示能否变成现实?
据IPCC估计，21世纪地球表面温度将升高
1.1 to 6.4 °C
改自Climate Change 2019：Summary for Policymakers, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
海平面上升时全球范围内受影响的区域
globalwarmingart/
光合作用可以固定空气中的CO2从而成为缓解温室效应的重要因素。
光合作用不只是传统能源(煤、石油、天然气)的源头,
也是开发新的清洁能源的重要方向 (如产生氢气和乙醇等)
•
(生物光伏(电池)发电)
• 光合作用为何能做出如此重大的贡献?
光合作用的研究历史
• 光合作用的发现以及光合作用必需的要素（光照、水、二氧化碳）－从17世纪初开始 • 光合作用最初的描述及定位: 英国化学家普利斯特利提出植物可以“净化”空气 (1771) • 叶绿素的纯化以及结构测定（1915） • 首次在教科书中使用“光合作用”一词 (1897) • 叶绿素、类胡萝卜素、叶黄素、维生素B2、B12等的性质、结构以及合成等的研究（
1930、1937、1938、1965） • Calvin循环（1961） • 化学渗透假说：氧化磷酸化和光合磷酸化（1978） • 第一个膜蛋白——光合细菌反应中心的X射线晶体结构（1988） • 电子传递理论（1992） • ATP合成的酶促机制（2019） • 20世纪末期依赖一系列光合系统中蛋白复合体的三维结构解析与功能讨论，包括光合细
非放氧光合生物
多细胞丝状绿色细菌
兰细菌
Prochlorophytes
藻类
放氧光合生物
高等植物
紫细菌的光合系统示意图
引自：Roszak,A.W. et al. (2019) Science, 302, 1969-1972.
紫细菌的光合反应中心三维结构
H subunit cytoplasm
periplasm
• Rudolph Marcus (1992, Chemistry): Electron transfer theory: included application to photosynthesis.
• Hartmut Michel; Robert Huber; and Johannes Deisenhofer (1988, Chemistry): X-ray structure of bacterial reaction center.
太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、 潮汐能等都来自太阳能。太阳能是太阳内部进行 的核聚变而产生的巨大能量。太阳内部的这种核 聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿 至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言， 太阳能可以说是取之不尽、用之不竭、清洁、廉 价的理想能源。
太阳能的能量
太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8×1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达 地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，19%被大气层吸收， 其余的到达地球表面，其功率为80万亿kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的 能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。每小时到达地球表面（包括大气，陆地 和海洋）的太阳能比人类2019年全世界全年所使用的能量还多，一天到达地表的太 阳能相当于地球上所有非再生能源（煤炭，石油，天然气，铀矿）的两倍。
光合作用的重要启示能否变成现实?
---决定了光合作用在未来能源产业中的地位
3. 光合作用 在未来能源产业中的地位
• 光合作用机理的认识：
---光合作用的结构生物学研究
结晶
结构与功能关系研究
同步辐射光源
衍
射
数
相角求解
据 收
集
模型构建 与修正
电子密度图
原核
光合生物
真核
紫色非硫细菌
紫色硫细菌 绿色非硫细菌
光合作用机制---光反应和暗反应
人工模拟 捕光天线
改变固碳途 径，直接生 产生物燃料
电荷分离 光伏电池
暗反应 光反应
水裂解 制氢
H2O + [光能]
O2 + 4e+4H+
如何利用太阳能?
(太阳能光伏、太阳热光能合…作) 用是利用太阳能最好的榜样
光合作用的贡献和启示
光合作用的贡献
地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨， 蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍
光合作用提供并维持大气中氧气的稳定,它的直接产品是人类和 一切生命物质赖以生存和繁衍的基础 (作为食物和用品 的蛋白质、糖类、纺织品、橡胶等)
B850 Bchla
B800 Bchla RG (carotenoid)
紫细菌的RC-LH1核心复合物4.8Å 的晶体结构
cytoplasm
菌的反应中心、捕光天线复合物的晶体结构，高等植物捕光天线、PSI的晶体结构，细 胞色素b6f的晶体结构等
光合作用的重要启示能否变成现实?
光合作用机理研究--光合作用研究领域的Nobel Prizes
• Paul D. Boyer and John E. Walker (2019, Chemistry): Elucidation of enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP).
/wiki/Solar_power#Energy_from_the_Sun
• 国际社会上提出了要用“太阳燃料”逐渐取代传统的“化石燃料”， 将太阳能转化成人类可以直接利用的清洁能源。
• 太阳能在未来能源结构中比例:
2020 1%
2050
2100
24%
64%
----JRC(欧洲联合研究中心)2019预测
• Peter Mitchell (1978, Chemistry): Oxidative and photosynthetic phosphorylation: chemi-osmotic theory
• Robert Burns Woodward (1965, Chemistry): Total synthesis of chlorophyll, vitamin B12, and other natural products
CO2 + ATP + NADPH
碳水化合物
图改自：Nield, J. (2019) Ph.D. Thesis, University of London. UK.
光合作用的启示
• 光合系统高效的捕光天线系统能以接近百分之百的效率进行能量的传 递及转换，人类是否可以模拟这种机制开发制造更加高效环保的吸收 和利用太阳能的人造系统？
etc.
随着人们对光合作用了解的越来越多,人们对 光合作用的兴趣和期望也越来越多,特别是近 年来的倍受重视的能源和环境问题,又使人们 将更多的期待投向光合作用，希望光合作用能 为人类作出更多的贡献, 这就要搞清楚光合作 用是如何工作的? 它的神密机制成为倍受关注 的研究热点。
光合作用神密机制的探索
Photosynthetic Membrane Proteins
Artist’s rendition of a leaf (bottom), thylakoids within a chloroplast (middle), and a photosystem in thylakoids (top).
东南亚地区受海平面上升影响的区域
我国东部沿海地区（红 色区域）将受影响
globalwarmingart/
中国的生存和发展需要足够的能源支撑
中，美，印三国能源消耗占全世界的比重
中国煤炭消耗趋势
引自：International energy outlook, 2019
我国人均化石能源占有量不到世界平均水平的一半，人均石油占有量不 到世界平均的10%，人均天然气占有不到世界平均水平的5%。 中国将是世界上能源需求量增长最快的国家之一，我国能源消耗量将在 10年之后超过美国。 此外，我国能源结构以煤炭为主，对于CO2的排放压力更大，因此中国对 可再生清洁能源的需求尤为迫切。
紫细菌的光合系统示意图
Core complex
(RC+LH1)
Roszak et al. (2019)McDermott et al. (2019)
4.8 Å
Papiz et al. (2019)
2.0 Å
Deisenhofer et al. (1985) Deisenhofer et al. (2019)
发展新型可再生清洁能源势在必行!
Brookhaven Science Associates U.S. Department of Energy
解决能源问题的根本出路---太阳能
在众多可再生能源中太阳能是最重要的基本能源
太阳能
核能 水能 风能 海洋能 地热能 生物能(生物质能) 氢能
什么是太阳能?
Who are the major users? Artificial nights sky brightness from the Defense Meteorological Satellite Program (The U.S. has 4.6% of the world’s
population, produces 16.8% of the world’s energy, and consumes 23.4% of the world’s energy)
2.3 Å
图引自：/Research/psu/psu_model.html
紫细菌的捕光复合物LH2的三维结构
亚基
亚基
periplasm cytoplasm
McDermott et al. (2019) Nature, 374, 517-521. Papiz et al. (2019) J. Mol. Biol., 326, 1523-1538.
IPCC警告说: 无论怎样强调昂贵的能量资源被耗尽和空气中CO2浓度灾难性升高所带来的 惨重的综合效应都不过分。
IPCC （ Intergovernmental Panel on Climate Change，气候变化的政府间协商 组）的模拟清晰的显示了问题的严重性： 模浓拟度预仍测将在持C续O2增排长放1量00减~3少00后年，，空然气后中才C会O2的稳 定下来，同时地表的空气温度将持续的缓 慢增长100年或更多。热膨胀和冰层融化将 使得海平面在未来的几个世纪中持续上涨。
L subunit M viridis RC R. sphaeroids RC 电子传递链辅因子
Deisenhofer et al. (1985) Nature, 318, 618-624. Yeates et al. (1987) P.N.A.S. USA, 84, 6438-6442.
• Melvin Calvin (1961, Chemistry): Carbon-dioxide assimilation in photosynthesis • Richard Kuhn (1938, Chemistry): carotenoids; vitamins • Paul Karrer (1937, Chemistry): Carotenoid structure; flavins; vitamin B2 • Hans Fischer (1930, Chemistry): Chlorophyll chemistry; hemin synthesis • Richard Martin Wilstatter (1915, Chemistry): Chlorophyll purification and structure, carotenoids,
• 能否利用或模拟光系统I或II产生电荷分离释放电子的机制制造生物光 伏电池来直接发电？
• 能否利用现代遗传学、分子生物学和合成生物学手段，改变原来的固 碳途径，直接生产能源产品（生物柴油、脂肪烃等）？
• 能否利用或模拟放氧复合物在常温常压下把水裂解而制氧和制氢呢？
• ……
光合作用的重要启示能否变成现实?
据IPCC估计，21世纪地球表面温度将升高
1.1 to 6.4 °C
改自Climate Change 2019：Summary for Policymakers, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
海平面上升时全球范围内受影响的区域
globalwarmingart/
光合作用可以固定空气中的CO2从而成为缓解温室效应的重要因素。
光合作用不只是传统能源(煤、石油、天然气)的源头,
也是开发新的清洁能源的重要方向 (如产生氢气和乙醇等)
•
(生物光伏(电池)发电)
• 光合作用为何能做出如此重大的贡献?
光合作用的研究历史
• 光合作用的发现以及光合作用必需的要素（光照、水、二氧化碳）－从17世纪初开始 • 光合作用最初的描述及定位: 英国化学家普利斯特利提出植物可以“净化”空气 (1771) • 叶绿素的纯化以及结构测定（1915） • 首次在教科书中使用“光合作用”一词 (1897) • 叶绿素、类胡萝卜素、叶黄素、维生素B2、B12等的性质、结构以及合成等的研究（
1930、1937、1938、1965） • Calvin循环（1961） • 化学渗透假说：氧化磷酸化和光合磷酸化（1978） • 第一个膜蛋白——光合细菌反应中心的X射线晶体结构（1988） • 电子传递理论（1992） • ATP合成的酶促机制（2019） • 20世纪末期依赖一系列光合系统中蛋白复合体的三维结构解析与功能讨论，包括光合细
非放氧光合生物
多细胞丝状绿色细菌
兰细菌
Prochlorophytes
藻类
放氧光合生物
高等植物
紫细菌的光合系统示意图
引自：Roszak,A.W. et al. (2019) Science, 302, 1969-1972.
紫细菌的光合反应中心三维结构
H subunit cytoplasm
periplasm
• Rudolph Marcus (1992, Chemistry): Electron transfer theory: included application to photosynthesis.
• Hartmut Michel; Robert Huber; and Johannes Deisenhofer (1988, Chemistry): X-ray structure of bacterial reaction center.
太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、 潮汐能等都来自太阳能。太阳能是太阳内部进行 的核聚变而产生的巨大能量。太阳内部的这种核 聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿 至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言， 太阳能可以说是取之不尽、用之不竭、清洁、廉 价的理想能源。
太阳能的能量
太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8×1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达 地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，19%被大气层吸收， 其余的到达地球表面，其功率为80万亿kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的 能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。每小时到达地球表面（包括大气，陆地 和海洋）的太阳能比人类2019年全世界全年所使用的能量还多，一天到达地表的太 阳能相当于地球上所有非再生能源（煤炭，石油，天然气，铀矿）的两倍。
光合作用的重要启示能否变成现实?
---决定了光合作用在未来能源产业中的地位
3. 光合作用 在未来能源产业中的地位
• 光合作用机理的认识：
---光合作用的结构生物学研究
结晶
结构与功能关系研究
同步辐射光源
衍
射
数
相角求解
据 收
集
模型构建 与修正
电子密度图
原核
光合生物
真核
紫色非硫细菌
紫色硫细菌 绿色非硫细菌