绿色的分子

我们被教导幼儿,虽然人类吸入氧气,呼出二氧化碳,植物会吸收二氧化碳和泵出新鲜的氧气。过了一会儿,我们发现这些相互支持的过程是由两个惊人相似的分子——血红蛋白和叶绿素。

科学家们的故事试图破译叶绿素的结构和生理作用到处都是诺贝尔奖获得者,和2015年的纪念理查德Willstatter的诺贝尔化学奖建立叶绿素的组成和50周年罗伯特。伍德沃德同样,完成其合成。

欣赏这些成就的重要性我们需要早一点开始这个故事。一些18世纪化学家和植物学家——包括英国人斯蒂芬·黑尔斯和约瑟夫·普里斯特利,瑞典人卡尔·舍勒Jan Ingenhousz荷兰和瑞士Jean Senebier——观察到当绿色植物暴露于阳光,他们补充部分的气氛,维持动物的生活。

在19世纪,安托万普遍接受的氧气燃烧理论进一步关注关注过程。定量实验由另一个瑞士,Nicolas-Theodore·德·索绪尔,表明种植植物碳来自大气二氧化碳——但他们如何保持神秘。

早期提取的尝试

1817年,法国化学家皮埃尔Pelletier和琼Caventou称为绿色颜料从树叶中提取叶绿素- - -他的名字来源于绿色和叶的古典希腊单词。在接下来的几十年里,著名化学家包括乔恩·雅各布·贝采里乌斯在瑞典和英国人爱德华Schunk试图净化和分析这种物质(连同其他五颜六色的蔬菜产品)。

他们只有有限的成功,但同时有其他领域的进步。使用一种改进的显微镜,德国植物生理学家朱利叶斯·冯·萨克斯发现叶绿体-植物细胞内的微chlorophyll-secreting身体和盎格鲁-爱尔兰物理学家乔治·斯托克斯绘制了著名乐队叶绿素的吸收光谱。

20世纪初,它是公认的植物叶绿素用来捕获所需的太阳能将二氧化碳和水转化为糖和淀粉。这个过程中,从1890年代中期被称为光合作用,方便地由一个简化的方程:

6公司₂+ 6 h₂O ?C₆H₁₂O₆+ 6 o₂

破译叶绿素的组成

然而,很明显,比这更复杂的东西里面的植物细胞,当Willstatter主题的1902年多仍是解释说。

Willstatter于1872年出生在一个富裕的德国犹太人的家庭,并获得1894年慕尼黑大学博士学位论文在生物碱。他仍然在慕尼黑做进一步的研究和教学,并最终被任命为初级教授在1902年。第二年他娶了苏菲莱塞,他们有两个孩子在她1908年过早死亡。

在苏黎世和柏林举行高级学术职务后,Willstatter回到慕尼黑1916年接替他的前导师阿道夫·冯·贝耶尔。第一次世界大战期间,他拒绝了邀请从弗里茨·哈伯(德国在进攻使用毒气,但他的确帮助开发一个防毒面具,挽救了许多人的生命。

Willstatter辞去主席1924年抗议反犹主义然后变得明显在大学里,他继续他的研究私下合作前的学生。到1938年盖世太保骚扰他,1939年3月他逃到了瑞士,在那里他于1942年去世。

在早先留在瑞士,1905年到1912年之间,Willstatter做他的大部分研究叶绿素。使用各种酸、碱和有机溶剂,他发展了技术分离叶绿素的许多与之相关的其他物质在植物细胞中,然后把它分解成更小的组件。此前的调查人员指出,植物灰含有镁,但是他证明了纯叶绿素极其广泛的来源(包括松针和荨麻)总是包含相同比例的金属——略低于3%。

的力量和多功能性的有机镁试剂最近开发的法国化学家维克多格氏建议一些观察家在叶绿素镁可能扮演类似激活的作用。当时,然而,很少了解光合作用的化学进一步发展这一假设。其他人提出,主反应可能是甲醛的合成,然后不知怎么的聚合来制造碳水化合物。但甲醛不能发现在植物-当暴露于它他们通常死——这想法也得到了一点支持。

一个令人满意的光合作用的化学仍然是难以捉摸的多年。然而,Willstatter显示纯叶绿素不能独自做了糖,整个叶需要,因此他认为其他代理,最有可能的酶,参与了这一过程。他也证明了植物包含两个稍微不同的变体的叶绿素分子,斯托克斯光谱数据已经表明。(其他几个叶绿素光合藻类和细菌被发现以来)。

Willstatter证实了公式的叶绿素和叶绿素b, C₅₅H_72年O₅N₄Mg和C₅₅H_70年O₆N₄毫克,表明分子中含有四个吡咯环,加上一个羧基与长链醇叶绿醇酯化。但完整的结构仍然躲避他,等到Willstatter收到了他1915年诺贝尔(像其他几个战时奖获得者,他直到1920年才收集),他放弃了搜索和忙于学习酶。

结构确认

直到1930年,另一个慕尼黑化学家,汉斯费歇尔接下了这个任务,从Willstatter鼓励。这是一个合乎逻辑的举动,因为Willstatter已经注意到化学相似性叶绿素和haemin——血液的红色颜料,而费舍尔最近获得了诺贝尔化学奖haemin合成。

在他1930年的诺贝尔演讲,费舍尔警告说,“叶绿素分子仍然呈现许多谜语”。解开它们保留了他的大,组织研究团队忙着剩下的十年。他们发表了超过100篇论文主题,虽然无法合成叶绿素,在1940年他们已经证实了其分子结构。

成功的合成

20年之前的合成叶绿素终于完成,伍德沃德的哈佛研究小组。1917年出生在波士顿,美国,伍德沃德迷上了化学在学校和研究集中在家里。

他在1934年进入麻省理工学院,第二年,几乎被赶了出来,因为他忽视了必修科目不感兴趣他,而在他的主动追求高级化学研究。

幸运的是,同情的导师让他继续,他们证明当伍德沃德-仍然只有20岁获得博士学位论文在女性荷尔蒙雌酮。哈佛大学一年的博士后研究后,伍德沃德加入她的老师和住在那里的他的职业生涯。他的几个调查有商业上重要的结果和由大公司像宝丽来,辉瑞和汽巴(现在诺华)。虽然大幅获利从这些关联,他从未放弃了实验室会议室,保持领先的学术化学家的时代。

回忆的朋友和同事描述他是一个可爱但无情地专注的人。当一个新来的英国学生询问假期,伍德沃德说:“我圣诞节休假”。他的研究团队努力工作,长时间在实验室里经常被深夜头脑风暴讨论会之后。然而,从积极的一面来看,参与合成的“伍德沃德分子”往往成为了护照杰出的职业生涯。

即便考虑到支持伍德沃德收到他忠诚的助手,他个人的产出是非凡的。他通常每晚睡不到四个小时,而烟草和酒精的帮助来缓解他的压力惩罚时间表,工作量似乎严重影响——他的婚姻以离婚结束,只有62岁就死了。叶绿素是但他的许多著名的合成,也包括在内奎宁,胆固醇松、马钱子碱、利血平、头孢菌素和维生素B₁₂。

光合作用的化学多年来仍然难以捉摸

所有这些成就极大地协助了伍德沃德的百科全书的记忆——他可能经常召唤模糊但相关反应在关键时刻,他愿意采用新的物理调查技术像核磁共振光谱学。然而,伍德沃德的最激进的创新可能是分子轨道理论应用于预测最优路线的有机合成。

他追求的分子通常包含几个不对称碳原子,但通常只有一个许多可能的立体异构体的生物活性。能够设计一个立体定向合成从第一原理可以节省很多时间和精力。这种预测技术最终被正式在伍德沃—霍夫曼定律,于1965年出版。美国化学家罗尔德·霍夫曼这些规则的贡献为他赢得了1981年诺贝尔化学奖,伍德沃德几乎肯定会分享了他不是死于1979年。(诺贝尔奖不是死后,除非接受者之间的死公告和颁奖仪式)。

伍德沃德的实践和理论人才都需要通过迷宫导航路径的叶绿素合成,其中包括55个不同的化学反应。经过四年的密集的努力(支持12个博士后研究人员),他在1960年完成了任务,并于1965年获得诺贝尔奖。

揭示叶绿素的作用

同时,另一个研究小组在伯克利,加州,同样是应用创新的技术来探索叶绿素在植物代谢的作用。其领导人,梅尔文卡尔文,曾在核弹项目第二次世界大战期间,一个经验,准备为他的平时使用放射性同位素跟踪化学反应的进程。

加尔文开始暴露绿藻在阳光下光合作用的碳14标记的存在二氧化碳,然后停止倾倒过程在不同阶段的混合物倒入热酒精。色谱分离和辐射测试的产品显示多少碳14原子反应链上旅行。

在时间上很明显,叶绿素分子的主要功能(紧密结合与特定的蛋白质在叶绿体)是提供能量进行光合作用。他们这样做的时候通过吸收太阳能光子——一个操作了许多共轭双键叶绿素卟啉的结构。这种捕获阳光然后投资于能源丰富的分子的合成三磷酸腺苷(三磷酸腺苷)和NADP(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)反过来,这些权力序列依赖光反应。第一个稳定的产品是甘油醛3 -磷酸,然后合成更大的碳水化合物分子内的植物。

卡尔文和他的助手(特别是安德鲁Bassham和詹姆斯·本森)破坏过程的一系列经典的论文发表在1950年代,尽管这是卡尔文仅在1961年获得了诺贝尔化学奖,今天这个序列的反应通常被称为Calvin-Benson-Bassham周期。

今天,可能替代光合作用提供化学家Willstatter所面临的挑战和机遇非常不同于一个世纪前,或由卡尔文和伍德沃德最近。例如,美国哥伦比亚大学地球研究所的研究人员正在试图产生的人工树木吸收二氧化碳生成被我们无情的化石燃料的消耗。

在美国其他地方,加州的联合人工光合作用中心目前正在开拓新技术使用太阳能解放氢从水中。但是氢——即使是在一个复杂的燃料电池——不是一个理想的便携式能源,所以该中心的最终目标是开发一个商业上可行的太阳能过程使水和大气二氧化碳的液体燃料。

然而,即使这个雄心勃勃的目标是可以实现的,人类仍将(在可预见的未来)依赖光合作用由叶绿素生产我们呼吸的氧气,我们吃的碳水化合物。轴承这一点,也许我们应该照顾好我们的地球比我们似乎做的植物资源。