人工光合作用的基本原理
化學(xué)先生 / 2019-08-01
光合作用(photosynthesis)是綠色植物、藻類和光合細(xì)菌在太陽光照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物和分子氧的催化過程。其總反應(yīng)式為:
CO2+H2O→1/6C6H12O6+O2 △G＝522kJ/mol (6-1)
從自由能變化可以看出，這是一個儲能的上坡反應(yīng)。據(jù)估算在地球上，每年大約有1000億噸二氧化碳被綠色植物同化。也就是說，有3X10的18次方kJ太陽能通過光合作用得到富集和儲存，換算成電能相當(dāng)于900億千瓦發(fā)電能力。人類賴以生存的能源和材料都直接和間接地來自于碳水化合物。石油、煤和天然氣等化石燃料就是自然界遺留給人們的遠(yuǎn)古時代光合作用產(chǎn)物。
光合作用是由光反應(yīng)和暗反應(yīng)構(gòu)成的十分復(fù)雜的催化過程。第一步，首先是光催化分解水放氧:
2H2O+2NADP+ +3ADP+3P→2NADPH+2H+ +3ATP+O2 (6-2)
該反應(yīng)稱為光合磷酸化(photophosphorylation) 反應(yīng)，其中P表示磷酸鹽的陰離子，煙酰胺腺嘌呤磷酸二核苷(NADP+) 在光照下，被水雙電子還原為NADPH,水被氧化放出分子氧。與該氧化還原反應(yīng)耦合的另一個反應(yīng)是二磷酸腺苷(ADP)轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷(ATP)。 光驅(qū)動反應(yīng)發(fā)生在植物細(xì)胞葉綠體內(nèi)的類囊體膜上。在這些膜中集合了由天線色素分子組成的光合作用單位，負(fù)責(zé)光能捕集，每一個光合作用單位含有大約300個天線色素分子，也就是葉綠素和類胡蘿卜素構(gòu)成的光系統(tǒng)反應(yīng)中心。由天線色素吸收的光子，首先傳遞給一個葉綠素分子二聚體，它是反應(yīng)中心的.部分。 光激發(fā)產(chǎn)生的電子 首先注人到葉綠素的分子二聚體，然后通過一系列電子傳遞調(diào)節(jié)劑在反應(yīng)體系中進(jìn)行傳遞。這些組分巧妙的空間排列使得電子按一定方向， 從膜的內(nèi)部傳向外部。水被氧化放出分子氧后，留下正電荷和質(zhì)子，同時NADP+被還原為NAD-PH。通過還原反應(yīng)生成氫化物，即NADPH,儲存了水中的氫。而穿過膜產(chǎn)生的pH梯度使ADP通過磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP,從而儲存了附加的能量。
暗反應(yīng)稱為Calvin循環(huán)，通過NADPH的還原勢和ATP中所儲存的自由能，使CO2發(fā)生同化反應(yīng)生成碳水化合物。自然界使CO2固定的途徑，是通過CO2與二磷酸阿東糖酯(ribulosebiphosphate, RuBP)反應(yīng)，給出3-磷酸甘油酯(3-phosphoglycerate), 這過程是 由RuBP羰化酶( RuBP carboxyl-ase)催化的。磷酸甘油酯被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為6-磷酸果糖酯(fructose 6 phos-phate),即Calvin循環(huán)的最終產(chǎn)物。
實際上，光合作用的總包反應(yīng)機(jī)理是非常復(fù)雜的，上述反應(yīng)式只是-種簡化的化學(xué)表達(dá)方式。對酶化學(xué)研究而言，對光合作用的化學(xué)模擬最有意義的是光反應(yīng)部分，因為它涉及太陽能的光化學(xué)轉(zhuǎn)化與儲存，在人工光合作用中我們還將深人討論。關(guān)于CO2同化，即暗反應(yīng)不是光合作用模擬研究的熱點(diǎn)，不再詳細(xì)論述。
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