Реакция Хилла - Hill reaction
Реакция Хилла - это управляемый светом перенос электронов от воды к реагентам Хилла (нефизиологическим окислителям) в направлении, противоположном градиенту химического потенциала, как часть фотосинтеза . Робин Хилл открыл реакцию в 1937 году. Он продемонстрировал, что процесс, с помощью которого растения производят кислород , отделен от процесса, который превращает углекислый газ в сахар.
История
Выделение кислорода во время светозависимых стадий фотосинтеза (реакция Хилла) было предложено и доказано британским биохимиком Робином Хиллом . Он продемонстрировал, что изолированные хлоропласты производят кислород (O 2 ), но не фиксируют углекислый газ (CO 2 ). Это свидетельствует о том, что световая и темная реакции происходят в разных частях клетки.
Открытие Хилла заключалось в том, что источником кислорода при фотосинтезе является вода (H 2 O), а не диоксид углерода (CO 2 ), как считалось ранее. Наблюдения Хилла за хлоропластами в темноте и в отсутствие CO 2 показали, что искусственный акцептор электронов окисляется, но не восстанавливается, прекращая процесс, но без образования кислорода и сахара. Это наблюдение позволило Хиллу сделать вывод, что кислород высвобождается во время светозависимых стадий (реакция Хилла) фотосинтеза.
Хилл также открыл реагенты Хилла, искусственные акцепторы электронов, которые участвуют в световой реакции, такие как дихлорфенолиндофенол (DCPIP), краситель, который меняет цвет при восстановлении. Эти красители позволили обнаружить цепи переноса электронов во время фотосинтеза.
Дальнейшие исследования реакции Хилла были проведены в 1957 году физиологом растений Дэниелом И. Арноном . Арнон изучал реакцию Хилла, используя естественный акцептор электронов НАДФ. Он продемонстрировал независимую от света реакцию, наблюдая за реакцией в темноте с большим содержанием углекислого газа. Он обнаружил, что фиксация углерода не зависит от света. Арнон эффективно отделил светозависимую реакцию, производящую АТФ, НАДФН, H + и кислород, от светонезависимой реакции, производящей сахара.
Биохимия
Фотосинтез - это процесс поглощения и преобразования световой энергии в химическую энергию. Эта химическая энергия в конечном итоге используется в растениях для преобразования углекислого газа в сахар.
Природный акцептор электронов
Во время фотосинтеза естественный акцептор электронов НАДФ восстанавливается до НАДФН в хлоропластах. Происходит следующая равновесная реакция.
Реакция восстановления, при которой энергия накапливается в виде НАДФН:
- (Снижение)
Реакция окисления в виде энергии НАДФН используется в другом месте:
- (Окисление)
Ферредоксин , также известный как НАДН + редуктаза, представляет собой фермент , катализирующий реакцию восстановления. НАДФН легко окислить, но трудно восстановить НАДФ + , поэтому катализатор полезен. Цитохромы - это конъюгированные белки, содержащие группу гема . Атом железа из этой группы претерпевает окислительно-восстановительные реакции:
- (Снижение)
- (Окисление)
Светозависимая окислительно-восстановительная реакция имеет место до светонезависимой реакции в фотосинтезе.
Хлоропласты in vitro
Изолированные хлоропласты, помещенные в световые условия, но в отсутствие CO 2 , восстанавливают, а затем окисляют искусственные акцепторы электронов, позволяя процессу продолжаться. Кислород (O 2 ) выделяется как побочный продукт, но не сахар (CH 2 O).
Хлоропласты, помещенные в темные условия и в отсутствие CO 2 , окисляют искусственный акцептор, но не восстанавливают его, прекращая процесс без образования кислорода или сахара.
Отношение к фосфорилированию
Связь фосфорилирования и восстановления акцептора электронов, такого как феррицианид, увеличивается аналогичным образом при добавлении фосфата , магния (Mg) и АДФ . Наличие этих трех компонентов важно для максимальной восстановительной и фосфорилирующей активности. Подобное увеличение скорости восстановления феррицианида можно стимулировать с помощью техники разбавления. Разбавление не вызывает дальнейшего увеличения скорости восстановления феррицианида с накоплением АДФ, фосфата и Mg в обработанной суспензии хлоропластов. АТФ подавляет скорость восстановления феррицианида. Исследования интенсивности света показали, что это влияние в основном оказывалось на независящие от света этапы реакции Хилла. Эти наблюдения объясняются предложенным методом, в котором фосфат этерифицируется во время реакций переноса электронов, восстанавливая феррицианид, в то время как скорость переноса электронов ограничивается скоростью фосфорилирования. Увеличение скорости фосфорилирования увеличивает скорость, с которой электроны переносятся в системе транспорта электронов.
Реагент Хилла
В световую реакцию можно ввести искусственный акцептор электронов, например краситель, который меняет цвет при его восстановлении. Они известны как реагенты Хилла. Эти красители позволили обнаружить цепи переноса электронов во время фотосинтеза. Дихлорфенолиндофенол (DCPIP), пример этих красителей, широко используется экспериментаторами. DCPIP - это раствор темно-синего цвета, который становится светлее по мере уменьшения. Он предоставляет экспериментаторам простой визуальный тест и легко наблюдаемую световую реакцию.
В другом подходе к изучению фотосинтеза светопоглощающие пигменты, такие как хлорофилл, могут быть извлечены из хлоропластов. Как и многие важные биологические системы клетки, фотосинтетическая система упорядочена и разделена на системы мембран .
