人工光合作用的基本原理
化学先生 / 2019-08-01
光合作用(photosynthesis)是绿色植物、藻类和光合细菌在太阳光照射下，将二氧化碳和水转化为碳水化合物和分子氧的催化过程。其总反应式为:
CO2+H2O→1/6C6H12O6+O2 △G＝522kJ/mol (6-1)
从自由能变化可以看出，这是一个储能的上坡反应。据估算在地球上，每年大约有1000亿吨二氧化碳被绿色植物同化。也就是说，有3X10的18次方kJ太阳能通过光合作用得到富集和储存，换算成电能相当于900亿千瓦发电能力。人类赖以生存的能源和材料都直接和间接地来自于碳水化合物。石油、煤和天然气等化石燃料就是自然界遗留给人们的远古时代光合作用产物。
光合作用是由光反应和暗反应构成的十分复杂的催化过程。第一步，首先是光催化分解水放氧:
2H2O+2NADP+ +3ADP+3P→2NADPH+2H+ +3ATP+O2 (6-2)
该反应称为光合磷酸化(photophosphorylation) 反应，其中P表示磷酸盐的阴离子，烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷(NADP+) 在光照下，被水双电子还原为NADPH,水被氧化放出分子氧。与该氧化还原反应耦合的另一个反应是二磷酸腺苷(ADP)转化为三磷酸腺苷(ATP)。 光驱动反应发生在植物细胞叶绿体内的类囊体膜上。在这些膜中集合了由天线色素分子组成的光合作用单位，负责光能捕集，每一个光合作用单位含有大约300个天线色素分子，也就是叶绿素和类胡萝卜素构成的光系统反应中心。由天线色素吸收的光子，首先传递给一个叶绿素分子二聚体，它是反应中心的.部分。 光激发产生的电子 首先注人到叶绿素的分子二聚体，然后通过一系列电子传递调节剂在反应体系中进行传递。这些组分巧妙的空间排列使得电子按一定方向， 从膜的内部传向外部。水被氧化放出分子氧后，留下正电荷和质子，同时NADP+被还原为NAD-PH。通过还原反应生成氢化物，即NADPH,储存了水中的氢。而穿过膜产生的pH梯度使ADP通过磷酸化转变为ATP,从而储存了附加的能量。
暗反应称为Calvin循环，通过NADPH的还原势和ATP中所储存的自由能，使CO2发生同化反应生成碳水化合物。自然界使CO2固定的途径，是通过CO2与二磷酸阿东糖酯(ribulosebiphosphate, RuBP)反应，给出3-磷酸甘油酯(3-phosphoglycerate), 这过程是 由RuBP羰化酶( RuBP carboxyl-ase)催化的。磷酸甘油酯被进一步转化为6-磷酸果糖酯(fructose 6 phos-phate),即Calvin循环的最终产物。
实际上，光合作用的总包反应机理是非常复杂的，上述反应式只是-种简化的化学表达方式。对酶化学研究而言，对光合作用的化学模拟最有意义的是光反应部分，因为它涉及太阳能的光化学转化与储存，在人工光合作用中我们还将深人讨论。关于CO2同化，即暗反应不是光合作用模拟研究的热点，不再详细论述。
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