ヒル反応

葉緑体が見える植物細胞（コケ、Plagiomnium affine由来）

ヒル反応は、光合成の一環として、光駆動によって水からヒル試薬（非生理学的酸化剤）へ、化学ポテンシャル勾配に逆らう方向に電子が移動する反応です。ロビン・ヒルは1937年にこの反応を発見しました。彼は、植物が酸素を生成するプロセスと、二酸化炭素を糖に変換するプロセスは別であることを実証しました。

歴史

光合成における光依存段階における酸素の発生（ヒル反応）は、イギリスの生化学者ロビン・ヒルによって提唱され、証明されました。彼は、単離された葉緑体は酸素（ _O₂ ）を生成するが、二酸化炭素（CO₂ _）を固定しないことを実証しました。これは、明反応と暗反応が細胞内の異なる部位で起こることの証拠です。 ^{[1] [2] [3]}

ヒルの発見は、光合成における酸素の起源は、これまで考えられていた二酸化炭素（CO2）ではなく、_{水（ H2O ）であるというものでした。ヒルは暗黒条件下、 CO2}不在下で葉緑体を観察した結果、人工電子受容体は酸化されるものの還元されず、光合成は終了するものの、酸素と糖は生成されないことを示しました。この観察から、ヒルは光合成における光依存段階（ヒル反応）で酸素が放出されると結論づけました。^[4]

ヒルはまた、光反応に関与する人工電子受容体であるヒル試薬を発見しました。例えば、還元されると色が変わる染料であるジクロロフェノールインドフェノール（DCPIP）などが挙げられます。これらの染料は、光合成における電子伝達経路の発見を可能にしました。

ヒル反応のさらなる研究は、1957年に植物生理学者ダニエル・I・アーノンによって行われました。アーノンは天然の電子受容体であるNADPを用いてヒル反応を研究しました。彼は光非依存反応を実証し、二酸化炭素を豊富に含む暗条件下で反応を観察しました。そして、炭素固定が光に依存しないことを発見しました。アーノンは、ATP、NADPH、H ⁺、酸素を生成する光依存反応と、糖を生成する光非依存反応を効果的に区別しました。

生化学

チラコイド膜における光合成の光依存性反応による非環式光リン酸化

光合成は、光エネルギーを吸収して化学エネルギーに変換するプロセスです。この化学エネルギーは最終的に、植物において二酸化炭素を糖に変換するのに利用されます。

天然の電子受容体

光合成の過程で、天然電子受容体NADPは葉緑体でNADPHに還元されます。^[5]次の平衡反応が起こります

エネルギーをNADPHとして蓄える還元反応：

${\displaystyle {\ce {NADP+ + 2H+ + 2e- → NADPH + H+}}}$ （還元）

NADPHのエネルギーが他の場所で使われるため、酸化反応が起こります。

${\displaystyle {\ce {NADP+ + 2H+ + 2e- <- NADPH + H+}}}$ （酸化）

フェレドキシンはNADP+還元酵素としても知られ、還元反応を触媒する酵素です。NADPHの酸化は容易ですが、NADP ^+の還元は困難であるため、触媒は有益です。シトクロムはヘム基を含む共役タンパク質です。^[5]このグループの鉄原子は、以下の酸化還元反応を起こします。

${\displaystyle \mathrm {Fe^{3+}+e^{-}\longrightarrow Fe^{2+}} }$ （還元）

${\displaystyle \mathrm {Fe^{3+}+e^{-}\longleftarrow Fe^{2+}} }$ （酸化）

光合成においては、光依存性酸化還元反応が光非依存性反応の前に起こる。^[6]

葉緑体試験管内

ヒル反応の図。DCPIPなどの人工電子受容体を使用し、葉緑体に光を当てると酸素が放出される。また、CO2が存在しない場合は_糖は生成されない。

暗条件下で起こるヒル反応の図。酸素は放出されず、電子受容体の還元も起こらない。

単離した葉緑体を光条件下でCO ₂が存在しない状態に置き、人工電子受容体を還元し、その後酸化することで、このプロセスが進行します。副産物として酸素（O ₂）が放出されますが、糖（CH ₂ O）は放出されません。

暗黒条件下かつCO2が存在しない条件下では、葉緑体は_人工受容体を酸化するが還元は行わず、酸素や糖を生成せずにプロセスを終了する。^[4]

光条件下でのヒル反応と天然電子受容体の使用の図

アーノン（1954）によって発見された光非依存反応の図。光が存在しない状態で糖が形成されることを示している。

リン酸化との関係

フェリシアン化物などの電子受容体のリン酸化と還元の関連性は、リン酸、マグネシウム（Mg）、ADPの添加によって同様に増加します。これら3つの成分の存在は、還元活性とリン酸化活性を最大化するために重要です。フェリシアン化物の還元速度の同様の増加は、希釈法によって促進できます。希釈は、処理された葉緑体懸濁液へのADP、リン酸、およびMgの蓄積によるフェリシアン化物の還元速度のさらなる増加を引き起こしません。ATPはフェリシアン化物の還元速度を阻害します。光強度の研究により、この影響は主にヒル反応の光非依存段階に及んでいることが明らかになりました。これらの観察結果は、電子伝達反応中にリン酸がエステル化してフェリシアン化物を還元する一方で、電子伝達速度はリン酸化速度によって制限されるという提案された方法によって説明されます。リン酸化速度の増加は、電子伝達系における電子の輸送速度を増加させます。^[7]

ヒル試薬

クロロフィル分子を含む溶液にDCPIPを実験的に添加すると、DCPIPの還元により色が変化します

光反応には、還元されると色が変わる染料などの人工電子受容体を導入することが可能です。これらはヒル試薬として知られています。これらの染料は、光合成における電子伝達経路の発見を可能にしました。これらの染料の一例であるジクロロフェノールインドフェノール（DCPIP）は、実験者に広く使用されています。DCPIPは濃い青色の溶液で、還元されると色が薄くなります。これにより、実験者は簡単な目視検査と容易に観察できる光反応を得ることができます。^[8]

光合成を研究する別のアプローチとして、クロロフィルなどの光吸収色素を葉緑体から抽出する方法があります。細胞内の多くの重要な生物系と同様に、光合成系は膜系によって秩序立てられ、区画化されています。^[9]

光学顕微鏡で観察したホウレンソウの葉から単離した葉緑体

参照

• 細胞生物学
• 光リン酸化
• ダニエル・I・アーノン

参考文献

1. Hill, R. (1937). 「単離葉緑体による酸素発生」. Nature . 139 (3525): 881–882 . Bibcode :1937Natur.139..881H. doi :10.1038/139881a0. S2CID  4095025
2. Hill, R. ; Scarisbrick, R. (1940). 「光照射葉緑体による酸素産生」. Nature . 146 (3689): 61. Bibcode :1940Natur.146...61H. doi :10.1038/146061a0. S2CID  35967623.
3. Hill, R. (1939). 「単離葉緑体による酸素産生」. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences . 127 (847): 192– 210. Bibcode :1939RSPSB.127..192H. doi :10.1098/rspb.1939.0017. S2CID  84721851.
4. Dilley, Richard (1989).光合成分子生物学および生化学. Norosa. p. 441.
5. バーバー、ジェームズ (1976). 『無傷の葉緑体』（第1版）. インペリアル・カレッジ・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー. p. 476.
6. Hall, David Oakley (1981). Photosynthesis (第3版). University of London: Edward Arnold. pp. 14, 79, 84.
7. Avron, M.; Krogmann, DW; Jagendorf, AT (1989). 「光合成リン酸化とHill反応の関係. 1958」. Biochimica et Biophysica Acta . 1000 : 384– 393. ISSN  0006-3002. PMID  2673392.
8. Stiban, Johnny (2015).細胞生物学実験マニュアル（第6版）. ビルゼイト大学: Dr. Stiban.
9. ペンツ、ランディ (1989). 『バイオラボブック（第2版）』ジョンズ・ホプキンス大学出版局: ランディ.