第 2 题

Hill 反应剖析了光合作用。(a) 写出植物光合作用总方程式，把

\ce{CO2}

还原为

\{\ce{CH2O}\}

。(b) Hill 发现离体叶绿体在光照下即使有

\ce{CO2}

也不放

\ce{O2}

，但加入

\ce{K3[Fe(C2O4)3]}

（草酸过量）后无

\ce{CO2}

也能放氧。给出自然光合作用和 Hill 反应中的氧化剂与还原剂。(c) Hill 用血红蛋白测定放出的

\ce{O2}

（Hb 与

\ce{O2}

1:1 结合，初始

[\text{Hb}] = 0.6 \times 10^{-4}

mol dm

^{-3}

）；

[\ce{Fe^{III}}] = 2.0 \times 10^{-4}

mol dm

^{-3}

时 HbO

_2

比例在约 75 % 饱和。估算 Fe/

\ce{O2}

比，写出 Hill 反应方程式，并计算

T = 298

K、

p(\ce{O2}) = 1

mmHg、pH = 8、其他物质标准浓度下的

\Delta G

（

E^{\circ}

：

\ce{O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O}

+1.23 V；

\ce{[Fe(C2O4)3]^{3-} + e- -> [Fe(C2O4)3]^{4-}}

+0.05 V）。是否自发？(d) 离体叶绿体用 672 nm 光（0.503 mJ s

^{-1}

）照射 2 小时，产生 47.6 mm

^3

\ce{O2}

（10 °C、740 mmHg）。计算量子需要量（每转移一个电子所需光子数）。(e) 结论：水氧化与

\ce{CO2}

还原是否空间分离？

\ce{O2}

是否来自

\ce{CO2}

？水氧化是否需要光？多数叶绿素是否直接参与？每个光子是否转移一个电子？

第 5/5 步：由 Hill 数据得出的结论

\text{Yes: water oxidation and } \ce{CO2}\text{ reduction are separated; oxidation of water requires light.}\quad \text{No: } \ce{O2}\text{ does not come from } \ce{CO2};\ \text{most chlorophylls do not act directly; not every photon transfers one electron.}

分析

$\ce{O2}$ 在有无 $\ce{CO2}$ 时都能放出，说明水氧化与 $\ce{CO2}$ 还原在空间与机理上分离，氧来自水。吸能的 $\Delta G$ 表明光驱动氧化。量子需要量为 2.5（非 1）加上饱和行为，表明多数叶绿素构成天线，供能少数反应中心。