光合成のしくみを化学で探る名城大学理工学部応用化学科永田央 2015年4月21日先端化学講義資料 1 地球上の炭素循環 120 ギガトン/年人工光合成？？ +6 ギガトン/年産業活動大気中の CO2 光合成水呼吸酸素有機物食糧、繊維、燃料 2 光合成の概要太陽光水＋二酸化炭素酸素＋有機物（糖など）化学反応として何が起きているのか？ 3 「化学反応」としての光合成分子式で書くと… 6 H2O + 6 CO2 光 6 O2 + C6H12O6 構造式で書くと… 6 H O H +6 O C O HO 光 6 •O O• + O HO OH OH HO 反応式だけでは十分ではない！「なぜ」「どのように」反応が起きるのかが重要！ 4 「光」はどのように化学反応に関わるか？ H2O + CO2 （光合成）無色透明＝光を吸収しない葉（光合成 ○）色がついている＝光を吸収する 5 植物の緑色の正体：葉緑素クロロフィルaの吸収スペクトル吸光度 N N Mg N H N H O O O R O O 葉緑素（クロロフィルa）波長（ナノメートル）吸収された光だけが光化学反応を引き起こす 6 葉緑素が光を吸収したらどうなる？光葉緑素 Excited! 光を吸収した葉緑素は「エキサイト」する（励起状態＝エネルギーを余分に持つ状態） 7 分子の持つエネルギーって？電子光活発化分子の持つエネルギー＝電子のエネルギー（位置エネルギー＋運動エネルギー） 8 励起状態から電子が飛び出す光葉緑素電子が１つ不足＝プラス電荷＋キノン電子が１つ余分＝マイナス電荷電池の持つエネルギー＝電気を流すエネルギー化学反応を起こすエネルギー 9 光合成＝太陽電池＋電気分解！太陽電池電気分解光葉緑素電子が１つ不足＋キノン電子が１つ余分二酸化炭素の還元水の酸化 10 水の酸化（酸素発生） 2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e– 極めて難易度の高い反応非常に強い酸化力が必要！（ほとんどの有機化合物が分解されるレベル）４電子酸化＝（少なくとも）４段階の反応 H2O を一電子酸化した H2O+•（または HO•）は極めて不安定！（しかも生物には有害） 11 光合成の酸素発生・マンガン (Mn)、カルシウム (Ca) を含むタンパク質 Ca Mn2 Mn4 Mn1 Mn3 ・2011年、神谷（大阪市大）、沈（岡山大）らのグループが構造決定に成功・酸素発生のメカニズムはまだよくわかっていない Umena et al, Nature 2011, 473, 55. 12 二酸化炭素の還元二酸化炭素の還元は複雑！実現可能 CO2 + 2 H+ + 2 e– CO2 + 4 H+ + 4 e– ギ酸 HCO2H CO + H2O 一酸化炭素 HCHO ホルムアルデヒド (CH2O)n 炭水化物（糖） CO2 + 6 H+ + 6 e– CH3OH + H2O メタノール CO2 + 8 H+ + 8 e– CH4 + 2 H2O メタン難しいができるとオイシイ 13 本日のまとめ・光合成を「化学反応」と考えることができる 6H2O + 6CO2 6O2 + C6H12O6 ・光は葉緑体に吸収されて「励起状態」をつくる Excited! ・励起状態から電子が飛び出して「小さな電池」ができる・光合成＝太陽電池＋電気分解・酸素の発生には良い「触媒」が必要・二酸化炭素の還元は複雑だけど、メタノールかメタンができるといいね CH3OH CH4 14 本日のレポート課題 1. 分子が持つエネルギーについて、説明しなさい。 2. 太陽エネルギーが分子のエネルギーに変換される仕組みについて、説明しなさい。 3. 二酸化炭素の還元反応について、説明しなさい。 15