化学で探る光合成のひみつ - meijo-u.ac.jptnagata/etc/images/opencampus2013.pdf · 化学で探る光合成のひみつ 2013年8月3・4日名城大学オープンキャンパス模擬講義

化学で探る光合成のひみつ

2013年8月3・4日　名城大学オープンキャンパス模擬講義

理工学部応用化学科　永田　央

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名城大学　永田検索

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光合成と呼吸

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水　＋　二酸化炭素酸素　＋　有機物（糖など）

光エネルギー光合成（植物・藻類）

酸素呼吸（多くの生物）

酸素　＋　有機物（糖など）水　＋　二酸化炭素

化学エネルギー（→ 生命活動）

6 H2O + 6 CO2

6 O2 + C6H12O6

H O H O C O

•O O•O

HO

HOOHHO OH

6 + 6

6 +


「化学反応」としての光合成

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分子式で書くと…

構造式で書くと…

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！

光

光

H2O + CO2


「光」はどのように化学反応に関わるか？

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葉（光合成 ×）（光合成 ○）

無色透明＝光を吸収しない

色がついている＝光を吸収する

N N

NNMg

OO

OO

O

R

H

H


植物の緑色の正体：葉緑素

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葉緑素（クロロフィルa）

クロロフィルaの吸収スペクトル

波長（ナノメートル）

吸光度

吸収された光だけが光化学反応を引き起こす

Excited!


葉緑素が光を吸収したらどうなる？

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葉緑素光

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）


普通の状態とエキサイト（励起）状態

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電子光

物質の中では「電子」が動き回っている

光を吸収すると電子の動きが活発化！


励起状態から電子が飛び出す

8

光

葉緑素

キノン

電子が１つ不足＝プラス電荷

電子が１つ余分＝マイナス電荷

＋

-

光合成のはじまり＝光エネルギーを使って小さな電池を作る


光合成＝太陽電池＋電気分解！

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光

葉緑素

キノン

電子が１つ不足

電子が１つ余分

＋

-

水の酸化二酸化炭素の還元

太陽電池電気分解

2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e–

OH HOH

H+

e–

O

H+

e–

OOH

+ H2O

H+

e–

OO

H+

e–

O O


水の酸化（酸素発生）

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電極

電極表面が「触媒」として働く


光合成の酸素発生

11

Umena et al, Nature 2011, 473, 55.

・マンガン (Mn)、カルシウム (Ca) を含むタンパク質

Mn2

Mn1

Mn3

Mn4

Ca・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


二酸化炭素の還元

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ギ酸一酸化炭素ホルムアルデヒド炭水化物（糖）

メタノール

メタン

二酸化炭素の還元は複雑！実現可能

難しいができるとオイシイ

CO2 + 2 H+ + 2 e–HCO2H

CO + H2O

CO2 + 4 H+ + 4 e– HCHO(CH2O)n

CO2 + 6 H+ + 6 e– CH3OH + H2O

CO2 + 8 H+ + 8 e– CH4 + 2 H2O

6H2O + 6CO26O2 + C6H12O6

Excited!

CH3OHCH4


本日のまとめ

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・光合成を「化学反応」と考えることができる

・光は葉緑体に吸収されて「励起状態」をつくる

・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

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