Hillova reakce neboli chloroplastová reakce byla objevena v roce 1937 biochemikem Robertem Hillem z University of Cambridge . Reakce je na světle závislý přenos elektronů z vody do Hillova činidla (umělé oxidační činidlo) proti gradientu chemického potenciálu . V laboratorní praxi tato reakce slouží ke stanovení fotochemické aktivity chloroplastů vlivem fotooxidace vody. Hillova reakce ukázala, že tvorba kyslíku a syntéza cukrů z oxidu uhličitého jsou dva různé, nezávislé procesy. Tato data poskytnutá Hillem tvořila základ moderního chápání fotosyntézy .
Ve zjednodušené formě je Hillova reakce popsána následující rovnicí:
2H20 + 2A + (chloroplasty) → 2AH2 + O2kde A je akceptor elektronů.
Reakce byla objevena Robertem Hillem v roce 1937. Zjistil, že izolované chloroplasty mohou uvolňovat kyslík , když jsou osvětleny slunečním světlem v přítomnosti vhodného akceptoru elektronů , jako je ferrikyanid . K demonstraci této reakce byl v laboratoři použit dichlorfenolindofenol (DCPIP) jako terminální akceptor elektronů nahrazující NADP, který byl nedostupný z důvodu odstranění chloroplastů z buněčného prostředí. Ferokyanid je redukován (jako NADP v přírodních podmínkách) a voda je oxidována na kyslík a protony. Pomocí této techniky k pozorování reakce Hill stanovil řadu důležitých faktů o fotosyntéze. Hillova reakce dokazuje, že tvorba kyslíku a syntéza cukrů z oxidu uhličitého jsou dva různé procesy a uvolňování kyslíku je pouze jedním z mnoha procesů fotosyntézy.
Hillova reakce znamená, že světelné reakce fotosyntézy jsou výsledkem řady redoxních reakcí a vyžadují přítomnost terminálního akceptoru elektronů. Normálně je takovým akceptorem NADP , který hraje důležitou roli při oxidaci vody. Hillova reakce také ukazuje, že přirozený akceptor může být nahrazen umělým akceptorem elektronů, jako je DCPIP. Technika náhrady přirozeného akceptoru umělým se v laboratoři používá k měření úrovně fosforylace chloroplastů a porovnání její intenzity s rychlostí uvolňování kyslíku.
Elektrony získané při štěpení vody vstupují do fotosystému II , kde absorbují světelnou energii, a poté vstupují do elektronového transportního systému fotosyntézy (ETS). Tyto vysokoenergetické elektrony se používají ke snížení NADP. Sluneční energie se tedy přemění na chemickou energii redukcí NADP na NADPH [1] .
Fotosyntéza je proces, při kterém je světelná energie absorbována a přeměněna na chemickou energii . Chemická energie se nakonec používá k přeměně oxidu uhličitého na cukry. Během fotosyntézy je přirozený akceptor elektronů NADP redukován na NADPH ve stromatu chloroplastu [2] . Obecně se v chloroplastu vyskytují následující rovnovážné reakce .
Redukční reakce ukládající energii v NADPH:
NADP + + 2H + + 2e - → NADPH + H + (zotavení)
Oxidační reakce NADPH jako zdroje energie a elektronů:
NADP + + 2H + + 2e - ← NADPH + H + (oxidace)
Robert Hill (1937) studoval redoxní reakce fotosyntézy pomocí umělých akceptorů elektronů. Studoval redukční reakci v izolovaných živých chloroplastech v nepřítomnosti CO 2 a světla. V průběhu jejich pozorování chloroplastů ozařovaných světlem v nepřítomnosti CO 2 byl umělý akceptor elektronů nejprve redukován a poté oxidován, čímž se cyklus uzavřel a proces mohl pokračovat. Jako vedlejší produkt se uvolnil kyslík, ale nevznikly žádné cukry. Na druhou stranu chloroplasty umístěné ve tmě v nepřítomnosti CO 2 zcela zoxidovaly umělý akceptor elektronů, v důsledku čehož se neuvolňoval kyslík a nesyntetizoval cukr. Tato pozorování umožnila Hillovi dojít k závěru, že kyslík se uvolňuje pouze během světelných reakcí fotosyntézy (Hillovy reakce) [3] . Ze svých výsledků Hill usoudil, že zdrojem kyslíku během fotosyntézy je voda (H 2 O), a nikoli oxid uhličitý, jak se dříve myslelo. Jeho výsledky také ukázaly, že světelná redoxní reakce je první reakcí fotosyntézy.
Další výzkum Hillovy reakce prováděl od roku 1957 americký rostlinný fyziolog Daniel I. Arnon . Arnon studoval Hillovu reakci pomocí přirozeného akceptoru elektronů NADP. Tento akceptor inhiboval tvorbu ATP , NADPH a H + , které se používají při reakcích za tmy. Arnon ukázal, že aktivní chloroplasty na světle v nepřítomnosti CO 2 uvolňují kyslík, ale nesyntetizují cukr. Poté prokázal temnou fázi pozorováním chloroplastů ve tmě, za podmínek přebytku oxidu uhličitého. Zjistil, že fixace uhlíku závisí na světelné fázi fotosyntézy. Arnon dokázal efektivně oddělit světelné reakce, během kterých byly syntetizovány ATP, NADPH, H + a kyslík, od reakcí za tmy, během kterých byl syntetizován cukr. Došel k závěru, že tato poslední část fotosyntézy nevyžaduje přítomnost světla.