水與氧的奇幻旅程(上)--水來自何方？水分子與氧原子在光合作用中的代謝情形

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水與氧的奇幻旅程(上)--水來自何方？

水分子與氧原子在光合作用中的代謝情形

蔡任圃

臺北市立中山女子高級中學

壹、高中生物課教學現場的疑難

在高中生物課堂上，光合作用的反應方程式常用式 1 表示，學生經教師講解可得知光合作用的產物 O# 2 來自 H2O#的水光解作用(Water photolysis)，但光合作用中產生的 6H2O*來自何處？是同學常常提出的疑問，也是教師無法避免的挑戰。雖然 6H2O*的來源對高中生理解光合作用並非必要的知識，但教師必定會被學生”挑戰 ”，為了避免模糊不清或錯誤的回答反而帶給學子錯誤的觀念，本文擬將此問題釐清，並且討論水分子與氧原子在光合作用中的代謝情形。 12H2O# + 6CO*2 → C6H12O*6 + 6H2O* + 6O#2... 式 1

貳、前情題要

凡尼爾(C. B. van Niel, 1897-1985)於1920年代證實綠色細菌在光照情形下，可將硫化氫(H2S)氧化成硫(S) (式2)，紫硫菌與綠硫菌不但可行上述反應，亦能繼續將硫(S)氧化成硫酸鹽(式3)；經由這些光驅動的氧化反應，可將二氧化碳轉變成細胞內的有機物質。凡尼爾因此相信在光合作用的反應中，將某物質氧化後，可使其氫元素轉移至二氧化碳上，使二氧化碳還原成其他有機物，並且依據式2整理出通式 (式 4)。這些觀察與推論於 1929 年底的研討會註一中發表，兩年後正式發表註二。凡尼爾甚至發現紫硫細菌與非硫紫細菌 (nonsulfur purple bacteria)可氧化某些有機化合物，以作為氫提供者。

2H2S + CO2  光照 2S + (CH2O) + H2O... 式 2 2S + 3CO2 + 5H2O  光照 2H2SO4 + 3(CH2O)... 式 3 2H2A + CO2  光照 2A + (CH2O) + H2O... 式 4 2H2O + CO2 光照  O2 + (CH2O) + H2O... 式 5 若將式4 與綠色植物光合作用的反應(式 5)比較，凡尼爾推論植物光合作用所產生的 O2來自水，而非當時科學界所認為的二氧化碳。這個推論由魯賓(Ruben)等人於 1941 年用同位素分別標定 C18_O 2與 H218O 進行實驗註三證實為正確的(以式 6 與式 7 表示)。 C18_O 2 + 2 H2O → (CH218O) + O2 + H218O... 式 6

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CO2 + 2 H218O → (CH2O) + 18O2 + H2O... 式 7 凡尼爾與魯賓等人的研究成果，可將綠色植物與藻類之光合作用反應式以式 1 表示，反應物中水分子的氧元素最後構成氧，二氧化碳的氧元素最後構成產物中的醣類與水，式1 即為中學與大學教科書中常用於描述光合作用反應的反應式。

參、光合作用中哪些反應可產生 6 莫耳的水分子？

光合作用中水分子的代謝情形，相較於氧原子的代謝路徑較為單純，先予解謎。以產生1 莫耳六碳糖(需 6 莫耳 CO2)的前提下，在光反應中，12 莫耳的水分子經水光解作用產生 6 莫耳的氧分子(式 8)。但教學的過程中，師生常常忽略光反應中產生 ATP 的過程也有水分子的代謝(脫水反應產生水分子，式 9、圖一)，故光反應中耗掉 12 莫耳的水分子(產生氧分子)，也產生了 18 莫耳的水分子(脫水反應形成 ATP)。 12H2O# + 12NADP+ → 12NADPH + 12H+ + 6O#2... 式 8 18ADP + 18 Pi → 18ATP + 18H2O... 式 9

O 腺嘌呤 CH2 HO P O O O OH P O O OH P O OH O 腺嘌呤 CH2 HO P O O O OH P O HO OH P O OH OH

H

₂

O

+

O 腺嘌呤 CH2 HO P O O O OH P O O OH P O OH O 腺嘌呤 CH2 O _腺嘌呤 CH2 HO P O O O OH P O O OH P O OH O 腺嘌呤 CH2 HO P O O O OH P O HO OH P O OH OH CHCH22 _OO _腺嘌呤_腺嘌呤 HO P O O O OH P O HO OH P O OH OH

H

₂

O

+

圖一 ADP 經脫水反應產生 ATP 示意圖，產生 ATP 時可產生水分子。

另一方面，經碳反應產生 1 莫耳葡萄糖的過程中，共消耗 18 莫耳 ATP、12 莫耳 NADPH 與 12 莫耳的水分子，其淨反應以式 10 表示。

6CO2 + 18ATP + 12 NADPH + 12H+ + 12H2O

→ C6H12O6 + 18Pi + 18ADP + 12NADP+... 式 10

由上述碳反應(式 10)與光反應中形成 ATP 的反應式(式 9)可得知，光反應形成 ATP 時產生 18 莫耳水分子，而碳反應需耗掉 12 莫耳水分子，故光反應與碳反應互相抵消後

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肆、二氧化碳的氧原子如何形成水分子與葡萄糖？

碳反應可分為四大步驟，即二氧化碳的固定、磷酸甘油醛的還原、二磷酸核酮糖 (ribulose-1,5-bisphosphate, RuBP)的再生、六碳糖的合成。以下討論此四大步驟中水分子與氧原子的代謝情形，為表達方便，以下將不同來源的氧原子用不同顏色與標記表示，而磷酸根以「Pi-OH」，二磷酸腺苷以「ADP-H」表示，三磷酸腺苷以「ADP-Pi」表示， ADP 經脫水反應產生 ATP 則表示成式 11。

ADP-H + Pi-OH → ADP-Pi(= ATP) + H2O... 式 11

若將二氧化碳的氧原子以同位素標定(下文以 CO* 2表示)，以追蹤氧原子在碳反應中的代謝路徑，可推知由於碳反應包含卡爾文循環，氧原子(O*_{)可重複循環而累積於碳反} 應的中間產物與最終產物，故可將碳反應區分為初期反應與後期反應，分別描述如下：

一、碳反應的初期反應

步驟一：二氧化碳的固定 6 莫耳的二氧化碳與 6 莫耳的二磷酸核酮糖結合成 12 莫耳的磷酸甘油酸 (3-phosphoglyceric acid, PGA)，需消耗 6 莫耳的水分子，這些水分子的氧原子(下表中以 O 標記 )形成半數磷酸甘油酸之羧基上的羥基，而二氧化碳的氧原子(下表中以 O*_{標記}_{)形成另外半數磷酸甘油酸的羧基。}

物質變化二氧化碳 + 二磷酸核酮糖 + 水 → 磷酸甘油酸反應式 6CO*

2 + 6C5H8O5-2Pi + 6H2O → 6C3H5O2O*2-Pi + 6C3H5O3O1-Pi

分子結構變化 O C C C C C O O H H OH H OH H H H CO* 2 + C O H H O* C O*_H C C C O O OH H H H OH H₂O C OH H Pi Pi Pi Pi + 二磷酸核酮糖磷酸甘油酸磷酸甘油酸 O C C C C C O O H H OH H OH H H H CO* 2 + C O H H O* C O*_H C C C O O OH H H H OH H₂O C OH H Pi Pi Pi Pi + O C C C C C O O H H OH H OH H H H CO* 2 + C O H H O* C O*_H C C C O O OH H H H OH H₂O C OH H Pi Pi Pi Pi + 二磷酸核酮糖磷酸甘油酸磷酸甘油酸

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步驟二：磷酸甘油醛的還原

磷酸甘油酸(PGA)還原成磷酸甘油醛 (3-phosphoglyceraldehyde, PGAL)時，需消耗 ATP 使磷酸甘油酸的羧基還原成醛基，而磷酸甘油酸之羧基上的羥基脫去的氧原子形成磷酸根的羥基，故原本來自水分子的氧原子(O)形成了半數磷酸根的羥基，原本來自二氧化碳的氧原子(O*_{)形成了半數磷酸根的羥基 (-O}*_{H)，與半數磷酸甘油醛的} 醛基(-CO*_H)。質變化磷酸甘油酸 + ATP + NADPH → 磷酸甘油醛反應式 6C3H5O2O *

2-Pi + 6C3H5O3O1-Pi + 12ADP-Pi + 12NADPH

→ 6C3H5O2O*1-Pi + 6C3H5O3-Pi + 12ADP-H + 6Pi-O*H + 6Pi-OH + 12NADP+

分子結構變化 C O H H O* C O*H C C C O O OH H H H OH C OH H Pi Pi + 2NADPH 2ATP 2NADP+

2ADP-H + Pi-O*_{H + Pi-}_O_H

C O H H O* C H C C C O O OH H H H H C OH H Pi Pi + 磷酸甘油酸磷酸甘油酸 _{磷酸甘油醛} _{磷酸甘油醛} C O H H O* C O*H C C C O O OH H H H OH C OH H Pi Pi + 2NADPH 2ATP 2NADP+

2ADP-H + Pi-O*_{H + Pi-}_O_H

C O H H O* C H C C C O O OH H H H H C OH H Pi Pi + C O H H O* C O*H C C C O O OH H H H OH C OH H Pi Pi + 2NADPH 2ATP 2NADP+

2ADP-H + Pi-O*_{H + Pi-}_O_H

C O H H O* C H C C C O O OH H H H H C OH H Pi Pi + 磷酸甘油酸磷酸甘油酸 _{磷酸甘油醛} _{磷酸甘油醛} 步驟三：二磷酸核酮糖的再生若只探討水的代謝與水分子中氧元素的路徑，在步驟三所產生的 12 莫耳磷酸甘油醛中，有 10 莫耳的磷酸甘油醛經消耗 4 莫耳水分子與 6 莫耳 ATP 後，生成二磷酸核酮糖(RuBP)，其中反應物水分子的氧原子(O)形成了磷酸根的羥基。若追蹤來自二氧化碳之氧元素的代謝路徑，碳反應前期參與二磷酸核酮糖再生的磷酸甘油醛，有一半的比例帶有來自二氧化碳之氧元素(O*_{)，而隨著卡爾文循環的重複累積，參與的} 磷酸甘油醛有越來越多比例帶有 O*_{，下表中以參與的磷酸甘油醛皆帶有一個} _O*_為例，結果再生而成的二磷酸核酮糖有三分之一帶有三個 O*_{，有三分之二帶有一個} O*_{，這些二磷酸核酮糖繼續參與卡爾文循環，可使後期的二磷酸核酮糖所帶的} _O* 越來越多，最後達飽和。物質變化磷酸甘油醛 + 水 + ATP → 二磷酸核酮糖反應式 10C3H5O2O * 1-Pi + 4H2O + 6ADP-Pi

(5)

分子結構變化 1. 探討水的代謝與水分子中氧元素的路徑 C C C O O OH H H H H Pi 5 X 2H₂O 3 X ATP ADP-H 2Pi-OH O C C C C C O O H H OH H OH H H H Pi Pi 磷酸甘油醛二磷酸核酮糖 C C C O O OH H H H H Pi 5 X 2H₂O 3 X ATP ADP-H 2Pi-OH O C C C C C O O H H OH H OH H H H Pi Pi C C C O O OH H H H H Pi 5 X 2H₂O 3 X ATP ADP-H 2Pi-OH O C C C C C O O H H OH H OH H H H Pi Pi 磷酸甘油醛二磷酸核酮糖 2. 探討來自二氧化碳之氧元素的代謝路徑 5CHO*_-CH

2O-CH2-O-PH2O3(PGAL) 2CH3O*-CO-CH2-O-PH2O3(DHAP)

PH2O3-O-CH2-CO-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(FBP)

CHO*_-CH

2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(E4P) CH3O-CO-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Xu5P)

CH3O-CO-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(F6P)

PH2O3-O-CH2-CO-CH2O*-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(SBP)

CH3O-CO-CH2O*-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(S7P)

CHO*-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(R5P) CH3O-CO-CHO*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Xu5P)

CH3O*-CO*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Ru5P) 2CH3O-CO-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Ru5P)

2PH2O3-O-CH2-CO-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Ru

PH2O3-O*-CH2-CO-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(RuBP)

5CHO*_-CH

2O-CH2-O-PH2O3(PGAL) 2CH3O*-CO-CH2-O-PH2O3(DHAP)

PH2O3-O-CH2-CO-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(FBP)

CHO*_-CH

2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(E4P) CH3O-CO-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Xu5P)

CH3O-CO-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(F6P)

PH2O3-O-CH2-CO-CH2O*-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(SBP)

CH3O-CO-CH2O*-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(S7P)

CHO*-CH2O*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(R5P) CH3O-CO-CHO*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Xu5P)

CH3O*-CO*-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Ru5P) 2CH3O-CO-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Ru5P)

2PH2O3-O-CH2-CO-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(Ru

PH2O3-O*-CH2-CO-CH2O*-CH2O-CH2-O-PH2O3(RuBP)

註：上圖中各分子縮寫之全名與中文名如下： PGAL(3-phosphglyceraldehyde，3-磷酸甘油酸)、DHAP(dihydroxyacetone phosphate，二羥丙酮磷酸)、FBP(fructose-1,6-bisphosphate，果糖-1,6-雙磷酸)、F6P(fructose 6-phosphate，果糖-6-磷酸)、E4P(erythrose-4-phosphate，赤鮮糖-4-磷酸)、Xu5P (xylulose-5-phosphate，木酮糖-5-磷酸)、SBP(sedoheptulose 1,7-bisphosphate，景天庚酮糖-1,7-二磷酸 )、 S7P(sedoheptulose 7-phosphate，景天庚酮糖 -7-磷酸 )、 R5P (ribose-5-phosphate，核糖-5-磷酸)、Ru5P(Ribulose-5-phosphate，核酮糖-5-磷酸)、 RuBP(ribulose-1,5-bisphosphate，核酮糖-1,5-二磷酸)

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步驟四：六碳糖的合成

上述步驟二所產生的 12 莫耳磷酸甘油醛中，有 2 莫耳經消耗水分子形成六碳糖，其中水分子的氧原子形成了磷酸根的羥基。

物質變化磷酸甘油醛 + 水 → 葡萄糖

反應式 2C3H5O3-Pi + 2H2O→ C6H12O6 + 2Pi-OH(高比例 )

C3H5O3-Pi + C3H5O2O*1-Pi + 2H2O→ C6H12O5O*1 + 2Pi-OH(低比例 )

分子結構變化 C C C O O OH H H H H Pi 2 X C C C C OH H OH H OH H H 2H2O + 2 XHO Pi C OH H H O C OH H 磷酸甘油醛葡萄糖 C C C O O OH H H H H Pi 2 X C C C C OH H OH H OH H H 2H2O + 2 XHO Pi C OH H H O C OH H C C C O O OH H H H H Pi 2 X C C C C OH H OH H OH H H 2H2O + 2 XHO Pi C OH H H O C OH H 磷酸甘油醛葡萄糖

二、碳反應的後期反應

經許多次的卡爾文循環後，後期用於固定二氧化碳的二磷酸核酮糖皆來自前文步驟三─二磷酸核酮糖的再生(示意圖請見圖二)，這些二磷酸核酮糖的氧原子(O*_{)皆來自二氧} 化碳CO* 2。步驟一：二氧化碳的固定二磷酸核酮糖經二氧化碳固定反應，所產生的磷酸甘油酸中，有半數分子內羧基上的羥基來自水分子(氧原子以 O 標記 )，而全數磷酸甘油酸的其他氧原子來自二氧化碳(以 O*_{標記)。} 物質變化二氧化碳 + 二磷酸核酮糖 + 水 → 磷酸甘油酸反應式 6CO*

2 + 6C5H8O*5-2Pi + 6H2O → 6C3H5O*4-Pi + 6C3H5O*3O1-Pi

分子結構變化 O* C C C C C O* O* H H O*_H H O*_H H H H CO* 2 + C O* H H O* C O*_H C C C O* O* O*_H H H H OH H2O C O*_H H Pi Pi Pi Pi + 二磷酸核酮糖磷酸甘油酸磷酸甘油酸 O* C C C C C O* O* H H O*_H H O*_H H H H CO* 2 + C O* H H O* C O*_H C C C O* O* O*_H H H H OH H2O C O*_H H Pi Pi Pi Pi + O* C C C C C O* O* H H O*_H H O*_H H H H CO* 2 + C O* H H O* C O*_H C C C O* O* O*_H H H H OH H2O C O*_H H Pi Pi Pi Pi + 二磷酸核酮糖磷酸甘油酸磷酸甘油酸

(7)

CO*_-CO-CO _CO-CO-CO CO-CO-CO CO-CO-CO CO-CO*_-C_O*_-CO-CO CO-CO-CO-CO-CO CO*_-CO-CO CO*_-CO-CO CO-CO-CO*_-CO-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-CO-CO CO-CO-CO*_-CO-CO CO-CO-CO*_-CO-CO CO-CO*_-C_O*_-CO-CO CO*_-CO-CO CO-CO-CO CO*_-C_O*_-CO _CO-CO-CO CO-CO-CO CO*_-CO-CO CO*_-CO-CO CO *_-CO-CO CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* CO-CO*_-C_O*_-CO-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-CO-CO CO-CO*_-C_O*_-CO-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-CO _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO-CO-CO-CO-CO CO-CO-CO-CO-CO CO-CO-CO-CO-CO CO* 2 C₆H₁₂O₆ CO* 2 C6H12O6、C6H12O*6 CO* 2 CO*_-C_O*_-CO CO*-CO-CO CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* C₆H₁₂O_6、C₆H₁₂O* 6 CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-CO _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO* 2 CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* C₆H₁₂O* 6、C6H12O6、 CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO* 2 CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* _C_O_*_-C_O_*_-CC_OO_* *_-C_O*_-C_O* C₆H₁₂O* 6 CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO-CO-CO-CO-CO CO-CO-CO-CO-CO CO*_-CO-CO _CO-CO-CO CO-CO-CO CO-CO-CO CO-CO*_-C_O*_-CO-CO CO-CO-CO-CO-CO CO*_-CO-CO CO*_-CO-CO CO-CO-CO*_-CO-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-CO-CO CO-CO-CO*_-CO-CO CO-CO-CO*_-CO-CO CO-CO*_-C_O*_-CO-CO CO*_-CO-CO CO-CO-CO CO*_-C_O*_-CO _CO-CO-CO CO-CO-CO CO*_-CO-CO CO*_-CO-CO CO *_-CO-CO CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* CO-CO*_-C_O*_-CO-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-CO-CO CO-CO*_-C_O*_-CO-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-CO _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO-CO-CO-CO-CO CO-CO-CO-CO-CO CO-CO-CO-CO-CO CO* 2 CO* 2 C₆H₁₂O₆ C₆H₁₂O₆ CO* 2 CO* 2 C6H12O6、C6H12O*6 C6H12O6、C6H12O*6 CO* 2 CO* 2 CO*_-C_O*_-CO CO*-CO-CO CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* C₆H₁₂O_6、C₆H₁₂O* 6 C₆H₁₂O_6、C₆H₁₂O* 6 CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-CO _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO* 2 CO* 2 CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-CO CO*_-C_O*_-C_O* C₆H₁₂O* 6、C6H12O6、 C₆H₁₂O* 6、C6H12O6、 CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO* 2 CO* 2 CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O* _C_O_*_-C_O_*_-CC_OO_* *_-C_O*_-C_O* C₆H₁₂O* 6 C₆H₁₂O* 6 CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* _C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO*_-C_O*_-C_O*_-C_O*_-C_O* CO-CO-CO-CO-CO CO-CO-CO-CO-CO 圖二、經多次二磷酸核酮糖再生步驟，使得卡爾文循環成員與產物所含的氧原子最後皆來自二氧化碳。圖中 CO-CO-CO 代表磷酸甘油醛 (PGAL)，CO-CO-CO-CO-CO 代表二磷酸核酮糖(RuBP)。步驟二：磷酸甘油醛的還原反應過程與初期類似，但後期參與的反應物－磷酸甘油酸，所帶的氧原子(O*_{)皆來} 自二氧化碳，故在後期所產生磷酸甘油醛，所含有的氧原子(O*_{)皆來自二氧化碳。} 物質變化磷酸甘油酸 + ATP + NADPH → 磷酸甘油醛反應式 6C3H5O *

4-Pi + 6C3H5O*3O1-Pi + 12ADP-Pi + 12NADPH → 12C3H5O*3-Pi + 12ADP-H + 6Pi-O*H + 6Pi-OH + 12NADP+

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分子結構變化 C O* H H O* C O*_H C C C O* O* O*_H H H H OH C O*_H H Pi Pi + 2NADPH 2ATP 2NADP+

2ADP-H + Pi-O*_{H + Pi-}_O_H

C O* H H O* C H C O*_H H Pi 2 X 磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油醛 C O* H H O* C O*_H C C C O* O* O*_H H H H OH C O*_H H Pi Pi + 2NADPH 2ATP 2NADP+

2ADP-H + Pi-O*_{H + Pi-}_O_H

C O* H H O* C H C O*_H H Pi 2 X C O* H H O* C O*_H C C C O* O* O*_H H H H OH C O*_H H Pi Pi + 2NADPH 2ATP 2NADP+

2ADP-H + Pi-O*_{H + Pi-}_O_H

C O* H H O* C H C O*_H H Pi 2 X 磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸甘油醛步驟三：二磷酸核酮糖的再生碳反應後期於步驟二所生成的磷酸甘油醛，其分子所含的氧原子(O*_{)皆來自二氧化} 碳，這些磷酸甘油醛參與了二磷酸核酮糖的再生，使得後期的二磷酸核酮糖皆含有自二氧化碳之氧元素(O*_)。物質變化磷酸甘油醛 + 水 + ATP → 二磷酸核酮糖

反應式 10C3H5O*3-Pi + 4H2O + 6ADP-Pi → 6C5H8O*5-2Pi + 4Pi-OH + 6ADP-H

分子結構變化

C

O

*

O

*

O

*

_H

H

Pi

5 X

2H

₂

O

3 X

ATP

ADP-H

2Pi-

O

H

O

*

C

O

*

O

*

H

O

*

_H

H

O

*

_H

H

Pi

磷酸甘油醛

二磷酸核酮糖

C

O

*

O

*

O

*

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H

Pi

5 X

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₂

O

3 X

ATP

ADP-H

2Pi-

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*

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*

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*

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*

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*

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C

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*

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*

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*

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Pi

5 X

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₂

O

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ATP

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2Pi-

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*

C

O

*

O

*

H

O

*

_H

H

O

*

_H

H

Pi

磷酸甘油醛

二磷酸核酮糖

步驟四：六碳糖的合成如上所述，後期碳反應中，磷酸甘油醛上所有氧原子(O*_{)皆來自二氧化碳，故其中 2} 莫耳磷酸甘油醛經消耗水分子形成六碳糖，其中水分子的氧原子形成了磷酸根的羥基，而六碳糖中所有氧原子(O*_{)皆來自二氧化碳。}

(9)

物質變化磷酸甘油醛 + 水 → 葡萄糖反應式 2C3H5O*1-Pi + 2H2O→ C6H12O*6 + 2Pi-OH

分子結構變化 C C C O* O* O*_H H H H H Pi 2 X C C C C O*_H H O*_H H O*_H H H 2H₂O + 2 X HO Pi C O*_H H H O* C O*_H H 磷酸甘油醛葡萄糖 C C C O* O* O*_H H H H H Pi 2 X C C C C O*_H H O*_H H O*_H H H 2H₂O + 2 X HO Pi C O*_H H H O* C O*_H H C C C O* O* O*_H H H H H Pi 2 X C C C C O*_H H O*_H H O*_H H H 2H₂O + 2 X HO Pi C O*_H H H O* C O*_H H 磷酸甘油醛葡萄糖將上述後期碳反應中CO* 2與 H2O 的代謝過程整理如下：步驟一：6CO*

2 + 6C5H8O*5-2Pi + 6H2O → 6C3H5O*4-Pi + 6C3H5O*3O1-Pi 步驟二：6C3H5O*4-Pi + 6C3H5O*3O1-Pi + 12ADP-Pi + 12NADPH

→ 12C3H5O*3-Pi + 12ADP-H + 6Pi-O*H + 6Pi-OH + 12NADP+

步驟三：10C3H5O*3-Pi + 4H2O + 6ADP-Pi → 6C5H8O*5-2Pi + 4Pi-OH + 6ADP-H 步驟四：2C3H5O*1-Pi + 2H2O → C6H12O*6 + 2Pi-OH

將上述後期反應的四個步驟整合成下列碳反應反應式(式 12)，碳反應產生的 18 莫耳的磷酸根中，有 6 莫耳的磷酸根內之羥基的氧原子來自 CO*

2，若將碳反應產生的 18 莫耳的磷酸根(6Pi-O*_{H + 12Pi-OH)進入光反應產生 ATP(式 13)，可產生 18 莫耳水分子} (6H2O* + 12H2O)，其中 6 莫耳水分子帶有同位素標定的氧原子(O*)，而碳反應耗掉的 12 莫耳水分子(12H2O)，與光反應產生的 12 莫耳無放射性標定的水分子(12H2O)可抵消，可淨產生 6 莫耳具有同位素標定的水分子(6H2O*)(圖三)，若再與光反應中水光解與形成還原態輔酶的反應(式 14)整合，即可得到教科書中常見的光合作用簡式(式 1)。碳反應：6CO* 2 + 18ATP + 12 NADPH + 12H+ +12H2O

→ C6H12O*6 + 6Pi-O*H + 12Pi-OH + 18ADP-H +12 NADP+... 式 12 光反應1：18ADP-H + 6Pi-O*_{H + 12Pi-OH → 18ATP + 6 H}

2O* + 12H2O... 式 13 光反應2：12H2O# + 12NADP+ → 12NADPH + 12H+ + 6O#2... 式 14

(10)

圖三、碳反應與光反應消耗與產生水分子及氧原子代謝路徑示意圖。光反應產生的 12 莫耳無放射性標定的水分子(H2O)可與碳反應消耗的水分子抵消，淨得 6 莫耳具放射性標定的水分子(H2O*，O*來自二氧化碳)。綜上所論，光合作用反應式中所產生的 6 莫耳水，是來自光反應形成 ATP 的過程，但其原料是來自碳反應中所產生的磷酸根，且這些磷酸根中帶有來自二氧化碳的氧原子。這也就是為什麼若將二氧化碳的氧原子以同位素標定，最後可以偵測到含同位素氧原子的水分子。當然，碳反應所產生的磷酸根不一定立即用於光反應，但經過一段時間的反應，即可追蹤二氧化碳的氧原子形成水分子，且由反應過程中的前後化約，去除其他水分子(不具同位素)的生成與消耗，即可得知此 6 莫耳含同位素氧原子之水分子”謎樣的來源”。

備註:

註一：西方社會博物學家(Western Society of Naturalists)年會(in Pacific Grove, 1929) 註二：van Neil, C. B. 1931. On the morphology and physiology of the purple and green

sulfur bacteria. Arch. Mikrobiol. 3: 1-112.

註三：Ruben, S., Randall, M., Kamen, M. and Hyde, J. L. 1941. Heavy oxygen (18_{O) as a} tracer in the study of photosynthesis. J. Am. Chem. Soc. 63: 877-879.

參考資料

Pfennig, N., van Niel remembered. ASM News. 53(2): 75-77, 1987

Barker, H. A. and Hungate, R. E., "Cornelis Bernardus van Niel, 1897-1985 : a biographical memoir". In National Academy of Sciences (ed.). Biographical Memoirs 59, p.388-p.423, Washington, D.C., National Academy Press, 1990.

Lodish, H. et al., Molecular Cell Biology, 4th edition. New York, W. H. Freeman, 2000. 網頁資料：

The Calvin Cycle-The Light-Independent Reactions of Photosynthesis. Retrieved November 25, 2014, from http://gardenandplate.com/calvin.html. 碳反應 18ADP 12NADP+ 6 X HO* _Pi 12 X HO Pi C₆H₁₂O* 6 6CO* 2 18ATP 12NADPH 12H₂O 6H₂O* ₆_O# 2 18ATP 12NADPH 12H2O 12H₂O# 光反應碳反應 18ADP 12NADP+ 6 X HO* _Pi 6 X HO* _Pi 12 X HO Pi 12 X HO Pi C₆H₁₂O* 6 6CO* 2 18ATP 12NADPH 12H₂O 6H₂O* ₆_O# 2 18ATP 12NADPH 12H2O 12H₂O# 光反應

水與氧的奇幻旅程(上)--水來自何方？水分子與氧原子在光合作用中的代謝情形