A Hill -reakciót vagy a kloroplasztisz-reakciót Robert Hill biokémikus fedezte fel 1937-ben, a Cambridge -i Egyetemről . A reakció az elektronok fénytől függő átvitele a vízből a Hill-reagensbe (mesterséges oxidálószer) kémiai potenciálgradiens ellenében . A laboratóriumi gyakorlatban ez a reakció a kloroplasztiszok fotokémiai aktivitásának meghatározására szolgál a víz fotooxidációja következtében. A Hill-reakció kimutatta, hogy az oxigén képződése és a cukrok szén-dioxidból történő szintézise két különböző, egymástól független folyamat. Ezek a Hill által szolgáltatott adatok képezték a fotoszintézis modern felfogásának alapját .
Egyszerűsített formában a Hill-reakciót a következő egyenlet írja le:
2H 2 O + 2A + (kloroplasztok) → 2AH 2 + O 2ahol A egy elektronakceptor.
A reakciót Robert Hill fedezte fel 1937-ben. Megállapította, hogy az izolált kloroplasztiszok oxigént bocsáthatnak ki, ha megfelelő elektronakceptor , például ferricianid jelenlétében napfénnyel megvilágítják őket . Ennek a reakciónak a demonstrálására diklór-fenolindofenolt (DCPIP) használtak a laboratóriumban terminális elektronakceptorként a NADP helyettesítésére, amely a kloroplasztiszoknak a sejtkörnyezetből való eltávolítása miatt nem volt elérhető. A ferrocianid redukálódik (mint a NADP természetes körülmények között), és a víz oxigénné és protonokká oxidálódik. Ezzel a technikával a reakció megfigyelésére Hill számos fontos tényt állapított meg a fotoszintézisről. A Hill-reakció bizonyítja, hogy az oxigén képződése és a cukrok szén-dioxidból történő szintézise két különböző folyamat, és az oxigén felszabadulása csak egy a sok fotoszintézis folyamat közül.
A Hill-reakció azt jelenti, hogy a fotoszintézis fényreakciói egy sor redoxreakció eredménye, és szükség van egy terminális elektronakceptor jelenlétére. Általában ilyen akceptor a NADP , amely fontos szerepet játszik a víz oxidációjában. A Hill-reakció azt is mutatja, hogy a természetes akceptor helyettesíthető mesterséges elektronakceptorral, például DCPIP-pel. A laboratóriumban a természetes akceptor mesterséges akceptorral való helyettesítésének technikáját használják a kloroplasztiszok foszforilációjának szintjének mérésére, és annak intenzitásának összehasonlítására az oxigénfelszabadulás sebességével.
A vízfelhasadás során nyert elektronok a II. fotorendszerbe jutnak , ahol fényenergiát nyelnek el, majd belépnek a fotoszintézis elektrontranszportrendszerébe (ETS). Ezeket a nagy energiájú elektronokat a NADP csökkentésére használják. Így a napenergia a NADP NADPH-ra redukálásával kémiai energiává alakul [1] .
A fotoszintézis az a folyamat, amelynek során a fényenergia elnyelődik és kémiai energiává alakul . A kémiai energiát végső soron a szén-dioxid cukrokká alakítására használják fel. A fotoszintézis során a természetes elektronakceptor, a NADP NADPH-vá redukálódik a kloroplasztisz stromában [2] . Általában a következő egyensúlyi reakciók mennek végbe a kloroplasztiszban .
Redukciós reakció, amely energiát tárol NADPH-ban:
NADP + + 2H + + 2e - → NADPH + H + (helyreállítás)
A NADPH, mint energia- és elektronforrás oxidációs reakciói:
NADP + + 2H + + 2e - ← NADPH + H + (oxidáció)
Robert Hill (1937) a fotoszintézis redox reakcióit tanulmányozta mesterséges elektronakceptorok segítségével. A redukciós reakciót izolált élő kloroplasztiszokban tanulmányozta CO 2 és fény hiányában. A CO 2 hiányában fénnyel besugárzott kloroplasztiszok megfigyelései során a mesterséges elektronakceptort először redukálták, majd oxidálták, lezárva a ciklust és lehetővé téve a folyamat folytatását. Melléktermékként oxigén szabadult fel, de cukrok nem keletkeztek. Másrészt a sötétben CO 2 hiányában elhelyezett kloroplasztiszok teljesen oxidálták a mesterséges elektronakceptort, aminek következtében nem szabadult fel oxigén és nem szintetizálódott a cukor. Ezek a megfigyelések lehetővé tették Hill számára, hogy arra a következtetésre jutott, hogy oxigén csak a fotoszintézis fényreakciói során szabadul fel (Hill-reakciók) [3] . Eredményeiből Hill arra a következtetésre jutott, hogy a fotoszintézis során az oxigén forrása a víz (H 2 O), és nem a szén-dioxid, ahogy korábban gondolták. Eredményei azt is kimutatták, hogy a fényredox reakció a fotoszintézis első reakciója.
A Hill-reakció további kutatásait 1957-től Daniel I. Arnon amerikai növényfiziológus végezte . Arnon a Hill-reakciót a természetes elektronakceptor NADP segítségével tanulmányozta. Ez az akceptor gátolta az ATP , NADPH és H + képződését , amelyeket sötét reakciókban használnak. Arnon kimutatta, hogy az aktív kloroplasztiszok fényben CO 2 hiányában oxigént szabadítanak fel, de cukrot nem szintetizálnak. Ezután a sötét fázist úgy mutatta be, hogy a kloroplasztiszokat sötétben, többlet szén-dioxid körülményei között figyelte meg. Megállapította, hogy a szénmegkötés a fotoszintézis fényfázisától függ. Arnon hatékonyan tudta elkülöníteni a fényreakciókat, amelyek során ATP, NADPH, H + és oxigén szintetizálódott, a sötét reakcióktól, amelyek során cukor szintetizálódott. Arra a következtetésre jutott, hogy a fotoszintézisnek ez az utolsó része nem igényli a fény jelenlétét.