光合作用究竟有沒有產生水？

Van-Carl S. originally published on October 24, 2012.

　　從很久以前，約莫國中的時候吧，我們都看過一個方程式：「二氧化碳＋水→葡萄糖＋氧＋水」，或許我們從沒想過為什麼，或許想了一陣子便放棄了，又抑或到了高中以為知識更上一層，想再次思考的時候卻百思不得其解，這個問題問過老師、同學，卻沒有人能說出答案，若不是支吾其詞、語焉不詳，就是用「不會考」、「太難」等理由敷衍搪塞，難道沒有人知道答案嗎？還是說課本寫錯了？直到對生物化學略有認識，才找到答案。

H₂O + CO₂ → C₆H₁₂O₆ + O₂ + H₂O …………… 使人困擾的方程式

 

圖一：電子傳遞鏈中看不到水的產生。合成ATP產生水算不算？將在文中討論。 (Wikipedia)

 

 

圖二：Calvin cycle 看不到水的產生。 (Campbell Biology 6th edition)

 

 

圖三：Calvin cycle；此圖可看出1,3-BPGA轉為G3P的過程中一個氧原子移到磷酸根後離開。 (Wikipedia)

 

　　光合作用的水從哪裡來的？我們先從光合作用談起，光合作用是由光反應以及碳反應（舊稱暗反應）所組成，所謂碳反應粗略而言即Clavin cycle（雖然碳反應也可能有C4 pathway參與，但為求說明能夠簡單，而且C4 pathway和是否產生水無關，因此這裡僅以C3 pathway概括），大部分普通生物學書籍的Clavin cycle示意圖（例如圖二，Campbell Biology 6th edition的圖）都沒有寫出水從哪裡產生、什麼時候產生出來；另一方面－－光反應的電子傳遞鏈（圖一），無論是循環式電子傳遞鏈或是非循環式電子傳遞鏈都不會有水的產生，那水究竟從哪裡來的呢？

　　姑且讓我先公佈答案吧：答案就是為了平衡方程式而已。且慢！這不是騙國中生等級的回答嗎？先別著急，讓我們慢慢看下去。

有疑問的方程式： 6 CO₂ + 12 H₂O → C6H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

　　方程式左邊有六個CO₂的原因是為了要有「六個碳」可以合成「一個葡萄糖」。額外需要注意的是：此舉假設葡萄糖的六個碳都來自CO₂，然而實際上用於合成一分子葡萄糖的碳並非全部來自CO₂，也就是說，如果恰好只有六個CO₂進入Clavin cycle，產生的兩個離開Clavin cycle的Glyceraldehyde 3-phosphate（簡稱G3P或PGAL或GAP；或稱為triose phosphate，簡稱為TP；三碳化合物，其中有一個碳來自CO₂）都用來進行糖質新生（gluconeogenesis，大陸譯為葡糖異生）之後，所合成的一分子葡萄糖中只有兩個碳來自進入循環的CO₂，其餘四個碳來自生物體內原本就存在的有機化合物（含碳化合物）。

　　同時，一分子的水在釋氧複合物（oxygen-evolving complex）進行光解可以產生兩個電子（進入電子傳遞鏈）和兩個質子（H⁺），然後這兩個電子在電子傳遞鏈（僅考慮非循環電子傳遞鏈）傳遞後可以合成一分子的NADPH+H⁺；由於利用Clavin cycle固定六個CO₂需消耗十二個NADPH+H⁺，因此需利用「十二個H₂O」進行光解才能提供十二個NADPH+H⁺。此外，Clavin cycle消耗的ATP也大約等於電子傳遞鏈所能夠產生的ATP數目，然而由於電子傳遞鏈之複雜以及質子的電化學梯度（與合成ATP相關）難以估算，在此不詳列概估計算。

　　反應的產物中，一分子的C₆H₁₂O₆上文提過，來自離開Clavin cycle的兩個G3P，六分子O₂則來自於十二分子H₂O光解，然而－－本文的重點－－六分子H₂O並沒有產生出來（詳細理由屬於生物化學層級，實在很難用言語描述，需要探討分子如何斷裂、重組，以及每個進入的碳、氧原子的位置），簡言之（省略很多過程跟詳細內容而言），每個CO₂進入Clavin cycle只會得到一個帶有CO₂原子的3-Phosphoglycerate（簡稱為3-PGA）（圖四，概略的過程如下：「CO₂（二碳分子）」接到「RuBP（五碳分子）」上，然後斷裂成兩個「3-PGA（三碳分子）」，其中一個3-PGA分子內含有整個CO₂，CO₂成為3-PGA上的酸根COO^－），之後3-PGA轉為1,3-Bisphosphoglycerate（簡稱為1,3-BPGA），然後1,3-BPGA再轉為G3P，轉為G3P的過程中CO₂的其中一個氧原子成為磷酸根（PO₄^3－）的其中一個氧原子，離開了1,3-BPGA（圖三），在此同時2NADPH+2H⁺變成2NADP⁺+2H⁺（有兩個氫原子接到原本的1,3-BPGA上，所以此方程式左右氫的數目看起來不平衡），最後為了要平衡方程式，我們將2NADP⁺+2H⁺的兩個氫原子和移動到磷酸根上的一個氧原子組合起來形成了一分子的H₂O，其實不組合起來是比較合理的，然而此公式通常出現於國中程度的課程，若不這麼做，國中學生的程度通常無法理解。

 

圖四：Calvin cycle的第一步，CO₂進入Clavin cycle。 (Wikipedia)

 

　　以下給出考慮原子移動和比較嚴謹（但還是很不嚴謹）的公式：

6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 12 H_{(不知道在哪)} + 6 O_{(在磷酸根上)}

　　其中，假定只有恰好六個CO₂且全部用於Clavin cycle，十二個H₂O全部光解；即使盡量使CO₂的C加到C₆H₁₂O₆中，但C₆H₁₂O₆最多只會有兩個C來自CO₂（其他C來自RuBP），最多只有兩個O來自CO₂；六個O₂則完全由H₂O光解產生（因此O₂的O完全由H₂O的O提供）；H₂O光解產生二十四個H⁺，最後不知道傳到哪去，為方便起見我們假設其中十二個H⁺由十二個NADP⁺接收成為十二個NADPH，剩餘的十二個H⁺和剛剛的十二個NADPH形成十二組NADPH+H⁺，這十二組NADPH+H⁺再提供給Clavin cycle利用（但實際上恐怕沒這麼簡單，NADPH+H⁺是在葉綠體基質形成，H₂O光解卻是在類囊體腔），最後六個O跑到了六個PO₄^3－上，這六個磷酸根上的O和十二組NADPH+H⁺在Calvin cycle使用後剩餘十二個H⁺，利用「ADP生成ATP時消耗一分子磷酸根且產生一分子水」的這個中間關係式（注意這個反應不是光合作用過程中必須的），可以寫成六個H₂O。至此，謎底揭曉。

　　於是，如果問「光合作用究竟有沒有產生水？」我認為答案應該是「沒有」，但光合作用的結果（產物）卻可以進一步產生水，而且產生水會使得光反應和碳反應中的分子數量較平衡，所以若將光合作用的光反應與碳反應視為一獨立系統（因此光反應與碳反應必須自行達到消耗與生成ATP之平衡），產生的六個磷酸根勢必要回頭去參予光反應中的ATP形成過程，這個過程必定會使這六個磷酸根生成六個水。在介紹光合作用給初學者時，通常我們為了表示出六個CO₂需要十二個H₂O光解才能有足夠的NADPH+H⁺進行Clavin cycle，所以並不會把方程式左右邊各減掉六分子H₂O；又為了維持方程式中原子數量平衡以及學生的理解，才把產生出的氫、氧原子組合起來成為六分子的水。

 

表一：從CO₂進入Calvin cycle到合成Glucose之詳細步驟。 (Van-Carl S.)

 

　　以下嘗試分析一些在網路可以看到而且看似合理的錯誤答案，並解釋其理由：

光合作用究竟有沒有產生水？頗精確，而使普通人已可接受且最接近正確的說法：

光合作用過程中確實有產生水的反應，但不是在暗反應階段，而是在光反應，光合磷酸化的過程中產生水。
暗反應階段確實沒有生成水的步驟。暗反應階段的總反應式是（省略反應條件）：

6CO₂ + 18ATP + 12H₂O + 12NADPH + 12H⁺ →
C6H12O6 + 18ADP + 18P_i + 12NADP⁺

從反應式中可以看出：暗反應階段不但不產生水，反而消耗了12分子水。
我們知道光反應階段有水的光解，於是大家就以為光反應只是消耗水而沒有水的生成，這其實是一個錯誤的觀念。光反應階段的總反應式可寫成（省略反應條件）：

12H₂O + 12NADP⁺ + 18ADP + 18P_i →
6O₂ + 12NADPH + 12H⁺ + 18ATP + 18H₂O

從中可以看出，光反應每消耗12分子水，就可以生成18分子ATP，同時也生成了18分子水，把產生的水與消耗的水一抵消，淨生成6分子水。

蒸水滔滔 〈光合作用的暗反應階段能產生水嗎？〉 (2011/04/21)
《蒸水滔滔的網易博客》 http://wkl62.blog.163.com/blog/

　　從上文看來，整個化學反應方程式很合理，原子數目也平衡，那錯在哪呢？首先，碳反應會消耗十八個ATP和十二個NADPH這件事情是確定的（而且反應機制也已明瞭），消耗十八個ATP則發生在Calvin cycle，但Calvin cycle只消耗六個H₂O，若研究Calvin cycle的每一步是否有水分子的消耗及產生，可見每一個CO₂進入循環時，在RuBP變成兩個3-PGA的過程，需要消耗一個H₂O，六個CO₂進入共需消耗六個H₂O，再加上糖質新生與回收RuBP消耗的六個H₂O，總共消耗十二個H₂O，反應式至此皆正確（反應較詳細的過程列在表一）；然後，光反應式中有十二個H₂O進行光解，而利用了十二個NADP⁺合成十二個NADPH+H⁺也正確，但式中十八個ATP的合成卻是為了平衡而憑空創造的。為什麼這樣說呢？因為該作者在式中的十八個ATP合成是為了讓碳反應能夠使用十八個ATP，達到ATP數量平衡，在這加入「十八個ATP合成」的結果中，剛好可以寫出十八個水產生，所以作者寫十八個ATP只是為了讓ATP消耗與產生之間平衡。但事實卻不是如此，我們在今日已了解光反應的ATP生成乃利用H⁺電化學梯度差異，使H⁺通過ATP合成酶（ATP synthase）進行化學滲透（chemiosmosis）所製造出來的，然而對於每分子水光解可以產生多少ATP卻仍說不準（原因來自於ATP是由間接創造的H⁺電化學梯度而產生），其實光反應與碳反應兩者不一定要讓ATP以及NADPH的產生與消耗保持平衡，雖然它們是兩組緊密相依的反應，但是在細胞中卻沒有簡單描述的方法，需要考慮的因素很多（例如：將進行合成所需的原料跨過膜的運送需不需要消耗能量？合成NADPH時消耗基質的一個H⁺會不會影響電化學梯度？），上文說過，概略估算光反應合成的ATP數量，大概約等於碳反應消耗的數量，但並不能武斷的說細胞必定會合成與消耗相當量的ATP，因為光反應和碳反應不是完全偶聯的。所引用的這篇文章之推理方法和本文一開始列的方程式一樣，都是用部分已知的事實，添加上不確定的內容（本文開頭方程式的想法是水自然而然就生成了，而這篇文章又在此基礎上將ATP形成、消耗代入此模式，進而帶出水的消耗與生成），然後使反應前後的原子數目達到平衡；但是有件事－－也是最重要的事－－我們大概在剛接觸化學的時候，就已知道反應方程式不是左右邊原子數目平衡就是對的，同樣道理，我們不能把到處轉移的O原子和H原子私自說成是水的消耗與生成，就算帶著一個氧原子離開的磷酸根（上文提過）很可能和一個ADP反應產生ATP和H₂O，以達到各項分子數目之平衡，就算消失的氫原子數目和氧原子數目就是二比一，但就科學的態度而言，我們並不能假定這必定發生。總而言之，為方便行事我們大可假定最後生成了水，但是事實上也有可能不生成水；磷酸根持續離開，或許有人會認為這樣子ADP會累積、ATP會不足，但我們根本無法知道ADP和ATP的交換過程是否有其他反應參予（例如可能由有氧呼吸提供部分ATP）。我的觀點是：既然沒有一定要產生水，也沒有哪一步的反應機構明確指出確實有水的淨生成，那就不能說「會生成水」，因為在今日人們還無法完全證實光反應所生成的ATP完全足夠讓光合作用自給自足，若要說產生水，那麼是幾個水？我們回答不出來（因為對化學滲透淨合成ATP數量的不確定）。

光合作用究竟有沒有產生水？錯誤的說法：

　　光合作用的總反應一般寫成下式：

CO₂ + H₂O → (CH₂O) + O₂

(CH₂O)代表糖中的一個碳。從這個總反應式來看，光合作用中只有水的分解，即由水產生O₂，沒有水的合成。
　　但是根據用氧的重同位素18O所做的實驗，光合作用中所釋放出來的O₂完全是來自於H₂O中，所以光合作用的總反應式應該寫成這樣：

CO₂ + 2H₂O^* → (CH₂O) + O^*₂ + H₂O

這說明，光合作用過程中，一方面有水的分解，產生分子態氧，另一方面又有水的生成，即H₂O^*中的H與CO₂中的O形成了新的水分子。
　　按照我們現在對於光合作用機理的認識，這是很容易理解的。光合作用可分為光反應與暗反應兩大部分。光反應可以概括為H₂O在光下分解，產生O₂，並形成NADPH與ATP，如下式所示：

2H₂O + 2ADP + 2P_i + 2NADP⁺ → O₂ + 2ATP + 2NADPH + 2H⁺ ……………… (1)

這一反應稱為非環式光合磷酸化作用，他把H₂O氧化為O₂，同時產生ATP和NADPH，由於每還原1分子CO₂需要3分子ATP，所以可能還有一種環式光合磷酸化參加反應：

ADP + P_i → ATP ………………………… (2)

CO₂的還原是通過卡爾文循環進行的，其總反應為：

CO₂ + 3ATP + 2NADPH + 2H⁺ → (CH₂O) + 3ADP + 3P_i + 2NADP⁺ + H₂O …… (3)

顯然，這一反應產生H₂O，但將(1)、(2)、(3)相加，則得到：

CO₂ + H₂O → (CH₂O) + O₂

可見在光合作用的局部反應中有水生成，但在全部光合作用反應中，只有水的氧化，而無水的生成。
　　也許有人會提出這樣的問題：在ATP的形成和分解中是有水參加的，誠然，ATP的形成產生H₂O。而ATP的分解又需要H₂O：

ATP + H₂O ← → ADP + P_i

上面的式(1)、(2)、(3)中，都把H₂O省略了。因為如果把H₂O也寫進去，三個式子相加後，H₂O同樣會被消去。

吳湘鈺 〈光合作用過程中有沒有水的生成〉 (1992)
《生物學通報》 1992年第5期 第22頁

　　在這篇文章中，錯誤更加顯而易見。觀察此篇文章的發表日期可發現已是十年前，當時可能對於整個光合作用、化學滲透的機制不太了解，證據就在式(1)中所產生的兩個ATP，如果已經了解化學滲透的機制，就會知道各分子之間的數目不必是整數比，那麼也就不用又「假設」多發生式(2)來滿足式(3)（因為式(3)需要消耗三個ATP，只有式(1)卻不夠）。式(3)的箭頭左邊在今日已證明是正確的了，一分子的CO₂進入循環確實需要消耗三個ATP和兩個NADPH（不過在生物體內不會有CH₂O這種化合物產生，因此我們會將箭頭左邊至少寫成3CO₂以平衡離開Calvin cycle的三碳化合物G3P或寫成6CO₂表示合成一個葡萄糖所需的碳）；式(3)的箭頭右邊仍然是老問題－－湊原子數，兩個NADPH+H⁺反應後應該剩下兩個NADP⁺及兩個H⁺，因為CO₂的一個O跑到CH₂O上，作者將剩下一個不知道去哪的O就直接和兩個H⁺配對形成H₂O，因此理由還是「反應方程式不是左右邊原子數目平衡就是對的」。從分析之中，可以發現通常錯誤的產生皆來自於人為的「假設」，這個「假設」乃為了滿足我們表面上觀察到的原子數目平衡，但是事實可能不如我們所假設，關鍵在於過於簡單的假設前提：「僅是式子中的幾樣東西發生交互的化學作用、變化」以及「光反應、碳反應一定會互相滿足分子的產生、消耗」。從以上兩篇文章的經驗可提示我們：如果我們總想用事物的表象來推敲出真相，結果可能常常出乎意料。