光合成過程、生物、タイプ、要因、機能



の 光合成 太陽光が化学エネルギーに変換され、有機分子に蓄えられるのは生物学的プロセスです。それは太陽エネルギーと地球上の生命との関係です.

代謝的には、植物は独立栄養性として分類されます。これは、彼らが生き残るために食物を消費する必要がなく、光合成を通してそれを自分で作り出すことができることを意味します。すべての植物、藻類、そしていくつかのバクテリアさえも光合成生物であり、組織または構造の緑色によって特徴付けられます。.

このプロセスは、葉緑体と呼ばれるオルガネラで発生します。複雑な反応の進行を可能にする一連のタンパク質と酵素を含む膜状の細胞内区画。また、クロロフィルが保存されている物理的な場所、光合成が起こるために必要な色素です.

二酸化炭素から始まり糖分子で終わる光合成の間に炭素がたどる経路は、見事な詳細で知られています。この経路は歴史的に葉緑体の中で空間的に分離された発光相と暗相に分けられてきた。.

発光相は葉緑体チラコイドの膜内で起こり、酸素、陽子および電子中の水分子の破裂を伴う。後者は膜を通して伝達され、次の段階で使用されるATPとNADPHの形でエネルギーの貯蔵庫を作ります。.

光合成の暗期は葉緑体間質で起こる。それは二酸化炭素（CO）の変換にあります2）炭水化物中、カルバン - ベンソンサイクルの酵素によるもの.

光合成は、地球上のすべての生物にとって重要な経路であり、初期エネルギーと酸素の供給源として機能します。仮に、光合成が機能しなくなると、わずか25年で「優れた」すべての生物の大量絶滅が起こるでしょう。.

索引

  • 1歴史的展望
  • 2光合成の方程式
    • 2.1一般式
    • 2.2発光相と暗相
    • 2.3ΔG°の反応
  • 3それはどこで起こりますか？?
  • 4プロセス（段階）
    • 4.1発光相
    • 4.2関与するタンパク質
    • 4.3フォトシステム
    • 4.4サイクリック電子流
    • 4.5その他の顔料
    • 4.6ダークフェーズ
    • 4.7カルバンサイクル
  • 5光合成生物
  • 6種類の光合成
    • 6.1酸素と無酸素性の光合成
    • 6.2 C4およびCAM代謝の種類
    • 6.3代謝C4
    • 6.4光合成CAM
  • 7光合成に関わる要因
  • 8つの機能
  • 9進化
    • 9.1最初の光合成生物
    • 9.2進化における酸素の役割
  • 10参考文献

歴史的展望

以前は、動物の栄養に似た方法で、植物は土壌中に存在する腐植のおかげで彼らの食物を得たと考えられていました。これらの考えは、エンペドクレスやアリストテレスのような古代の哲学者から来ました。彼らは、根が植物を養う臍帯または「口」のように振舞うと仮定しました。.

光合成の基盤を明らかにした17世紀から19世紀にかけての何十人もの研究者の大変な努力のおかげで、このビジョンは次第に変わりました。.

光合成プロセスの観察は、光合成は細胞呼吸の逆現象であるとJoseph Priestleyが結論した約200年前に始まりました。この研究者は、大気中に存在するすべての酸素が光合成によって植物によって生成されることを発見しました.

その後、このプロセスが効果的に行われるためには、水、二酸化炭素、太陽光が必要であるという強い証拠が出てきました。.

19世紀の初めに、クロロフィル分子は初めて単離され、光合成が化学エネルギーの貯蔵にどのようにつながるのかを理解することが可能でした。.

ガス交換化学量論のような先駆的アプローチの実施は、光合成の産物としてデンプンを同定することに成功した。さらに、光合成は、安定同位体の使用を通じて研究された生物学の最初のトピックの1つでした。.

光合成の方程式

一般方程式

化学的には、光合成はいくつかの種が酸化して還元される他の種に電子を放出する酸化還元反応です.

光合成の一般的な過程は次の式で要約することができます。2O +光+ CO2 →CH2O + O2. CHという用語2OR（グルコース分子の6分の1）とは、スクロースやデンプンなど、植物が後で使用することになる糖と呼ばれる有機化合物のことです。.

発光相と暗相

この方程式は、光合成の各段階について、2つのより具体的な方程式に分けることができます。明期と暗期.

軽い相は以下のように表される。2O +ライト→O2 + 4H+ + 4e - . 同様に、暗期は以下の関係を含む。2 + 4時間+ + 4e-→CH2O + H2○.

△G° 反応の

自由エネルギー（△G°）これらの反応については：+ 479 kJ・mol - 1、+ 317 kJ・mol-1 + 162 kJ・mol-1, それぞれ。熱力学で示唆されているように、これらの値の正の符号はエネルギー要求量に変換され、エンダーゴニックプロセスと呼ばれます.

反応が起こるように光合成生物はどこでこのエネルギーを得ますか？日光から.

光合成とは対照的に、有酸素呼吸はエクセルゴニックプロセスであることを言及する必要があります - この場合、ΔG°の値は負の符号を伴う - 放出されたエネルギーが生物によって使われる場所。したがって、式は次のとおりです。CH2O + O2 →CO2 + H2○.

それはどこで起こりますか？?

ほとんどの植物では、プロセスが発生する主な器官は葉にあります。これらの組織で私達はガスの出入りを制御する気孔と呼ばれる小さい球状構造を見つけます.

緑色の組織を構成する細胞は、内部に最大100個の葉緑体を持つことができます。これらのコンパートメントは、2つの外膜と、3番目の膜システムが存在する間質と呼ばれる水相で構成されています。.

プロセス（段階）

発光相

光合成は、地球上で最も豊富な色素であるクロロフィルによる光の捕獲から始まります。光を吸収すると、電子がより高いエネルギー状態に励起され、太陽のエネルギーが潜在的な化学エネルギーに変換されます。.

チラコイド膜では、光合成色素は、「反応中心」と呼ばれる、光を吸収してクロロフィル分子にエネルギーを伝達するアンテナとして機能する何百もの色素分子を含む光中心に組織化されています.

反応中心はチトクロームに結合した膜貫通タンパク質からなる。それは一連の膜タンパク質を通して電子を電子輸送鎖の他の分子に移動させる。この現象はATPおよびNADPHの合成と結びついています.

関与するタンパク質

タンパク質はさまざまな複合体で構成されています。そのうちの2つは光システムIとIIで、光を吸収してそれを反応中心に伝達する役割を果たします。 3番目のグループはチトクローム複合体からなる bf.

陽子勾配によって生み出されたエネルギーは、陽子の流れとATPの合成を結び付ける4番目の複合体、ATPシンターゼによって使用されます。呼吸に関して最も重要な違いの1つは、エネルギーがATPだけでなくNADPHにもなることです。.

フォトシステム

光化学系Ｉは、７００ナノメートルの吸収ピークを有するクロロフィル分子からなり、それがＰと呼ばれる理由である。700. 同様に、光化学系ＩＩの吸収ピークは６８０であり、Ｐと略記される。680.

光化学系Iの仕事はNADPHの生産であり、光化学系IIのそれはATPの合成です。光化学系IIによって使用されるエネルギーは、水分子の破裂、プロトンの放出、およびチラコイドの膜を通る新しい勾配の創出に由来します。.

破裂に由来する電子は脂溶性化合物であるプラストキノンに移動します。プラストキノンは電子を光化学系IIからチトクローム錯体に運びます bf, 陽子の追加ポンピングを生成する.

光化学系IIから、電子はプラストシアニンと光化学系Iに渡され、光化学系IはNADPを減らすために高エネルギー電子を使う+ NADPHに。電子は最終的にフェロドキシンに到達し、NADPHを生成します.

電子循環流

ＡＴＰの合成がＮＡＤＰＨ合成を含まない、一般に必要としている代謝プロセスにエネルギーを供給するための代替経路がある。それ故、ＡＴＰまたはＮＡＤＰＨのどちらが生成されるかの決定は、細胞の瞬間的な必要性に依存する。.

この現象は光化学系ＩによるＡＴＰの合成を含む。電子はＮＡＤＰに移動しない。+, しかしシトクロム複合体に bf, 電子勾配を作成する.

プラストシアニンは電子を光化学系Iに戻し、輸送サイクルを完了させそしてプロトンをシトクロム複合体にポンピングする。 bf.

その他の顔料

クロロフィルは植物が持っている唯一の色素ではありません、カロチノイドを含むいわゆる「補助色素」もあります.

光合成の発光段階において、「一重項中の酸素」のような、細胞に潜在的に有害な元素の生成が起こる。カロテノイドは、化合物の形成を防止したり組織の損傷を防止したりします。.

これらの色素は、植物が葉緑素を分解して窒素を得るので、葉が緑色を失い黄色またはオレンジ色に変わる秋に観察されるものです。.

ダークフェーズ

この最初のプロセスの目的は、NADPH（ニコチンアミド - アデニン - ジヌクレオチド - リン酸）またはATP（アデノシン三リン酸、または "細胞のエネルギー通貨"）の生成に太陽のエネルギーを使用することです。これらの元素は暗期に使用されます.

この段階に含まれる生化学的ステップを説明する前に、その名前は「暗期」であるが、それが必ずしも完全な暗闇で起こるわけではないことを明確にする必要がある。歴史的に、この用語は光の独立性に言及しようとしました。言い換えれば、位相は光の存在下または不在下で起こり得る。.

しかしながら、相は光相で起こる反応（光を必要とする）に依存するので、この一連の段階を炭素反応と呼ぶのは正しい。.

カルバンサイクル

このフェーズでは、カルバンサイクルまたは3炭素パス、1940年にアメリカの研究者Melvin Calvinによって説明された生化学的パスが発生します。このサイクルの発見は1961年にノーベル賞を受賞しました.

一般に、このサイクルの３つの基本段階が記載されている：受容体ＣＯのカルボキシル化。2, 3-ホスホグリセリン酸の還元とCO受容体の再生2.

このサイクルは、二酸化炭素の取り込みまたは「固定」から始まります。電子を加えることによって炭水化物を得るために炭素を減らし、還元力としてNADPHを使う.

各サイクルにおいて、サイクルは、リブロース二リン酸と反応する二酸化炭素の分子の組み込みを必要とし、還元されそしてリブロース分子を再生するであろう３つの炭素の２つの化合物を生成する。サイクルの3回転は、グリセルアルデヒドホスフェートの分子をもたらします.

したがって、グルコースなどの六炭糖を生成するには、6サイクルが必要です。.

光合成生物

生物の光合成能力は、細菌と真核生物からなる2つのドメインに現れます。この証拠に基づいて、古細菌の領域を理解している個人はこの生化学的経路を欠いています.

現代のシアノバクテリアに似た構造化ストロマトライトとして、光合成生物は約32〜35億年前に出現しました.

論理的には、光合成生物は化石記録ではそのようには認識できない。しかし、その形態や地質学的背景を考慮して推論を行うことができます。.

細菌に関しては、日光を取り、それを糖に変換する能力はいくつかのPhylaに広く分布しているように思われるが、明らかな進化のパターンはないようである。.

最も原始的な光合成細胞はバクテリアにあります。これらはバクテリオクロロフィル色素を含み、緑色植物の既知のクロロフィルは含まない.

光合成細菌群には、シアノバクテリア、プロトバクテリア、グリーンイオウバクテリア、ミミズ、糸状無酸素フォトトロフおよびアシドバクテリアが含まれる。.

植物に関しては、それらはすべて光合成を実行する能力を持っています。実際、それはこのグループの最も際立った特徴です.

光合成の種類

酸化的および無酸素的光合成

光合成は様々な方法で分類することができます。最初の分類では、体が二酸化炭素の削減に水を使用するかどうかを考慮します。植物、藻類、シアノバクテリアを含む酸素性の光合成生物があります。.

対照的に、体が水を使わないとき、それらは無酸素性の光合成生物と呼ばれます。このグループには、緑色や紫色のバクテリア、例えば属が含まれます。 クロロビウム そして クロマチウム, 二酸化炭素を減らすために硫黄または水素ガスを使うもの.

これらの細菌は酸素の存在下では光合成に頼ることができず、嫌気性培地を必要とします。したがって、光合成は酸素の生成にはつながらない - それゆえ「無酸素」という名前.

代謝の種類C4 とCAM

光合成はまた、植物の生理学的適応に従って分類することができます。.

COの減少は光合成真核生物で起こる2 カルバンサイクルで大気から炭水化物にやってくる。このプロセスは、酵素ルビスコ（リブロース－１，５－ビスホスフェートカルボキシラーゼ／オキシゲナーゼ）から始まり、形成された最初の安定な化合物は３－ホスホグリセリン酸、３炭素である。.

高放射線または干ばつと呼ばれる熱ストレスの条件では、ルビスコ酵素はOを区別することはできません。2 そしてCO2. この現象は光合成の効率を著しく低下させ、光呼吸と呼ばれます.

これらの理由のためにそれらが言われた不便を避けることを可能にする特別な光合成代謝を持つ植物があります.

代謝C4

C型代謝4 その目的は二酸化炭素を濃縮することです。ルビスコが行動する前に、C植物4 PEPCによる最初のカルボキシル化を行う.

２つのカルボキシル化の間には空間的分離があることに留意されたい。 Cの植物4 それらは、中温性細胞によって形成される解剖学的構造「クランツ」またはコロナを有することによって区別され、そして通常の光合成またはCにおけるこれらの細胞とは異なり光合成である。3.

これらの細胞では、最初のカルボキシル化がPEPCによって起こり、生成物としてオキサロ酢酸塩が得られ、それがリンゴ酸塩に還元される。これはポッドの細胞に拡散し、そこで脱炭酸の過程が起こりCOを発生させる。2. 二酸化炭素はルビスコによって指示される第2カルボキシル化で使用されます.

光合成CAM

CrasuláceasのCAM光合成または酸代謝は、極端に乾燥した気候の中で生息する植物の適応であり、とりわけパイナップル、ラン、カーネーションなどの植物に典型的です。.

CAM植物における二酸化炭素の同化は、気孔の開放による水の損失が日中よりも少なくなるので、夜間に起こる。.

CO2 それはPEP、PEPCによって触媒される反応と組み合わされ、リンゴ酸を形成する。このプロダクトは朝の時間に彼らの内容を解放する液胞で貯えられます、そしてそれは脱カルボキシル化されそしてCO2 カルバンサイクルに参加することをどうにかして.

光合成に関わる要因

光合成効率に関与する環境要因の中でも特に注目すべきものは、存在するCOの量です。2 そして、光、温度、光合成産物の蓄積、酸素の量、そして水の利用可能性.

植物の要因は、年齢や成長状況などの基本的な役割も果たします。.

COの濃度2 環境中ではそれは低く（それは体積の0.03％を超えない）、それ故にいかなる最小の変動も光合成において顕著な結果をもたらす。さらに、植物は存在する二酸化炭素の70か80％しかできません.

言及された他の変数からの制限がない場合、我々は光合成がCOの量に依存するだろうとわかります2 利用可能.

同様に、光強度も重要です。強度が低い環境では、呼吸プロセスは光合成を凌駕します。このため、朝の最初の時間のように、太陽の光度が高い時間帯では光合成がはるかに活発になります。.

いくつかの植物は他よりも影響を受ける可能性があります。例えば、飼料草は温度因子にあまり敏感ではありません.

機能

光合成は、地球上のすべての生物にとって不可欠なプロセスです。この方法は、太陽エネルギーの化学エネルギーへの変換を容易にするため、酸素の供給源であり、既存のすべての栄養連鎖の基盤である、あらゆる形態の生命を支える責任があります。.

言い換えれば、光合成は私たちが吸う酸素を生み出します - 前述のように、その要素はプロセスの副産物です - そして私たちが毎日消費する食物。ほとんどすべての生物は、エネルギー源として光合成に由来する有機化合物を使用しています.

好気性生物は、酸素の存在下でのみ光合成によって生成される有機化合物からエネルギーを抽出することができることに注意してください。これもこのプロセスの産物です。.

事実、光合成は、悪化した数（2,000億トン）の二酸化炭素を有機化合物に変換することができます。酸素に関しては、生産量は1,400億トンの範囲にあると推定されています.

さらに、光合成は、化石化した光合成燃料の形で、人類が生き残るために使用するエネルギーのほとんど（この約87％）を私たちに提供します.

進化

初めての光合成生物

進化論に照らして、光合成は非常に古いプロセスのようです。この道の起源を生命の最初の形態の出現の近くに突き止めるという大量の証拠があります.

真核生物の起源に関しては、その過程へのより説得力のある説明として共生共生を提案するという圧倒的な証拠があります.

したがって、より大きな原核生物との共生関係のおかげで、シアノバクテリアに似た生物は葉緑体になる可能性があります。したがって、光合成の進化的起源は細菌領域で生まれており、水平方向の遺伝子導入の大量かつ反復的な事象のおかげで分布する可能性がある。.

進化における酸素の役割

光合成による光のエ​​ネルギー変換が惑星地球の現在の環境を形作ったことは疑いの余地はありません。イノベーションとして見られる光合成は、酸素雰囲気を豊かにし、生命体のエネルギー論に革命をもたらしました.

Oの放出が始まったとき2 それが飽和するまで、最初の光合成生物によって、それはおそらく海の水に溶けました。さらに、酸素は鉄と反応して酸化鉄の形で沈殿する可能性があり、これは現在非常に貴重なミネラル源です。.

過剰な酸素は大気に進み、最終的にそこに濃縮されました。 Oの濃度のこの大幅な増加2 それは重要な結果をもたらす：生物学的構造および酵素への損傷、原核生物の多くのグループを非難する.

対照的に、他のグループは、おそらく古代のシアノバクテリアである光合成生物によって形成された、新しい酸素に富む環境に住むための適応を示しました。.

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