光合成 植物が太陽からエネルギーを集め、それを利用できるエネルギーに変換できるようにするプロセスです。光合成のプロセスはどのように機能しますか?細胞のモデルを作成したり、図を調べたりすると、光合成のプロセスを理解するのに役立ちます。上記の図は、プロセスについての簡単な直感を提供し、その主要なコンポーネントを確認できるようにします.ただし、光合成プロセスを完全に理解するために、プロセスをさらに詳しく調べて、各構成要素がどのように機能するかを調べたいと思います.
光合成反応物
まず、光合成の反応物質を見てみましょう。光合成に必要な成分または成分には、光エネルギー、酸素、二酸化炭素、および水が含まれます。これらは、反応物質の光合成と呼ばれます。植物の細胞は、二酸化炭素、水、太陽光を取り込み、光合成によって使用可能なエネルギーに変換します。二酸化炭素と水がグルコースまたは糖の生成に必要な成分であることを考えると、光合成の化学式は次の形式で表すことができます。
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
自然言語で言えば、これは水/H2O と二酸化炭素/CO2 が酸素または O2 とグルコースまたは C6H12O6 に変換されることを意味します。ブドウ糖を作るのに使われる二酸化炭素は従属栄養生物に由来し、植物と違って自分自身でエネルギーを生産することができない生物です。従属栄養生物は、細胞呼吸の過程または発酵として知られる別の過程で二酸化炭素を放出します。植物は、植物の葉の中にある小さな穴である気孔と呼ばれる構造を通して、大気から二酸化炭素を引き出します。植物細胞内にある葉緑体は、二酸化炭素を利用して炭水化物を生成します.
ご存知のように、水は地球上に豊富に存在し、植物によって水を吸収する方法が異なります。多くの植物は根から水を吸収しますが、葉やその他の構造物からも吸収できます.
水もまた、二酸化炭素と同様に細胞呼吸の副産物です。実際、細胞呼吸の式は次のように表すことができます:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
細胞呼吸の生成物と光合成の生成物が互いに逆であることにお気付きかもしれません。そのため、細胞呼吸はグルコースと酸素を取り込み、二酸化炭素と水を放出しますが、光合成は反対の変換を実行します.動物細胞は、ブドウ糖に含まれる酸素と水素を利用し、副産物として水を生成します。
ATP は、グルコースが二酸化炭素に変換されることによって、動物細胞内で生成されます。光合成と細胞呼吸が反対の反応を表しているという事実は、それらが両方とも炭素循環と呼ばれるサイクルの一部を構成していることを意味します.
水と二酸化炭素は光合成に必要な成分に過ぎませんが、これらの成分をブドウ糖に変換するために、植物は何か他のものを必要とします.太陽光を吸収して、太陽から放射されるエネルギーを吸収して得られるエネルギー触媒が必要です。光エネルギーを吸収する植物細胞内の構造は色素と呼ばれます。
色素と光合成
光合成のプロセスは、細胞内の特定のオルガネラによって管理されています。主に光合成を担う細胞小器官は葉緑体と呼ばれ、色素の一種であるクロロフィルで満たされています。顔料は、特定の波長の光または電磁放射スペクトルの一部を吸収します。異なる顔料は光スペクトルの異なる部分を吸収するため、異なる顔料は異なる色になります。クロロフィルは、多くの植物に緑色を与える色素です。光合成プロセスは、葉肉と呼ばれる領域である葉の中間層内で発生します。植物の葉は、さまざまな層が積み重なってできていますが、最も外側の層には、ガス交換、二酸化炭素と酸素の交換を担う気孔があります。光合成のプロセスは、酸素を大気中に放出することで終了します。
クロロフィルは、二酸化炭素と水を糖に変換する実際のオルガネラである葉緑体に含まれています。光エネルギーは、植物の細胞が使用できるエネルギーの形態である ATP またはアデノシン三リン酸を生成するために使用されます。光合成を行うことができる色素はクロロフィルだけではありません。カロテノイドは、細胞全体に電子を輸送する働きをするニコチンアミド アデニン ジヌクレオチドリン酸 (NADPH) を生成できる別の種類の色素であるためです。 NADPH が運ぶ電子は、最終的にカルビン サイクル中に炭水化物を形成するために利用されます。電子を使用して炭水化物を生成するプロセスは、CO2 固定と呼ばれます。
細胞内のミトコンドリアには 2 つの膜があることはご存知かもしれませんが、これは葉緑体にも当てはまります。葉緑体の内膜はチラコイドと呼ばれる円筒状の構造でいっぱいで、この領域はストーマと呼ばれます。チラコイドは実際にクロロフィルを含むものであり、多くのチラコイドが互いに積み重なってグラナムと呼ばれる構造を形成しています.チラコイドは、間質チラコイドと顆粒チラコイドのような異なるクラスに分けることができます。細胞の葉緑体の中にあるのは、遺伝物質の核状のリング状の領域です。ヌクレオイドは、ほとんどの原核細胞に見られます。葉緑体の内部には、トコフェロールの合成に関与する小さな脂質構造であるプラストグロビュールもあります。最後に、葉緑体にはデンプン顆粒、さまざまなグルコースポリマーで構成される半結晶構造が含まれています。これらのデンプン顆粒は、植物の炭素の多くが保存されている場所です.
葉緑体の間質は、炭水化物の生産が行われる場所です。このため、この領域には DNA チャンクとリボソームが含まれています。葉緑体内に DNA とリボソームが存在することは、科学者が、葉緑体は 2 つの別々の細胞が長い進化過程で融合した共生関係の結果であると理論付けている理由の 1 つです。シアノバクテリアは葉緑体の前駆体であり、細胞内に生息し、外部環境からの保護と引き換えに細胞に余分なエネルギーを与えていたのではないかと考えられています.さらに、葉緑体は二分裂として知られるプロセスを通じて繁殖し、バクテリアはまさにこの方法で繁殖します。
補足として、太陽光からの化学エネルギーを利用できる生物は光合成独立栄養生物と呼ばれ、この用語は化学合成独立栄養生物と区別することを意図しています。 ).
さまざまな種類の色素体
顔料は光の波長を吸収することで機能し、さまざまな種類の顔料がさまざまな波長を捉えることができます。植物の色は、その色素の種類に影響されます。ほとんどの植物は緑色で、葉緑素から着色されていますが、植物に異なる色を与えるカロテノイドやフィコビリンなどの他の色素があります.フィコビリンは、光スペクトルの赤、オレンジ、青の部分を吸収します。つまり、これらの色を除くすべての波長が目に反射されます。対照的に、電磁スペクトルの青と緑の波長は、オレンジ、赤、または黄色のカロテノイドによって吸収されます。
光化学系 I と光化学系 II
植物細胞で起こる化学反応には、光依存反応と光非依存反応があります。ご想像のとおり、光に依存しない反応には日光が必要ありませんが、光に依存する反応には日光が必要です。光依存性光化学系の場合、葉緑体にあるチラコイドが太陽光を吸収し、エネルギーに変換します。このエネルギーは、ATP 分子または NADPH (電子伝達分子) の形で保存できます。
光エネルギーを ATP または NADPH に変換する細胞プロセスは、さまざまな化学変換を実行する光化学系と呼ばれる構造である、複数のタンパク質からなる複合体内で発生します。葉緑体には、光化学系 1 と光化学系 2 という 2 つの異なる光化学系があります。励起された電子はエネルギーを放出します。これが太陽光から得られるエネルギーです。両方の光化学系がこのエネルギーを吸収します。光化学系によって捕捉されたエネルギーは、電子を移動させることによって細胞の他の領域に輸送され、そこで光に依存しない反応を触媒することができます。
植物細胞と動物細胞の違い
植物細胞と動物細胞の両方にエネルギーの生成を扱うオルガネラがありますが、これらのオルガネラは植物細胞と動物細胞では異なります。動物細胞の場合、細胞内のミトコンドリアがグルコースと酸素を利用して細胞が使用するエネルギーを作り出し、二酸化炭素と水を放出します。植物細胞にはミトコンドリアもありますが、植物細胞の葉緑体は細胞のエネルギーを作り出します。植物細胞内に見られるミトコンドリアは、動物細胞内での動作とは少し異なります。動物細胞のミトコンドリアは、有酸素呼吸とエネルギー生産の両方を担っていますが、植物細胞のミトコンドリアは呼吸のプロセスのみを行っています。一方、動物細胞には葉緑体がまったくありません。
