2 つの異なる手順があります または光合成の一部 .光合成のこれら 2 つの部分は、光依存反応と光非依存反応です。光に依存しない反応は、カルビンサイクルとも呼ばれます。光依存反応では、太陽光がクロロフィルに吸収された後、太陽光が化学エネルギーに変換されることにより、NADPHやATPなどの電子伝達分子が形成されます。光非依存性反応では、光依存性反応によって得られた化学エネルギーを使用して、炭水化物分子が組み立てられます。光合成を達成するために使用される 2 つのシステムは、光化学系と呼ばれます。
これらの光化学系/光合成プロセスがどのように機能するかを理解するには、光合成プロセスの反応物質を調べ、これらの反応物質が光化学系によってどのように操作されるかを調べることが有益です.
光合成の反応物
光合成の反応物質は、水、太陽光、二酸化炭素です。植物細胞は、水、太陽光、二酸化炭素を吸収してエネルギーを作り出します。反応物質は光合成プロセスの入力であり、光合成の出力または生成物はグルコースと酸素です。光合成の化学式は次のように表すことができます:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
この方程式は、二酸化炭素 (または CO2) と H2O (または水) を使用して C6H12O6 (または糖) と O2 (または酸素) を生成することを意味すると解釈できます。二酸化炭素は、細胞呼吸または発酵の過程でさまざまな生物から放出されます。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ものから二酸化炭素を吸収します。植物の細胞が二酸化炭素を吸収すると、細胞内の葉緑体はそれを使用して光合成を行い、炭水化物を生成します。
酸素は、脊椎動物が呼吸し、細胞プロセスを駆動するために使用されますが、C6H1206 は、分子内の原子の配置に応じて、実際には多くの異なる分子を指すことができます。ただし、この特定の式を持つ分子のほとんどは糖の一種であり、この式の最も一般的な種類の糖はグルコースです.動物のこれらの細胞は、ブドウ糖を使用して、必要なエネルギーである ATP を生成します。
葉緑体、色素、光合成
光合成は、植物が太陽光、水、二酸化炭素からエネルギーを得るために行うプロセスです。藻類、植物、およびシアノバクテリアとして知られる一種のバクテリアは、光合成を行うことができる唯一の生物です.これらの光合成生物は「光独立栄養生物」と呼ばれ、無機化合物からエネルギーを抽出できる別のグループのバクテリア (化学合成独立栄養生物) と区別されます。化学合成独立栄養生物は、太陽のエネルギーからではなく、糖の合成からエネルギーを得ています。
光合成を行う細胞内の実際のオルガネラは葉緑体です。葉緑体は、クロロフィルと呼ばれる色素で満たされています。この色素は、電磁放射スペクトルの特定の領域、特定の波長の光を吸収します。この色素は、藻類や植物が緑色になる原因でもあります。植物の光合成は通常、細胞の葉で行われ、植物の葉は細胞のさまざまな層でできています。葉の中間層は葉肉と呼ばれ、ここで光合成が行われます。一方、ガスの交換 (酸素と二酸化炭素の交換) は、気孔と呼ばれる葉の小さな開口部を介して行われます。これらの気孔は通常、葉の下側にあります。
葉緑体は、光エネルギーから使用可能なエネルギーを作るオルガネラです。葉緑体によって吸収された光は、細胞がエネルギーとして使用できる糖などの有機分子に保存されます。光エネルギーはATP（またはアデノシン三リン酸）に変換されます。クロロフィルに加えて、カロテノイドはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（またはNADPH）を形成できる別のタイプの色素です。このNADPHは電子輸送分子です。カルビンサイクル中、電子はNADPH によって輸送されることで炭水化物が生成され、この変換は CO2 固定として知られています。
クロロフィルには、ミトコンドリアと同じように 2 つの膜があります。葉緑体の内膜はストーマと呼ばれ、その中にはチラコイドと呼ばれる構造が積み重なっています。チラコイドは葉緑素をその中に持つ構造体で、グラナムと呼ばれる塊状に重なり合っています。顆粒チラコイドや間質チラコイドなど、さまざまな種類のチラコイドがあります。葉緑体の中には、核様体と呼ばれる遺伝物質の不規則な形状の領域もあり、ほとんどの原核細胞に見られます。葉緑体の中では核様体が輪状に並んでいます。葉緑体の内部には、トコフェロールの生合成に関連する脂質体であるプラストグロビュールも含まれています。葉緑体にはデンプン顆粒もあり、さまざまなグルコースポリマーでできた半結晶性顆粒であり、植物に炭素を貯蔵するのに役立ちます.
間質は、炭水化物を操作する葉緑体の領域であり、その中にリボソームと DNA の塊が含まれています。これらの間質がリボソームと DNA を持っているという事実は、葉緑体が他の細胞との共生関係を介して葉緑体に進化した自由生活細菌を持っていた長い進化過程の結果であると理論化されている理由の 1 つです。葉緑体の前駆体は細胞内に生息するシアノ バクテリアであり、安全な環境で生活できるようにエネルギーを生成していたという理論が立てられています。
他の種類の色素体
異なる色素は異なる波長の光を吸収できます。つまり、他の色素体または色素を持つ植物は、光スペクトルの異なる部分を吸収できます。植物の色は、使用する顔料によって異なります。ほとんどの植物でさえ緑色ですが、植物にさまざまな色を与えることができるフィコビリンやカロテノイドなどの他の色素があります.フィコビリンは赤または青のいずれかであり、光スペクトルの青、オレンジ、赤の部分を吸収することができます.対照的に、カロテノイドは黄色、赤、またはオレンジ色で、スペクトルの緑または青の波長の光を吸収します.
2 つの光化学系
その名前が示すように、光依存反応には太陽光が必要ですが、光非依存反応には太陽光は必要ありません。光依存性光化学系では、クロロフィルが太陽光を吸収し、細胞が使用できる化学エネルギーに変換し、分子 ATP または電子伝達分子と DPH の形で保存します。これらの光依存性反応は、葉緑体内のチラコイドと呼ばれる構造で起こります。
光エネルギーから化学エネルギーへの変換を担うプロセスは、複数のタンパク質からなる複合体である光化学系で発生します。チラコイドの膜内には、光化学系 II と光化学系 I の 2 種類の光化学系があります。これらの光化学系のそれぞれは、励起電子によって放出されるエネルギー、つまり太陽光からのエネルギーを吸収します。エネルギー担体分子は電子を細胞の他の部分に輸送し、そこで電子は光に依存しないシステムに電力を供給するために使用されます。
光合成と細胞呼吸の関係
光合成の方程式を見てみましょう:6CO2 + 6H2O → C6H12O6+ 6O2
一方、細胞呼吸の方程式は次のとおりです:C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
ご覧のとおり、2 つの反応は互いに逆です。光合成は水と二酸化炭素を取り込み、酸素とブドウ糖を放出しますが、細胞呼吸はその逆です。細胞呼吸は水と二酸化炭素を放出します。動物細胞は水素と酸素を使用するため、副産物として水を生成します。一方、ATP がグルコースから合成されると、二酸化炭素に変換されます。細胞呼吸と光合成の関係は「炭素循環」を構成します。これは、炭素分子が生物圏を循環し、植物から動物へと移動し、再び戻ることを可能にするシステムです。植物は大気から二酸化炭素を取得し、動物の細胞呼吸によって大気中に放出されます。
植物細胞と動物細胞の違い
動物細胞と植物細胞の両方に、エネルギーの生成を集合的に処理するオルガネラがあります。動物細胞にはミトコンドリアがあり、このミトコンドリアは酸素とブドウ糖を使ってエネルギー、水、二酸化炭素を作り出します。対照的に、植物には葉緑体があります。植物細胞には葉緑体に加えてミトコンドリアがありますが、動物細胞には葉緑体がありません。植物細胞が持つミトコンドリアは、動物細胞が持つミトコンドリアとは多少異なる機能を持っています。動物細胞では、ミトコンドリアはエネルギーの生成と好気呼吸という 2 つの役割を果たします。一方、植物細胞には呼吸のみを行うミトコンドリアがあります。ご覧のとおり、動物細胞と植物細胞は微妙なバランスのシステムで存在し、一方のシステムの産物は他方のシステムのインプットです。動物細胞も植物細胞も、それを支える他の種類の細胞なしでは存在できません.
