光合成

光合成

植物は無機物質(二酸化炭素と水)から有機物質である糖を合成することができます。

生物

キーワード

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シーン

光合成の原理

  • CO₂ - 二酸化炭素は無機分子であり、植物は二酸化炭素から有機分子である糖を作る。 植物は無機物質から有機物質を作ることができる無機栄養生物です。従属栄養生物は(例えば:動物、真菌)これができません。
  • O₂ - 光合成の間に副産物として作られている。地球で、従属栄養生物に必要な酸素はこのようににできている。
  • - 光の粒子は光子という。植物は光子エネルギーを使って無機物である二酸化炭素から有機物である糖を作る。
  • C₆H₁₂O₆ - ブドウ糖 (グルコース)。植物は光のエネルギーを使って二酸化炭素からブドウ糖をつくっている。
  • H₂O - 水は土から植物に吸収されている。光合成の間に酸素、プロトン(H⁺)と電子(e⁻)に分けられる。

葉の構造

  • 通道組織: 木部 - 根から吸収した水分や無機塩を地上部の茎や葉に供給する。光合成の間に水が酸素、プロトン(H⁺)と電子(e⁻)に分けられる。
  • 通道組織: 師部 - 有機物を送っている。光合成で作られた糖は師部を通して植物のほかの器官に輸送されている。
  • 気孔 - 光合成において必要な二酸化炭素は気孔を通じて葉に入り、作られた酸素は気孔を通じて出る。余分の気体もこれを通じて出る。植物は乾燥を防ぐために気孔を閉じることも できる。
  • 栄養体 - 栄養体の細胞には光合成をしている葉緑体がたくさん入っている。上のほうは柱状で、下のほうはスポンジ状の構造です。
  • 表皮 - 細胞の一層です。気孔を閉じる細胞以外には葉緑体が入っていない。植物を保護し、外部環境との関係を調節する。

光合成

  • 通道組織: 木部 - 根から吸収した水分や無機塩を地上部の茎や葉に供給する。光合成の間に水が酸素、プロトン(H⁺)と電子(e⁻)に分けられる。
  • 通道組織: 師部 - 有機物を送っている。光合成で作られた糖は師部を通して植物のほかの器官に輸送されている。
  • 気孔 - 光合成において必要な二酸化炭素は気孔を通じて葉に入り、作られた酸素は気孔を通じて出る。余分の気体もこれを通じて出る。植物は乾燥を防ぐために気孔を閉じることも できる。
  • 葉肉細胞 - 栄養体の細胞には光合成をしている葉緑体がたくさん入っている。
  • CO₂ - 二酸化炭素は無機分子であり、植物は二酸化炭素から有機分子である糖を作る。 植物は無機物質から有機物質を作ることができる無機栄養生物です。従属栄養生物は(例えば:動物、真菌)これができません。
  • O₂ - 光合成の間に副産物として作られている。地球で、従属栄養生物に必要な酸素はこのようににできている。
  • - 光の粒子は光子という。植物は光子エネルギーを使って無機物である二酸化炭素から有機物である糖を作る。
  • C₆H₁₂O₆ - ブドウ糖 (グルコース)。植物は光のエネルギーを使って二酸化炭素からブドウ糖をつくっている。
  • H₂O - 水は土から植物に吸収されている。光合成の間に酸素、陽子(H⁺)と電子(e⁻)に分けられる。

細胞

  • ゴルジ体 - タンパク質のプロセシングに重要な役割を果たしている。
  • 小胞体 - 細胞の中にある複雑な綱状の膜系。タンパク質合成とタンパク質プロセシング、そして脂質合成とある特定の物質の分解に重要な役割を果たしている。
  • 小胞 - 細胞内の様々な物質は膜気泡に、いわゆる小胞に輸送される。小胞の種類の一つであるリソソームで物質の消化と不要物の分解が行われている。
  • 細胞質
  • 液胞 - 気泡みたいな小器官の中は細胞液で満たされている。細胞の浸透圧や膨圧を調節し、不要物の貯蔵と分解をしている。
  • 葉緑体 - ここで光合成が起きる:植物は太陽エネルギーを利用して、二酸化炭素から糖を作る。
  • 細胞壁 - 細胞壁はセルロースからできていて、細胞を保護し、細胞の形を保って、植物組織を硬くする役目をしている。
  • 細胞核 - 核内にはDNAとたんぱく質から出来てるクロマチンが入っている。動物細胞、植物細胞、そして菌類の細胞には核が入っていて、真核細胞と呼ばれている。原核細胞(細菌など)には核がなく、DNAが細胞質にある。
  • 細胞膜 - 細胞の周りにある脂質膜。
  • 細胞骨格 - 細胞小器官の位置を保ち、その移動を手伝い、そして細胞壁がない動物細胞では細胞の形を保護している。
  • ミトコンドリア - 細胞の発電所:有機物の分子を分解して、ATPを作っている。ATPは細胞の中心的なエネルギー転移をしてる分子である。

明反応

  • 葉緑体 - 中に光合成が起きる:光のエネルギーを使用して、二酸化炭素からぶどう糖を作る。二重膜である:内膜に光合成において必要な酵素が入っている。
  • 内膜 - チラコイドは内膜が陥入して形成されたものです。光合成の明反応において必要な酵素を含んでいる。グラナはチラコイドが積み重なってできた膜状構造です。
  • グラナ
  • チラコイド
  • 基質
  • チラコイド膜 - 光合成の明反応において必要な酵素を含んでいる。
  • チラコイドの中 (内膜)
  • 光化学系II. - タンパク質と光を吸収する色素が入っている。680ナノメートルの波長の光を受け取る。クロロフィルa, クロロフィルbとキサントフィルという色素が入っている。反応中心の主な色素はクロロフィルaです。この色素は光子を受け取る時、興奮状態になって、電子伝達系に電子を出す。
  • 光化学系I. - タンパク質と光を吸収する色素が入っている。700ナノメートルの波長の光を受け取る。クロロフィルa, クロロフィルbとカロチンという色素が入っている。クロロフィルaは光子を受け取る時、興奮状態になって、電子伝達系に電子を出す。この電子の代わりに光化学系I.は電子伝達系から電子を受け取る。
  • e⁻
  • H₂O - 水は土から植物に吸収されている。光合成の間に酸素、プロトン(H⁺)と電子(e⁻)に分けられる。
  • O
  • H⁺
  • O₂ - 光合成の間に副産物として作られている。地球で、従属栄養生物に必要な酸素はこのようににできている。
  • PQ - プラストキノンは光化学系II.から出た電子をシトクロム複合体に送る。
  • cyt - シトクロム複合体には鉄分を含むタンパク質が入っている。プラストキノンから電子を取って、プラストシアニンに輸送される。この間に膜を通してH⁻をチラコイドに入れる。
  • PC - プラストシアニンはシトクロム複合体から電子を受け取って、光化学系I.に送る。
  • Fd - フェレドキシンは光化学系I.から電子を受け取って、FNR分子に送る。
  • FNR - フェレドキシンNADPレダクターゼはフェレドキシンとNADPの間で電子を送る。
  • リン酸
  • ADP
  • ATP - ATPはADPとリン酸の複合でできている分子です。ATPは細胞の中心的なエネルギー転移をしている分子です。暗反応について無機物である二酸化炭素からATPを使用して有機物である糖分子が作られる。
  • NADP - FNRから取り込んだe⁻とATPアーゼを通して流れるH⁺ を取り込んでNADPHになる。
  • NADPH
  • ATPアーゼ - ATPを作る酵素タンパク質です。H⁺はチラコイド膜の内側からATPアーゼを通して外側に流れる。内側にH⁺が多量にあるから、外側へ流れる。ATPアーゼを通ってるときエネルギーが開放され、ATPが作られる。
  • 電子伝達系 - 光化学系II.の励起させたe⁻は電子伝達系を通して光化学系I.に流れる。この過程の間、H⁺は膜を通して、チラコイドの内側に集まる。
  • H⁺イオン に対しての 推進力

暗反応

  • ATP
  • ADP
  • NADPH
  • NADP
  • 5C - 5つの炭素原子を含む糖分子(ペントース・ビスリン酸塩)
  • CO₂ - 植物は無機分子である二酸化炭素から有機分子である糖を作る。5つの炭素が入っている糖分子にもう一つの炭素原子を入れる。この6つ目の炭素原子が入るようにする酵素(RuBisCo)は暗反応の重要な酵素です。
  • 3C
  • 3C - 3つの炭素原子を含む分子(グリセルアルデヒド3−リン酸) 
  • 6C(グルコース) - 5つの炭素原子を含む糖と1つの炭素原子を含む二酸化炭素から光合成によりできたものです。植物はデンプン合成とATPを作り出す時に、グルコースを使用する。
  • CO₂の凝固とグリセリン酸−3−リン酸塩の発生 - 暗反応の一番主な部分です。この反応で無機物である二酸化炭素は有機である糖に入リ込む。無機栄養過程の間に、無機物質から有機物質ができる。炭素原子の数は5つから6つになり、3つの炭素原子を含む3-ホスホグリセリン酸が2つできます。
  • グリセリン酸-1,3-二リン酸塩の発生 - 3つの炭素原子を含む3-ホスホグリセリン酸はATPを使用して1,3-ビスホスホグリセリン酸になる。
  • グリセルアルデヒド3−リン酸の発生 - 1,3-ビスホスホグリセリン酸はグリセルアルデヒド3−リン酸になる。この反応においてはNADPHを使用し、分子からリン酸が分離する。(これはアニメーションに表示されていない)
  • 回路からのグリセルアルデヒド3−リン酸の生成 - 6つのグリセルアルデヒド3−リン酸のなかから1つが出る。これは細胞のグルコース発生において必要です。
  • リブロース-1,5-二リン酸塩の発生 - 複数の段階で、ATPと酵素を使用しながら、3つの炭素原子を含むグリセルアルデヒド3−リン酸の分子は5つの炭素原子を含むペントース・ビスリン酸塩になる。これはペントース・ビスリン酸塩の再生化とも言われ、反応が全体的にさらに起こる。

人工的な葉

  • 窒化物半導体 - 安くて、広く使われている半導体。光のエネルギーを使って水を分解する。この過程は光合成の明反応と同じです。
  • 金属触媒 - 二酸化炭素の還元を触媒する。これは光合成に暗反応と同じ過程です。二酸化炭素から有機物質である蟻酸ができる。
  • H₂O
  • O₂
  • H⁺
  • e⁻
  • CO₂
  • HCOOH (蟻酸)

アニメーション

ナレーション

光合成の間、植物は光のエネルギーを利用して無機物質である二酸化炭素から有機物質であるブドウ糖を作っている。この過程の間に酸素もできます。

光合成は植物のと茎のようなの部分で起きています。同化組織の細胞の中に大量の葉緑体を含んでいるため、緑色の植物になります。光合成を行う場所はこれらの葉緑体です。

葉緑体は二重膜を持っています。膜が陥入してチラコイドを形成します。チラコイドが積み重なってできた膜状構造はグラナといいます。チラコイドの膜には光合成の明反応の重要な酵素を含んでいます。

この中では二つの光化学系と電子伝達系が重要な役割をしています。
光化学系では、タンパク質と結合している光を受け取る色素があり、その中で一番重要なのはクロロフィルです。光化学系II.の中心的なクロロフィル分子は光の影響で興奮状態になって、電子伝達系に電子を出します。電子を失い、化したクロロフィルは水から電子を取り込んで、水分子にある酸素原子は酸素分子になり、プロトンは膜の内側に集まります。
電子伝達系の最初の部分であるプラストキノンは電子をシトクロム複合体に送ります。シトクロムは鉄分を含むタンパク質であり、電子をプラストキアニンに渡して、プロトンをチラコイド膜内に集めます。
電子は電子伝達系から光化学系I.に流れます。光化学系I.の中心的なクロロフィル分子は光子の影響で電子を出して、電子が不足します。出された電子はフェレドキシン分子を通してフェレドキシンNADPレダクターゼに取り込まれます。
明反応のとき、チラコイド膜内にプロトンを集めることによってプロトン濃度が上昇し、プラス極になります。このことがプロトンをATPアーゼを通して外側に流れさせます。この間、エネルギーが解放され、イオンと濃度のバランスを得るためにシステムはエネルギーが低い状態になります。放出されたエネルギーがATPの発生に使われます。失われた電子とプロトンはNADPが得て、NADPHになります。
つまり、光子のエネルギーを使用し、プロトンがバランス的に不均等になり、放出されたエネルギーがATPの発生に使われます。

暗反応においては光は必要ではありません。暗反応において、明反応の間に発生されたATPのエネルギーとNADPHの水素を利用しながら二酸化炭素有機物質にかえます。
5つの炭素原子が入っている糖3分子の炭素原子の総数は15個です。酵素を使用し、3つの糖分子に一つずつ二酸化炭素が入ることにより、分子は分解されます。この過程で、3つの炭素原子を含む分子6つでき、炭素原子の総数は18個になる。それから、一つずつNADPHとATPを使用して、6つのグリセルアルデヒド3−リン酸が発生します。この中の一つは反応から失われ、他の三つはATPを使って5つの炭素原子を含む糖分子が3つになり、反応は繰り返します。つまり、このサイクルにおいて明反応に作られたATPとNADPHが必要です。二つのサイクルで三つの炭素原子を含む分子が2つ発生し、結果的に一つのグルコースになります。植物はグルコースからでんぷんを生成し、ATPの合成に使用します。

研究者は現在、人工的な光合成システムの実験をしています。人工的な葉を二つの場所に離れて置くと明反応と暗反応が起きています。明反応窒化物半導体を通して起き、光を受けて水を分解します。酸素は気泡として出て、プロトン電子暗反応が起きている葉に流れます。そこでは金属触媒を使って、水と二酸化炭素から蟻酸を合成します。このシステムは光のエネルギーの利用を可能にし、大気中にある二酸化炭素の量と温室効果を減らすためにも使用できます。

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