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

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光合成

細胞

明反応

暗反応

人工的な葉

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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