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光合成は、生物学のすべてにおいて最も重要な反応であると明確にラベル付けできます。世界中の食物網やエネルギーフローシステムを調べてみてください。最終的には、生物を支える物質を太陽からのエネルギーに依存していることがわかります。動物は、炭素ベースの栄養素（炭水化物）と光合成が生成する酸素の両方に依存しています。これは、他の動物を捕食することで栄養をすべて摂取する動物でさえ、ほとんどまたはすべてが植物のみに生息する生物を食べてしまうためです。
したがって、光合成から、自然で観察されるエネルギー交換の他のすべてのプロセスが流れます。解糖系や細胞呼吸の反応のように、光合成には多くのステップ、酵素、そして考慮すべきユニークな側面があり、光合成やガスから食物への変換において特定の光合成触媒が果たす役割を理解することは重要です基本的な生化学。
光合成とは
光合成は、それが何であれ、最後に食べたものの生産と関係がありました。植物ベースの場合、主張は簡単です。それがハンバーガーである場合、肉はほぼ確実に、それ自体がほぼ完全に植物に生息していた動物から来ました。世界を冷やさずに今日太陽が止まると、植物が不足することになり、世界の食糧供給はすぐに消えてしまいます。明らかに捕食者ではない植物は、食物連鎖の一番下にあります。
光合成は伝統的に光反応と暗反応に分けられます。光合成における両方の反応は重要な役割を果たします。前者は太陽光または他の光エネルギーの存在に依存しますが、後者は光反応の生成物に依存するだけで、基質が作用します。光反応では、植物が炭水化物を組み立てるのに必要なエネルギー分子が作られますが、炭水化物合成自体は暗反応を起こします。これはいくつかの点で好気性呼吸に似ています。クレブスサイクルは、ATP（アデノシン三リン酸、すべての細胞の「エネルギー通貨」）の主要な直接源ではありませんが、後続の電子輸送連鎖反応における大量のATP。
植物が光合成を行うことを可能にする重要な要素は クロロフィル、と呼ばれるユニークな構造にある物質 葉緑体.
光合成方程式
光合成の正味の反応は実際には非常に簡単です。それは 二酸化炭素と水は、光エネルギーの存在下で、プロセス中にグルコースと酸素に変換されます.
6 CO2 +ライト+ 6 H2O→C6H12O6 + 6 O2
全体的な反応は、 光反応 そしてその 暗い反応 光合成の：
光反応： 12時間2O +ライト→O2 + 24時間+ + 24e−
暗い反応： 6CO2 + 24時間+ + 24 e− →C6H12O6 + 6時間2O
要するに、光の反応は太陽光を使って電子を怖がらせ、植物はそれを食物（グルコース）の生成に導く。これが実際にどのように発生するかはよく研究されており、何十億年もの生物学的進化の証拠です。
光合成と細胞呼吸
生命科学を研究している人々の間でよくある誤解は、光合成は単に逆の細胞呼吸であるということです。これは、光合成の正味の反応が解糖から始まり、ミトコンドリアの好気性プロセス（クレブスサイクルと電子伝達チェーン）で終わる細胞呼吸のように見えることを考えると、正確に逆に実行されます。
ただし、光合成で二酸化炭素をグルコースに変換する反応は、細胞呼吸でグルコースを二酸化炭素に還元するために使用される反応とは大きく異なります。植物は、細胞呼吸を利用することも忘れないでください。 葉緑体は「植物のミトコンドリア」ではありません。植物にもミトコンドリアがあります。
光合成は、主に植物が口を持っていないが、それでも自分の燃料を作るための栄養素としてグルコースを燃やすことに依存しているために起こるものと考えてください。植物がグルコースを摂取できないにもかかわらず、それを安定して供給する必要がある場合、一見不可能なことをして、それを自分で作らなければなりません。植物はどのようにして食物を作りますか？外光を使用して、内部の小さな発電所を駆動します。そのようにできるかどうかは、実際にどのように構成されているかに大きく依存します。
植物の構造
質量との関係で表面積が大きい構造は、通過する太陽光の多くをキャプチャするために適切に配置されています。これが植物に葉がある理由です。葉が植物の中で最も緑の部分になる傾向があるという事実は、葉の中のクロロフィルの密度の結果であり、これは光合成の仕事が行われる場所です。
葉は、気孔と呼ばれる表面に気孔を発達させました（単数：気孔）。これらの開口部は、葉がCOの出入りを制御できる手段です2、光合成に必要なO2、プロセスの廃棄物です。 （酸素を無駄と考えるのは直観に反しますが、この設定では、厳密に言えば、それはそれです。）
これらの気孔は、葉が水分量を調節するのにも役立ちます。水が豊富になると、葉はより硬くなり、「膨張」し、気孔は閉じたままになる傾向があります。逆に、水が不足すると、気孔が開き、葉に栄養が与えられます。
植物細胞の構造
植物細胞は真核細胞です。つまり、すべての細胞（DNA、細胞膜、細胞質、リボソーム）に共通する4つの構造と、多くの特殊な細胞小器官の両方を持っています。しかし、植物細胞は、動物や他の真核細胞とは異なり、細菌のように細胞壁を持っていますが、異なる化学物質を使用して構築されています。
植物細胞にも核があり、そのオルガネラには、ミトコンドリア、小胞体、ゴルジ体、細胞骨格、液胞が含まれます。しかし、植物細胞と他の真核細胞の重要な違いは、植物細胞が 葉緑体.
葉緑体
植物細胞内には葉緑体と呼ばれる細胞小器官があります。ミトコンドリアと同様に、これらは真核生物の進化の比較的早い時期に真核生物に組み込まれたと考えられており、実体は葉緑体になり、その後独立した光合成を行う原核生物として存在します。
葉緑体は、すべての細胞小器官と同様に、二重細胞膜に囲まれています。この膜の中には間質があり、葉緑体の細胞質のように機能します。また、葉緑体の中にはチラコイドと呼ばれる体があり、それは硬貨の山のように配置され、独自の膜で囲まれています。
クロロフィルは「光合成」の色素と考えられていますが、いくつかの異なる種類のクロロフィルがあり、クロロフィル以外の色素も光合成に関与しています。光合成で使用される主要な色素はクロロフィルAです。光合成プロセスに関与する非クロロフィル色素の一部は、赤、茶色、または青です。
光反応
光合成の光反応は、光エネルギーを使用して水分子から水素原子を置き換えます。これらの水素原子は、入射光によって最終的に放出される電子の流れによって駆動され、後続の暗反応に必要なNADPHとATPの合成に使用されます。
光反応は、葉緑体内部、植物細胞内部のチラコイド膜で発生します。光と呼ばれるタンパク質-クロロフィル複合体に光が当たると進行します 光化学系II（PSII）。この酵素は、水分子から水素原子を解放するものです。その後、水中の酸素は遊離し、プロセスで遊離した電子はプラストキノールと呼ばれる分子に付着し、プラストキノンに変わります。この分子は、電子をシトクロムb6fと呼ばれる酵素複合体に転送します。このctyb6fは、プラストキノンから電子を受け取り、プラストシアニンに移動します。
この時点で、 光化学系I（PSI） 仕事に就きます。この酵素はプラストシアニンから電子を受け取り、それらをフェレドキシンと呼ばれる鉄含有化合物に付着させます。最後に、フェレドキシン–NADPと呼ばれる酵素+NADPからNADPHを作るレダクターゼ（FNR）+。これらのすべての化合物を記憶する必要はありませんが、関連する反応の連鎖的な「受け渡し」の性質を理解することが重要です。
また、PSIIが水から水素を放出して上記の反応を促進する場合、その水素の一部は、濃度勾配を下げて間質のためにチラコイドから離れようとする傾向があります。チラコイド膜は、膜のATPシンターゼポンプに動力を供給することによりこの自然な流出を利用し、ATPを作るためにADP（アデノシン二リン酸）にリン酸分子を付着させます。
暗い反応
光合成の暗い反応は、光に依存しないため、そのように名付けられています。ただし、光が存在する場合に発生する可能性があるため、より正確な、より面倒な名前は「光に依存しない反応さらに問題を明確にするために、暗い反応は一緒に呼ばれます カルバンサイクル.
肺に空気を吸い込むと、その空気中の二酸化炭素が細胞に入り込み、それを使って体が食べた食物を分解するのと同じ物質を作ると想像してください。実際、このため、まったく食べる必要はありません。これは基本的に、COを使用する植物の寿命です2 環境から収集され（主に他の真核生物の代謝プロセスの結果として存在する）、グルコースを生成します。その後、ブドウ糖は必要に応じて保存または燃焼されます。
光合成は、水から水素原子をノックアウトし、それらの原子からのエネルギーを使用してNADPHとATPを生成することから始まることをすでに見てきました。しかし、これまでのところ、光合成への他のインプットであるCO2については言及されていません。 NADPHとATPのすべてがそもそも収穫された理由がわかります。
ルビスコに入る
暗反応の最初のステップで、CO2はリブロース1,5-ビスリン酸と呼ばれる5炭素の糖誘導体に結合します。この反応は、リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ酵素によって触媒されます。 ルビスコ。この酵素は、光合成を受けるすべての植物に存在することを考えると、世界で最も豊富なタンパク質であると考えられています。
この6炭素の中間体は不安定で、ホスホグリセリン酸と呼ばれる3炭素の分子のペアに分割されます。次に、これらはキナーゼ酵素によってリン酸化され、1,3-ビスホスホグリセリン酸を形成します。次に、この分子はグリセルアルデヒド-3-リン酸（G3P）に変換され、リン酸分子が遊離し、光反応に由来するNAPDHが消費されます。
これらの反応で作成されたG3Pは、植物細胞の特定のニーズに応じて、グルコース、アミノ酸、または脂質の形成をもたらす多くの異なる経路に配置できます。植物は、人間の食事でデンプンと繊維に寄与するグルコースのポリマーも合成します。