핵심 개념
이 튜토리얼에서는 광합성 에 대한 모든 것을 배웁니다 . 우리는 광합성과 그 균형 잡힌 화학 방정식에 대한 소개로 시작합니다. 그런 다음이 프로세스와 관련된 두 가지 주요 단계를 분석하고 최종 제품을 살펴 봅니다. 마지막으로, 우리는 다양한 유형의 광합성을 고려합니다.
다른 기사에서 다루는 주제
- 화학 반응이란 무엇입니까? 물리적 대 화학 변화 예
- 화학의 반응물이란 무엇입니까?
- 산화 환원 반응의 균형을 잡는 방법
- 공통 산화제 및 환원제
광합성 소개
식물과 다른 유기체가 빛 에너지 (햇빛)를 화학 에너지 (포도당)로 변환하는 과정을 광합성이라고합니다. 햇빛은 물과 이산화탄소를 사용하여 포도당을 합성하고 산소를 부산물로 방출하는 일련의 반응에 전력을 공급합니다. 에너지는 포도당의 화학적 결합에 저장되며 나중에 세포 호흡 또는 발효를 통해 유기체의 활동에 연료를 공급하기 위해 나중에 수확 할 수 있습니다.
광합성은 화학적 변화가 이루어지기 위해 주변 환경의 에너지 입력이 필요하기 때문에 엔도 닉 과정입니다. 또한, 광합성은 환원-산화 (산화물) 반응이며, 이는 화학 종 사이의 전자의 전달을 포함한다는 것을 의미한다. 공정 동안, 이산화탄소가 감소하여 (즉, 전자를 얻는) 포도당을 형성하고, 물이 산화되어 (즉, 전자 손실) 분자 산소를 형성한다.
.광합성의 복잡한 과정은 엽록체 (즉, 식물 및 조류 세포의 막 바운드 소기관)에서 발생합니다. 엽록체에는 외부 막과 내부 막이 있습니다. 기질은 내부 막 내의 유체로 채워진 공간입니다. 그것은 thylakoids로 알려진 평평한 낭 같은 구조를 둘러싸고 있습니다. thylakoids는 thylakoid 막으로 둘러싸인 thylakoid 공간 (루멘)으로 구성됩니다. thylakoid 막에는 단백질과 안료의 큰 복합체 인 광 시스템이 포함되어 있습니다. Photosystem I (PSI) 및 Photosystem II (PSII)의 두 가지 유형이 있습니다.
광합성에 대한 화학 방정식
광합성에 대한 전체 균형 방정식은 일반적으로 6 Co 2 로 작성됩니다. + 6 h 2 o → C 6 H 12 o 6 + 6 o 2 (아래 그림). 다시 말해, 6 개의 이산화탄소 분자와 6 개의 분자가 햇빛의 존재 하에서 반응하여 1 개의 포도당 분자 (6- 탄소 당) 및 6 개의 분자의 산소를 생성합니다.
광합성 단계
광합성의 두 가지 주요 단계가 있습니다 :빛 의존적 반응과 캘빈 사이클.
광 의존적 반응
광 의존적 반응은 광 에너지를 사용하여 Calvin 사이클에 사용하기 위해 ATP (에너지 운반 분자)와 NADPH (전자 캐리어)를 만듭니다. 또한, 물의 산화로 인해 산소가 방출됩니다. 식물과 조류에서, 빛 의존적 반응은 엽록체의 thylakoid 막에서 일어난다. 광 의존적 반응의 가장 일반적인 형태는 비 사이 클릭 광 인산화로 알려진 과정입니다. 이 과정은 ATP 합성 (Photosystem II)과 NADPH 합성 (Photosystem I를 통해)의 두 가지 주요 단계가 포함됩니다.
- 1 단계 (ATP 합성) : 광 시스템 II (엽록소 등)의 안료는 빛을 흡수하고 전자에 전자합니다. 이들 흥분된 전자가 전자 수송 사슬로 이동하여 기질에서 thylakoid 루멘으로 수소 이온을 펌핑하는 에너지를 방출함에 따라 양성자 구배가 형성된다. 광분해를 통한 물 분자의 분자는이 전기 화학적 구배에 더 기여하는 수소 이온 (및 산소 분자)을 생성한다. 수소 이온이 구배로 흐르면 (즉, thylakoid 막을 가로 질러 기질로) ATP 신타 제로 알려진 효소를 통과합니다. ATP 신타 제는 ADP (아데노신 디 포스페이트) 및 무기 인산염 (p i 를 사용하여 아데노신 트리 포스페이트 (ATP)의 형성을 촉매한다. ).
- 2 단계 (NADPH 합성) : 전자는 광 시스템 I으로 옮겨지고 PSI 안료에 의해 흡수 된 빛에 의해 에너지가 들어있다. 전자는 전자 수송 사슬의 끝에 도달하고 페레 독신-비 프레 쿠 제 (FNR)로 알려진 효소로 전달된다. FNR은 NADPIS가 NADPH로 축소 한 반응을 촉진합니다.
캘빈 사이클
캘빈 사이클 (광 독립적 반응이라고도 함)은 엽록체의 기질에서 발생하며 햇빛에 직접적으로 의존하지 않습니다. 대신,이 단계는 포도당을 합성하기 위해 이산화탄소와 함께 광 의존적 반응 (ATP 및 NADPH)의 생성물을 사용합니다. 캘빈주기는 탄소 고정, 감소 및 재생의 세 가지 기본 단계로 구성됩니다.
- 1 단계 (탄소 고정) : Rubisco (지구상에서 가장 풍부한 효소)는 불안정한 6- 탄소 화합물을 생성하여 이산화탄소에 의해 리볼 로스 -1,5- 피스페이트 (RUBP)의 카르 복실화를 촉매합니다. 이 6- 탄소 화합물은 2 개의 3- 포스 포 글리 세균산 (3-PGA)의 2 분자로 쉽게 전환된다.
- 2 단계 (축소) : 포스 포 글리세 레이트 키나제로 알려진 효소는 ATP에 의한 3-PGA의 인산화를 촉진하여 1,3- 피스 포 글리콜 산 (1,3-BPG) 및 ADP를 생성한다. 다음으로, 또 다른 효소 (Glyceraldehyde 3- 포스페이트 탈수소 효소)는 NADPH에 의한 1,3-BPG의 감소를 촉진하여 Glyceraldehyde 3- 포스페이트 (G3P) 및 NADP를 생성합니다. .
- 3 단계 (재생) : 캘빈주기의 매번 회전하면 G3P의 두 분자가 생성됩니다. 따라서, 사이클의 6 회전은 G3P의 12 분자를 생성한다. 이들 G3P 분자 중 두 개는 사이클을 종료하고 하나의 포도당 분자를 합성하는 데 사용된다. 한편, G3P의 다른 10 분자는 사이클에 남아 있으며 6 개의 RUBP 분자를 재생하는 데 사용됩니다. Rubp의 재생에는 ATP가 필요하지만주기는 계속 될 수 있습니다.
광합성의 생성물
광합성의 주요 생성물은 포도당, 분자식 C 6 의 단순한 설탕 인 포도당입니다. H 12 o 6 . 식물 및 기타 광합성 유기체는 아래 나열된 기능을 포함하여 수많은 기능에 포도당을 사용합니다.
- 세포 호흡 : 포도당은 세포 호흡으로 알려진 과정을 통해 ATP (다른 세포 활동을 연료로 연료하는 데 사용될 수 있음)를 생산하기 위해 분해됩니다.
- 전분 및 셀룰로오스의 생합성 : 포도당 분자는 서로 연결되어 전분 및 셀룰로오스와 같은 복잡한 탄수화물을 형성 할 수 있습니다. 식물과 다른 유기체는 전분을 사용하여 에너지와 셀룰로오스를 저장하여 세포벽을지지/강화합니다.
- 단백질 합성 : 포도당은 질산염 (토양에서)과 결합하여 아미노산을 생산할 수 있으며, 이는 단백질을 만드는 데 사용될 수 있습니다.
또한, 산소는 광합성 과정에서 대기로 방출됩니다. 식물 (다른 많은 유기체와 함께)은 산소를 사용하여 호기성 호흡을 수행합니다.
광합성 유형
광합성에는 세 가지 주요 유형이 있습니다 :C3, C4 및 CAM (Crassulacean acid 대사). 그것들은 효소 루비 스코가 이산화탄소 대신 산소에 작용할 때 발생하는 낭비적인 과정 인 광 임원을 관리하는 방식이 다릅니다. 광도는 캘빈주기와 경쟁하고 광합성의 효율을 감소시킵니다 (에너지를 낭비하고 고정 된 탄소를 사용하여)
C3 광합성
식물의 대부분은 C3 광합성을 사용합니다. 이는 광합성을 사용하여 광합성을 퇴치하기 위해 특별한 특징이나 적응이 사용되지 않는 과정입니다. 뜨겁고 건조한 기후는 Photorespiration rate로 인해 C3 식물 (예 :쌀, 밀 및 보리)에게는 이상적이지 않습니다. 이는 식물이 물 손실을 방지하기 위해 식물이 기공 (잎기구)을 닫을 때 발생하는 산소의 축적 때문입니다.
.
C4 광합성
C4 광합성은 두 가지 상이한 세포 유형에서 초기 이산화탄소 고정 및 캘빈 사이클을 수행함으로써 광 임원을 감소시킨다. 이 과정은 포스 포에놀 피루 베이트 (PEP) 카르 복실 라제로 알려진 추가 효소를 사용한다. PEP 카르 복실 라제는 (Rubisco와 달리) 산소와 반응하지 않으며 중간에 이산화탄소와 PEP 사이의 반응을 촉매하여 중간 4- 탄소 화합물 옥 살로 아세테이트를 생성 할 수 있습니다. 이어서, 옥 살로 아세테이트를 말 레이트로 감소시키고 묶음 시스 세포로 운반한다. 이들 세포에서, 말 레이트는 탈 카르 복 실화를 겪고, 루비 스코 주변의 이산화탄소 농도에 대한 특수 구획을 형성한다.
.결과적으로, 캘빈주기는 정상적으로 진행될 수 있으며, Rubisco가 산소에 결합 할 수있는 기회가 방지됩니다. C4 플랜트 (예 :옥수수 및 사탕 수수)는 인수의 감소의 이점이 C4 광합성과 관련된 추가 에너지 비용을 능가하는 뜨겁고 건조한 환경에서 C3 식물에 비해 경쟁 우위를 가지고 있습니다.
CAM 광합성
CAM 광합성으로도 알려진 Crassulacean Acid 대사는 별도의 시간에 초기 이산화탄소 고정 및 캘빈 사이클을 수행함으로써 광 임원을 감소시킨다. 캠 플랜트 (예 :선인장 및 파인애플)는 밤에 기내를 열어 이산화탄소가 잎으로 들어갈 수 있도록합니다. 이산화탄소는 C4 광합성에 사용 된 동일한 효소 인 PEP 카르 복실 라제에 의해 옥살로 아세테이트로 전환된다. 옥 살로 아세테이트는이어서 말 레이트로 감소되며, 이는 액포에서 말산으로 저장됩니다.
낮에는 (빛이 쉽게 구할 수있을 때), 캠 식물은 기공을 닫고 캘빈 사이클을 준비합니다. Malate는 엽록체로 운송되고 분해되어 이산화탄소를 방출하여 효소 Rubisco 주위에 크게 농축됩니다. C4 광합성과 유사하게, Crassulacean Acid 대사는 에너지가 비싼 과정입니다. 그러나 광 감성을 최소화하고 물을 절약 해야하는 뜨겁고 건조한 기후의 식물에 매우 유용합니다.
추가 읽기
- 깁스 자유 에너지 란 무엇입니까?
- 흡열 대 발열 반응
- 촉매 및 활성화 에너지
- 단백질 및 아미노산
