식물에서 광합성의 중요성. 광합성이란 무엇입니까? 광합성의 설명, 특징, 단계 및 중요성. 광합성이 일어나는 방법

- 빛 에너지를 의무적으로 사용하여 이산화탄소와 물로부터 유기 물질을 합성합니다.

6CO 2 + 6H 2 O + Q 라이트 → C 6 H 12 O 6 + 6O 2.

고등 식물에서 광합성 기관은 잎이고, 광합성 기관은 엽록체입니다 (엽록체의 구조는 강의 7 번입니다). 엽록체의 틸라코이드 막에는 엽록소와 카로티노이드와 같은 광합성 색소가 포함되어 있습니다. 엽록소에는 여러 가지 유형이 있습니다( 에이, 비, 씨, 디), 주요한 것은 엽록소이다 ㅏ. 엽록소 분자에서는 중앙에 마그네슘 원자가 있는 포르피린 "머리"와 피톨 "꼬리"가 구별될 수 있습니다. 포르피린 "머리"는 편평한 구조이고 친수성이므로 간질의 수생 환경과 마주하는 막 표면에 있습니다. 피톨 "꼬리"는 소수성이므로 엽록소 분자를 막에 유지합니다.

엽록소는 빨간색과 청자색 빛을 흡수하고 녹색을 반사하므로 식물에 특징적인 녹색 색상을 부여합니다. 틸라코이드 막의 엽록소 분자는 다음과 같이 구성됩니다. 광계. 식물과 남조류는 광계 1과 광계 2를 갖고, 광합성 박테리아는 광계 1을 갖는다. 광계-2만이 산소를 방출하여 물을 분해하고 물의 수소로부터 전자를 취할 수 있습니다.

광합성은 복잡한 다단계 과정입니다. 광합성 반응은 두 그룹으로 나뉩니다. 가벼운 단계그리고 반응 어두운 단계.

가벼운 단계

이 단계는 엽록소, 전자 운반체 단백질 및 효소 ATP 합성효소가 참여하여 틸라코이드 막에 빛이 있는 경우에만 발생합니다. 빛의 양자의 작용으로 엽록소 전자가 여기되어 분자를 떠나 틸라코이드 막의 바깥쪽으로 들어가고 결국 음전하를 띠게 됩니다. 산화된 엽록소 분자는 틸라코이드강 내 공간에 위치한 물에서 전자를 가져와 복원됩니다. 이는 물의 분해 또는 광분해로 이어집니다.

H 2 O + Q 광 → H + + OH -.

하이드록실 이온은 전자를 기증하여 반응성 라디칼로 변합니다. OH:

OH - → .OH + e - .

라디칼.OH가 결합하여 물과 자유 산소를 형성합니다.

4NO. → 2H2O + O2.

이 경우 산소는 외부 환경으로 제거되고 양성자는 "양성자 저장소"의 틸라코이드 내부에 축적됩니다. 결과적으로 틸라코이드 막은 한편으로는 H +로 인해 양전하를 띠고 다른 한편으로는 전자로 인해 음전하를 띠게 됩니다. 틸라코이드 막의 외부와 내부 사이의 전위차가 200mV에 도달하면 양성자는 ATP 합성효소 채널을 통해 밀려나고 ADP는 ATP로 인산화됩니다. 원자 수소는 특정 운반체 NADP + (니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산염)을 NADP H 2로 복원하는 데 사용됩니다.

2H + + 2e - + NADP → NADP H 2.

따라서 물의 광분해는 가벼운 단계에서 발생하며 세 가지 주요 과정이 수반됩니다: 1) ATP 합성; 2) NADP·H 2 의 형성; 3) 산소의 형성. 산소는 대기로 확산되고 ATP와 NADP·H 2 는 엽록체 간질로 운반되어 암흑기 과정에 참여합니다.

1 - 엽록체 간질; 2 - 그라나 틸라코이드.

어두운 단계

이 단계는 엽록체의 간질에서 발생합니다. 그 반응에는 빛의 에너지가 필요하지 않으므로 빛뿐만 아니라 어둠에서도 발생합니다. 어두운 단계의 반응은 이산화탄소(공기에서 발생)의 연속적인 변형으로, 포도당과 기타 유기 물질이 형성됩니다.

이 사슬의 첫 번째 반응은 이산화탄소 고정입니다. 이산화탄소 수용체는 5탄당이다 리불로스2인산(RiBF); 효소가 반응을 촉매한다 리불로스 2인산 카르복실라제(RiBP-카르복실라제). 리불로스 비스포스페이트의 카르복실화 결과, 불안정한 6개 탄소 화합물이 형성되어 즉시 두 분자로 분해됩니다. 포스포글리세린산(FGK). 그런 다음 일련의 중간 생성물을 통해 포스포글리세린산이 포도당으로 전환되는 일련의 반응이 있습니다. 이러한 반응은 가벼운 단계에서 형성된 ATP와 NADP·H 2 의 에너지를 사용합니다. 이러한 반응의 주기를 캘빈 회로라고 합니다.

6CO 2 + 24H + + ATP → C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O.

포도당 외에도 광합성 중에 아미노산, 글리세롤 및 지방산, 뉴클레오티드와 같은 복잡한 유기 화합물의 다른 단량체가 형성됩니다. 현재 광합성에는 C 3 - 및 C 4 -광합성의 두 가지 유형이 있습니다.

C 3 -광합성

이는 탄소 3개(C3) 화합물이 첫 번째 생성물이 되는 광합성의 한 유형입니다. C 3 -광합성은 C 4 -광합성 이전에 발견되었습니다(M. Calvin). 위에서 "암흑 단계"라는 제목 아래에 설명된 것은 C 3 광합성입니다. C 3 광합성의 특징: 1) RiBP는 이산화탄소를 받아들이고, 2) RiBP 카르복실화효소는 RiBP 카르복실화 반응을 촉매합니다. 3) RiBP 카르복실화의 결과로 6탄소 화합물이 형성되어 두 개의 FHA로 분해됩니다. FHA는 다음으로 복원됩니다. 삼당 인산염(TF). TF의 일부는 RiBP 재생에 사용되고 일부는 포도당으로 전환됩니다.

1 - 엽록체; 2 - 퍼옥시솜; 3 - 미토콘드리아.

이는 빛에 따라 산소를 흡수하고 이산화탄소를 방출하는 것입니다. 지난 세기 초에도 산소가 광합성을 억제한다는 사실이 밝혀졌습니다. 밝혀진 바와 같이, 이산화탄소뿐만 아니라 산소도 RiBP 카르복실라제의 기질이 될 수 있습니다.

O 2 + RiBP → 포스포글리콜산염(2С) + FHA(3С).

이 효소는 RiBP-oxygenase라고 불립니다. 산소는 이산화탄소 고정의 경쟁적 억제제입니다. 인산염 그룹이 분리되고 인산글리콜산염은 식물이 활용해야 하는 글리콜산염이 됩니다. 그것은 과산화소체로 들어가서 글리신으로 산화됩니다. 글리신은 미토콘드리아로 들어가 세린으로 산화되며 이미 고정된 탄소는 CO2의 형태로 손실됩니다. 결과적으로 두 분자의 글리콜레이트(2C + 2C)가 하나의 PHA(3C)와 CO 2로 변환됩니다. 광호흡으로 인해 C 3 식물의 수확량이 30-40% 감소합니다( C 3 - 식물- C 3 -광합성을 특징으로 하는 식물).

C 4 -광합성 - 첫 번째 생성물이 4개 탄소(C 4) 화합물인 광합성. 1965년에 일부 식물(사탕수수, 옥수수, 수수, 기장)에서 광합성의 첫 번째 산물이 4탄소라는 사실이 밝혀졌습니다. 그런 식물을 불린다. 4개의 식물로. 1966년에 호주 과학자 Hatch와 Slack은 C4 식물이 사실상 광호흡이 없으며 이산화탄소를 훨씬 더 효율적으로 흡수한다는 것을 보여주었습니다. C4 식물의 탄소 변환 경로가 알려지기 시작했습니다. 해치슬랙(Hatch-Slack) 제공.

C4 식물은 잎의 특별한 해부학적 구조가 특징입니다. 모든 전도성 묶음은 세포의 이중층으로 둘러싸여 있습니다. 바깥 쪽은 엽육 세포이고 안쪽은 안감 세포입니다. 이산화탄소는 엽육세포의 세포질에 고정되어 있으며 수용체는 다음과 같습니다. 포스포에놀피루베이트(PEP, 3C) PEP 카르복실화의 결과로 옥살로아세트산(4C)이 형성됩니다. 이 과정은 촉매화됩니다. PEP 카르복실라제. RiBP 카르복실라제와 달리 PEP 카르복실라제는 CO 2 에 대해 높은 친화력을 가지며 가장 중요한 것은 O 2 와 상호작용하지 않는다는 것입니다. 엽육엽록체에는 가벼운 단계의 반응이 활발히 일어나는 과립이 많이 있습니다. 외피 세포의 엽록체에서는 어두운 단계의 반응이 발생합니다.

옥살아세트산(4C)은 말산으로 전환되어 형질모데스마타를 통해 내막 세포로 운반됩니다. 여기서 탈카르복실화 및 탈수되어 피루브산, CO 2 및 NADP·H 2 를 형성합니다.

피루브산은 엽육세포로 돌아가서 PEP의 ATP 에너지를 희생하여 재생됩니다. CO 2 는 FHA 형성과 함께 RiBP 카르복실라제에 의해 다시 고정됩니다. PEP의 재생에는 ATP의 에너지가 필요하므로 C 3 광합성보다 거의 두 배의 에너지가 필요합니다.

광합성의 중요성

광합성 덕분에 매년 수십억 톤의 이산화탄소가 대기에서 흡수되고 수십억 톤의 산소가 방출됩니다. 광합성은 유기 물질 형성의 주요 원천입니다. 오존층은 산소로 형성되어 단파장 자외선으로부터 생명체를 보호합니다.

광합성 중에 녹색 잎은 그 위에 떨어지는 태양 에너지의 약 1%만을 사용하며 생산성은 시간당 표면 1m 2 당 약 1g의 유기물입니다.

화학합성

빛 에너지를 희생하지 않고 무기 물질의 산화 에너지를 희생하여 수행되는 이산화탄소와 물로부터 유기 화합물의 합성을 호출합니다. 화학합성. 화학합성 유기체에는 일부 유형의 박테리아가 포함됩니다.

질화박테리아암모니아를 아질산으로 산화시킨 다음 질산으로 산화시킵니다(NH 3 → HNO 2 → HNO 3).

철 박테리아철을 산화물로 변환합니다(Fe 2+ → Fe 3+).

유황박테리아황화수소를 황 또는 황산으로 산화시킵니다 (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).

무기 물질의 산화 반응의 결과로 에너지가 방출되며, 이는 ATP의 고에너지 결합 형태로 박테리아에 의해 저장됩니다. ATP는 광합성의 어두운 단계의 반응과 유사하게 진행되는 유기 물질의 합성에 사용됩니다.

화학합성세균은 토양 내 미네랄 축적에 기여하고, 토양 비옥도를 향상시키며, 폐수 처리를 촉진하는 등의 역할을 합니다.

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광합성은 어디서 일어나는가?

녹색 식물의 잎

정의

1) 가벼운 단계;

2) 어두운 단계.

광합성의 단계

가벼운 단계

어두운 단계

결과

광합성은 어디서 일어나는가?

글쎄, 질문에 즉시 대답하면 광합성이 다음에서 일어난다고 말할 것입니다. 녹색 식물의 잎아니면 오히려 그들의 세포에서. 여기서 주요 역할은 광합성이 불가능한 특수 세포인 엽록체에 의해 수행됩니다. 나는 이 과정, 즉 광합성이 생명체의 놀라운 속성인 것 같다는 점에 주목할 것입니다.

광합성이 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출한다는 것은 누구나 알고 있습니다. 이러한 이해하기 쉬운 현상이자 동시에 수많은 다른 입자와 분자가 참여하는 살아있는 유기체의 가장 복잡한 과정 중 하나입니다. 결국 우리 모두가 호흡하는 산소가 방출됩니다.

자, 우리가 귀중한 산소를 얻는 방법을 알려 드리겠습니다.

정의

광합성은 햇빛을 이용하여 무기물질로부터 유기물질을 합성하는 것이다. 즉, 나뭇잎에 떨어지는 햇빛은 광합성 과정에 필요한 에너지를 제공합니다. 결과적으로 무기물에서 유기물이 형성되고 공기 중의 산소가 방출됩니다.

광합성은 2단계로 진행됩니다.

1) 가벼운 단계;

2) 어두운 단계.

광합성의 단계에 대해 조금 말씀드리겠습니다.

광합성의 단계

가벼운 단계- 이름에서 알 수 있듯이 녹색 잎 세포의 표면 막(과학 용어로 할머니 막)에서 빛 속에서 발생합니다. 여기에 주요 참여자는 엽록소, 특수 단백질 분자(운반체 단백질), 에너지 공급원인 ATP 합성효소 등이 될 것이다.

일반적인 광합성 과정과 마찬가지로 가벼운 단계는 엽록소 분자에 대한 빛 양자의 작용으로 시작됩니다. 이 상호 작용의 결과로 엽록소는 여기 상태에 들어가고 이로 인해 바로 이 분자가 전자를 잃어 막의 외부 표면으로 전달됩니다. 또한, 잃어버린 전자를 회복하기 위해 엽록소 분자는 이를 물 분자로부터 빼앗아 분해를 일으킵니다. 우리 모두는 물이 두 개의 수소 분자와 하나의 산소로 구성되어 있으며 물이 분해되면 산소가 대기로 유입되고 양전하를 띤 수소가 막 내부 표면에 모인다는 것을 알고 있습니다.

따라서 음전하를 띤 전자가 한쪽에 집중되어 있고 다른쪽에는 양전하를 띤 수소 양성자가 집중되어 있음이 밝혀졌습니다. 이 순간부터 양성자가 전자로 이동하고 농도 차이를 줄이기 위한 일종의 통로를 형성하는 ATP 합성효소 분자가 나타납니다. 이에 대해서는 아래에서 논의합니다. 이 시점에서 가벼운 단계는 끝나고 ATP의 에너지 분자가 형성되고 특정 운반체 분자 NADP*H2가 복원되면서 끝납니다.

즉, 물의 분해가 발생하여 산소가 방출되고 ATP 분자가 형성되어 광합성의 추가 흐름을 위한 에너지를 제공합니다.

어두운 단계- 이상하게도 이 단계는 밝은 곳과 어두운 곳 모두에서 진행될 수 있습니다. 이 단계는 광합성에 적극적으로 관여하는 잎 세포의 특수 소기관(색소체)에서 발생합니다. 이 단계에는 첫 번째 단계에서 합성된 동일한 ATP 분자와 NADPH의 도움으로 진행되는 여러 화학 반응이 포함됩니다. 차례로, 여기서 주요 역할은 물과 이산화탄소에 속합니다. 암흑기에는 지속적인 에너지 공급이 필요합니다. 이산화탄소는 대기에서 나오고 수소는 첫 번째 단계에서 형성되었으며 ATP 분자는 에너지를 담당합니다. 암흑기의 주요 결과는 탄수화물, 즉 식물이 살아가는 데 필요한 바로 그 유기물입니다.

결과

이것이 무기물에서 유기물 (탄수화물)이 형성되는 과정이 일어나는 방식입니다. 결과적으로 식물은 생명에 필요한 물질을 얻고 우리는 공기로부터 산소를 얻습니다. 이 모든 과정은 엽록체(“녹색 세포”)가 있는 세포인 녹색 식물에서만 일어난다는 점을 덧붙일 것입니다.

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광합성은 모든 생명체에게 필수적입니다. 식물은 광합성을 통해 양분을 얻고, 동물과 사람은 호흡을 위해 순수한 산소를 얻습니다. 그러나 광합성이 일어나기 위해서는 특정한 조건이 필요합니다.

광합성의 주요 조건은 다음과 같습니다.

햇빛;
이산화탄소(CO2);
물(H2O);
식물 잎의 엽록소.

광합성에 필요한 조건은 다양한 자연 과정과 생명체에 의해 자동으로 생성됩니다. 결국 빛 에너지는 태양으로부터 지구로 들어오고 식물은 대기에서 이산화탄소를, 토양에서 물을 섭취합니다.

광합성의 필수 조건인 햇빛

태양 에너지는 광합성 반응뿐만 아니라 모든 생명체의 생명을 위한 전제 조건입니다. 그것은 우리의 유일한 별인 태양에서 우리에게 옵니다. 광합성의 밝은 단계가 발생하는 것은 햇빛의 영향을 받으며, 어두운 단계도 직접적으로 의존합니다. 태양의 에너지는 식물 잎의 구성에서 엽록소 전자를 여기시킬 수 있으며 이로 인해 가벼운 단계의 나머지 과정이 진행됩니다. 여기에서 광합성의 가벼운 단계에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.

광합성 과정에서 대기 중 이산화탄소 존재의 중요성

광합성이 일어나기 위한 두 번째 전제조건은 지구 대기에 CO2가 존재한다는 것입니다. 이산화탄소는 사람과 동물의 호흡 과정에서 대기로 유입되며, 녹색 식물도 호흡하고 이산화탄소를 배출합니다. CO2는 온실가스이며, 대기 중 농도가 높으면 온실 효과를 유발할 수 있으며, 이는 우리 시대에 특히 심각해졌습니다. 광합성을 위해서는 CO2 분자가 점진적으로 전체 변환 주기를 거치는 암흑 단계에서 이산화탄소가 필요합니다. 결과적으로 식물은 대기로부터 유해한 CO2를 고농도로 흡수하고 공기의 일부인 순수한 O2를 대기 중으로 방출합니다. 지구 대기에 너무 적은 CO2가 있으면 육상 생물에도 해로운 영향을 미친다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이산화탄소의 긍정적인 기능은 지구에 열을 유지하여 지구 표면의 온도가 너무 낮아지지 않도록 하는 것입니다.

광합성 과정에서 물의 기능

물은 생명의 원천입니다. 거의 모든 자연 과정에 관여하며 모든 살아있는 유기체에서 발견되며 물은 보편적인 용매입니다. 물론 물은 지구상의 주요 물질이기 때문에 광합성 과정에 필수적입니다. 물이 없으면 식물, 그리고 잎과 세포가 생존할 수 없다는 사실부터 시작해 보겠습니다. 따라서 광합성에 필요한 조건을 쉽게 만들 수 없습니다. 광합성 자체의 반응에서 물은 가벼운 단계에 참여합니다. 물 분자의 작용으로 인해 자유 산소 형성에 필요한 반응성 OH 라디칼이 생성됩니다.

녹색 색소 - 광합성의 주성분인 엽록소

엽록소는 광합성의 주요하고 필수적인 조건입니다. 엽록소는 광합성의 초기 및 주요 반응이 발생하는 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 광합성에서 엽록소의 역할은 다음과 같습니다. 햇빛에 노출되면 전자가 여기되어 틸라코이드 막으로 활발하게 이동하기 시작합니다. 그런 다음 틸라코이드 막의 서로 다른 두 측면에 있는 두 개의 음전하 덕분에 인산화 과정이 발생하여 광합성의 어두운 단계인 ATP에서 주요 에너지원을 생성합니다. 따라서 엽록소는 식물 유기물 합성에 중요한 역할을 합니다.

이제 광합성에 필요한 조건은 자연이 진화 과정에서 자동으로 만들어지는 것인데, 사람은 이를 감상해야 한다. 불행하게도 오늘날 인류의 행동과 그것이 우리 주변 세계에 미치는 영향은 지구상의 생명을 파괴할 뿐입니다. 세계적인 삼림 벌채, 유해 물질 및 가스로 인한 대기의 대량 오염, 행성 주민 수의 증가-이 모든 것이 많은 유형의 광합성 식물이 단순히 사라질 것이라는 사실로 이어지며 이로 인해 광합성 과정이 결국 중지됩니다.

광합성과 자유 라디칼 - 비디오

이름에서 알 수 있듯이 광합성은 본질적으로 대기와 물의 CO2를 포도당과 유리 산소로 변환하는 유기 물질의 자연 합성입니다.

이를 위해서는 태양 에너지가 필요합니다.

광합성 과정의 화학반응식은 일반적으로 다음과 같이 표현될 수 있다.

광합성에는 어둠과 빛의 두 단계가 있습니다. 광합성의 어두운 단계의 화학 반응은 밝은 단계의 반응과 크게 다르지만, 광합성의 어두운 단계와 밝은 단계는 서로 의존합니다.

가벼운 단계는 햇빛에서만 식물 잎에서 발생할 수 있습니다. 어두운 곳에서는 이산화탄소의 존재가 필요하므로 식물은 항상 대기에서 이산화탄소를 흡수해야 합니다. 광합성의 어두운 단계와 밝은 단계의 모든 비교 특성은 아래에 제공됩니다. 이를 위해 "광합성 단계"비교표가 생성되었습니다.

광합성의 가벼운 단계

광합성의 가벼운 단계의 주요 과정은 틸라코이드 막에서 발생합니다. 여기에는 엽록소, 전자 운반체 단백질, ATP 합성효소(반응 속도를 높이는 효소) 및 햇빛이 포함됩니다.

또한 반응 메커니즘은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 햇빛이 식물의 녹색 잎에 닿으면 엽록소 전자(음전하)가 구조에서 여기되어 활성 상태로 전환되어 색소 분자를 떠나 결국 틸라코이드의 바깥쪽도 음전하를 띠고 있습니다. 동시에 엽록소 분자는 산화되고 이미 산화되어 복원되어 잎 구조에 있는 물에서 전자를 빼앗습니다.

이 과정은 물 분자가 분해되고 물의 광분해 결과 생성된 이온이 전자를 기증하고 추가 반응을 수행할 수 있는 OH 라디칼로 변한다는 사실로 이어집니다. 또한 이러한 반응성 OH 라디칼이 결합되어 본격적인 물 분자와 산소가 생성됩니다. 이 경우 유리 산소가 외부 환경으로 방출됩니다.

이러한 모든 반응과 변형의 결과로 잎 틸라코이드 막은 한편으로는 (H + 이온으로 인해) 양전하를 띠고 다른 한편으로는 (전자로 인해) 음전하를 띠게 됩니다. 막 양쪽의 전하 차이가 200mV 이상에 도달하면 양성자는 ATP 합성 효소의 특수 채널을 통과하고 이로 인해 ADP가 ATP로 변환됩니다(인산화 과정의 결과). 그리고 물에서 방출된 원자 수소는 특정 운반체 NADP+를 NADP H2로 복원합니다. 보시다시피, 광합성의 가벼운 단계의 결과로 세 가지 주요 과정이 발생합니다.

ATP 합성;
NADP H2 생성;
유리 산소의 형성.

후자는 대기로 방출되고 NADP H2와 ATP는 광합성의 어두운 단계에 참여합니다.

광합성의 어두운 단계

광합성의 어두운 단계와 밝은 단계는 식물 측에서 많은 양의 에너지를 소비하는 것이 특징이지만, 어두운 단계는 더 빠르게 진행되고 더 적은 에너지를 필요로 합니다. 암흑상 반응에는 햇빛이 필요하지 않으므로 낮이나 밤에 발생할 수 있습니다.

이 단계의 모든 주요 과정은 식물 엽록체의 간질에서 발생하며 대기에서 이산화탄소가 연속적으로 변환되는 일종의 사슬을 나타냅니다. 그러한 사슬의 첫 번째 반응은 이산화탄소의 고정입니다. 보다 원활하고 빠르게 작동하도록 하기 위해 자연은 CO2 고정을 촉매하는 RiBP-카르복실라제 효소를 제공했습니다.

그런 다음 전체 반응주기가 발생하고 그 완료는 포스포글리세린산이 포도당(천연 설탕)으로 전환되는 것입니다. 이러한 모든 반응은 광합성의 명기 단계에서 생성된 ATP와 NADP H2의 에너지를 사용합니다. 포도당 외에도 광합성의 결과로 다른 물질도 형성됩니다. 그중에는 다양한 아미노산, 지방산, 글리세롤 및 뉴클레오티드가 있습니다.

광합성 단계: 비교표

*비교 기준*	*가벼운 단계*	*암흑기*
햇빛	필수적인	필요하지 않음
반응 위치	엽록체 그라나	엽록체 간질
에너지원에 대한 의존성	햇빛에 따라 다름	가벼운 단계에서 형성된 ATP 및 NADP H2와 대기 중 CO2의 양에 따라 달라집니다.
출발 물질	엽록소, 전자 운반체 단백질, ATP 합성효소	이산화탄소
위상의 본질과 형성되는 것	유리 O2가 방출되고 ATP와 NADP H2가 형성됩니다.	천연 설탕(포도당)의 형성과 대기 중 CO2의 흡수

광합성 - 비디오

이산화탄소로부터 탄수화물을 합성하는 데 후자를 사용하여 태양의 복사 에너지를 화학 에너지로 변환하는 과정입니다. 이것이 태양 에너지를 포착하여 지구상의 생명체에 사용하는 유일한 방법입니다.

태양에너지를 포착하고 변환하는 일은 다양한 광합성 유기체(광독립영양생물)에 의해 수행됩니다. 여기에는 다세포 유기체(고등 녹색 식물 및 하급 형태 - 녹색, 갈색 및 홍조류)와 단세포 유기체(유글레나, 와편모충 및 규조류)가 포함됩니다. 광합성 유기체의 큰 그룹은 청록 조류, 녹색 및 보라색 박테리아와 같은 원핵 생물입니다. 지구상의 광합성 작업의 약 절반은 고등 녹색 식물에 의해 수행되고 나머지 절반은 주로 단세포 조류에 의해 수행됩니다.

광합성에 대한 최초의 아이디어는 17세기에 형성되었습니다. 미래에는 새로운 데이터가 등장하면서 이러한 생각은 여러 번 바뀌었습니다. [보여주다] .

광합성에 대한 아이디어 개발

광합성 연구의 시작은 Van Helmont가 식물 자체가 유기 물질을 형성하고 토양에서 흡수하지 않는다는 것을 보여준 1630년에 시작되었습니다. 그는 버드나무가 자라는 흙 화분과 나무 자체의 무게를 달아 5년 안에 나무의 질량이 74kg 증가한 반면 흙은 57g만 손실되었음을 보여주었습니다. Van Helmont는 식물이 다음과 같은 영향을 받는다는 결론에 도달했습니다. 나무에 물을 뿌린 물로 남은 음식. 이제 우리는 합성의 주요 물질이 식물이 공기 중에서 추출하는 이산화탄소라는 것을 알고 있습니다.

1772년에 조셉 프리스틀리(Joseph Priestley)는 민트 싹이 촛불이 타면서 "부패한" 공기를 "교정"한다는 것을 보여주었습니다. 7년 후 Jan Ingenhuis는 식물이 빛 속에 있을 때만 나쁜 공기를 "교정"할 수 있으며, 공기를 "교정"하는 식물의 능력은 낮의 맑음과 식물이 머무는 시간에 비례한다는 사실을 발견했습니다. 햇빛에. 어둠 속에서 식물은 "동물에게 해로운" 공기를 방출합니다.

광합성에 관한 지식 발전의 다음 중요한 단계는 1804년에 수행된 소쉬르의 실험이었습니다. 소쉬르는 광합성 전후의 공기와 식물의 무게를 측정함으로써 식물의 건조 질량의 증가가 공기에서 식물이 흡수하는 이산화탄소의 질량을 초과한다는 사실을 발견했습니다. 소쉬르는 질량 증가와 관련된 또 다른 물질이 물이라는 결론에 도달했습니다. 따라서 160년 전 광합성 과정은 다음과 같이 상상되었습니다.

H 2 O + CO 2 + hv -> C 6 H 12 O 6 + O 2

물 + 이산화탄소 + 태양 에너지 ----> 유기물 + 산소

Ingenhus는 광합성에서 빛의 역할은 이산화탄소의 분해라고 제안했습니다. 이 경우 산소가 방출되고 방출된 "탄소"는 식물 조직을 만드는 데 사용됩니다. 이를 바탕으로 생명체를 태양 에너지를 이용해 이산화탄소를 '동화'시킬 수 있는 녹색 식물과, 빛 에너지를 사용할 수 없고 CO 2 를 흡수하지 못하는 엽록소를 포함하지 않는 기타 유기체로 나누었습니다.

생물 세계를 나누는 이 원리는 1887년 S. N. Vinogradsky가 어둠 속에서 이산화탄소를 동화(즉, 유기 화합물로 전환)할 수 있는 엽록소가 없는 유기체인 화학합성 박테리아를 발견했을 때 위반되었습니다. 또한 1883년 엥겔만이 산소 방출을 수반하지 않는 일종의 광합성을 수행하는 보라색 박테리아를 발견했을 때에도 위반되었습니다. 당시에는 이 사실이 제대로 평가되지 않았습니다. 한편, 어둠 속에서 이산화탄소를 흡수하는 화학합성 박테리아의 발견은 이산화탄소의 동화가 광합성만의 특징으로 간주될 수 없음을 보여줍니다.

1940년 이후에는 표지 탄소를 사용함으로써 식물, 박테리아, 동물 등 모든 세포가 이산화탄소를 흡수할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 즉, 이산화탄소를 유기 물질 분자에 포함시킬 수 있다는 것입니다. 이에 필요한 에너지를 끌어오는 출처만 다릅니다.

광합성 연구에 대한 또 다른 주요 공헌은 1905년 블랙맨(Blackman)에 의해 이루어졌습니다. 그는 광합성이 두 가지 연속적인 반응, 즉 빠른 빛 반응과 일련의 느리고 빛에 독립적인 단계로 구성되어 있음을 발견했습니다. 이를 그는 템포 반응이라고 불렀습니다. Blackman은 고강도 빛을 사용하여 광합성 시스템이 첫 번째 경우 광합성 시스템이 절반의 빛을 받는다는 사실에도 불구하고 섬광 지속 시간이 1초에 불과한 간헐적 조명과 연속 조명 하에서 동일한 속도로 광합성이 진행된다는 것을 보여주었습니다. 에너지. 광합성의 강도는 암흑기가 크게 증가한 경우에만 감소했습니다. 추가 연구에서는 온도가 증가함에 따라 암반응 속도가 크게 증가하는 것으로 나타났습니다.

광합성의 화학적 기초에 관한 다음 가설은 1931년에 반 니엘(van Niel)이 제시했는데, 그는 1931년에 박테리아의 광합성이 산소 방출을 수반하지 않고 혐기성 조건에서 일어날 수 있다는 것을 실험적으로 보여주었습니다. Van Niel은 원칙적으로 광합성 과정이 박테리아와 녹색 식물에서 유사하다고 제안했습니다. 후자의 경우, 특정 방식으로 이산화탄소의 동화에 참여하는 환원제(H)와 산화제(OH)를 형성하여 물(H 2 O)의 광분해에 빛 에너지가 사용됩니다. 분자 산소의 가상적인 전구체. 박테리아에서도 광합성은 일반적으로 같은 방식으로 진행되지만 H 2 S 또는 분자 수소는 수소 공여체 역할을하므로 산소가 방출되지 않습니다.

광합성에 관한 현대적인 생각

현대 개념에 따르면, 광합성의 본질은 햇빛의 복사 에너지를 ATP 및 환원된 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산염(NADP) 형태의 화학 에너지로 변환하는 것입니다. · N).

현재 광합성 과정은 광합성 구조가 활발하게 활동하는 두 단계로 구성되어 있다는 것이 일반적으로 받아들여지고 있습니다. [보여주다] 및 감광성 세포 색소.

광합성 구조

박테리아에서광합성 구조는 세포막이 함입되어 메조솜의 층상 소기관을 형성하는 형태로 나타납니다. 박테리아를 파괴하여 얻은 분리된 메소솜을 염색체라고 하며, 여기에는 감광 장치가 포함되어 있습니다.

진핵생물에서광합성 장치는 식물에 녹색을 부여하고 광합성에 중요한 역할을 하는 녹색 색소 엽록소를 포함하는 특수 세포 내 소기관인 엽록체에 위치하여 햇빛의 에너지를 포착합니다. 엽록체는 미토콘드리아와 마찬가지로 DNA, RNA 및 단백질 합성 장치를 포함하고 있습니다. 즉, 엽록체는 스스로 재생산할 수 있는 잠재적인 능력을 가지고 있습니다. 엽록체는 미토콘드리아보다 몇 배 더 큽니다. 엽록체의 수는 조류의 경우 1개에서 고등 식물의 경우 세포당 40개까지 다양합니다.

녹색 식물의 세포에는 엽록체 외에도 종속 영양 세포와 마찬가지로 밤에 호흡으로 인해 에너지를 생성하는 데 사용되는 미토콘드리아도 있습니다.

엽록체는 구형이거나 편평하다. 그들은 외부와 내부의 두 개의 막으로 둘러싸여 있습니다 (그림 1). 내부 막은 평평한 거품 모양의 디스크가 쌓인 형태로 쌓여 있습니다. 이 스택을 패싯이라고 합니다.

각 그라나는 동전 기둥처럼 배열된 별도의 층으로 구성됩니다. 단백질 분자 층은 엽록소, 카로틴 및 기타 색소뿐만 아니라 특수한 형태의 지질(갈락토오스 또는 황을 포함하지만 지방산은 하나만 포함)을 포함하는 층과 번갈아 나타납니다. 이러한 계면활성제 지질은 분자의 개별 층 사이에 흡착되어 단백질과 색소의 교대 층으로 구성된 구조를 안정화시키는 역할을 하는 것으로 보입니다. 이러한 층상(라멜라) 그라나 구조는 광합성 중에 한 분자에서 가까운 분자로 에너지 전달을 촉진할 가능성이 높습니다.

조류에는 각 엽록체에 곡물이 1개 이하이고 고등 식물에는 최대 50개의 곡물이 막 다리로 연결되어 있습니다. 곡물 사이의 수성 매체는 "암흑 반응"을 수행하는 효소를 포함하는 엽록체의 간질입니다.

그라나를 구성하는 소포형 구조를 틸락토이드라고 합니다. 그라나에는 10~20개의 틸락토이드가 있습니다.

필요한 광 포획 색소와 에너지 변환 장치의 구성 요소를 포함하는 틸락틱 막의 광합성의 기본 구조 및 기능 단위를 양자소체라고 하며 약 230개의 엽록소 분자로 구성됩니다. 이 입자의 질량은 약 2 x 10 6 달톤이고 크기는 약 17.5 nm입니다.

	광합성의 단계
	조명 무대(또는 에너지)	암흑기(또는 대사)
반응의 위치	흉막의 양자체에서는 빛 속에서 진행됩니다.	이는 틸락토이드 외부, 간질의 수생 환경에서 수행됩니다.
시작 제품	빛에너지, 물(H 2 O), ADP, 엽록소	CO 2, 리불로스 이인산염, ATP, NADPH 2
프로세스의 본질	물의 광분해, 인산화 광합성의 명 단계에서 빛 에너지는 ATP의 화학 에너지로 변환되고, 에너지가 부족한 물 전자는 에너지가 풍부한 NADP 전자로 변환됩니다. · 하 2 . 광 단계에서 형성된 부산물은 산소입니다. 명단계의 반응을 "명반응"이라고 합니다.	카르복실화, 수소화, 탈인산화 광합성의 어두운 단계에서는 CO 2 로부터 포도당의 환원 합성이 관찰되는 "암흑 반응"이 발생합니다. 밝은 무대의 에너지가 없으면 어두운 무대도 불가능하다.
최종 제품	O 2, ATP, NADPH 2 명반응의 에너지가 풍부한 생성물 - ATP 및 NADP · H 2 는 광합성의 어두운 단계에서 추가로 사용됩니다.
밝은 단계와 어두운 단계의 관계는 다음과 같은 방식으로 표현될 수 있습니다. 광합성 과정은 에너지 소모적입니다. 이는 자유에너지의 증가를 동반하므로 외부로부터 상당한 양의 에너지 공급이 필요하다. 전체 광합성 방정식은 다음과 같습니다. 6CO 2 + 12H 2 O ---> C 6 H 12 O 62 + 6H 2 O + 6O 2 + 2861 kJ/mol.

육상 식물은 광합성에 필요한 물을 뿌리를 통해 흡수하는 반면, 수생 식물은 환경으로부터 확산되어 물을 얻습니다. 광합성에 필요한 이산화탄소는 잎 표면의 작은 구멍인 기공을 통해 식물 안으로 확산됩니다. 광합성 과정에서 이산화탄소가 소비되기 때문에 세포 내 농도는 일반적으로 대기보다 다소 낮습니다. 광합성 중에 방출된 산소는 세포 밖으로 확산된 다음 기공을 통해 식물 밖으로 확산됩니다. 광합성 중에 생성된 당은 식물의 농도가 낮은 부분으로 확산됩니다.

광합성을 위해서는 식물에 이산화탄소가 0.03%만 포함되어 있기 때문에 많은 양의 공기가 필요합니다. 결과적으로 10,000m 3의 공기에서 3m 3의 이산화탄소를 얻을 수 있으며 광합성 중에 약 110g의 포도당이 형성됩니다. 일반적으로 식물은 공기 중 이산화탄소 농도가 높을수록 더 잘 자랍니다. 따라서 일부 온실에서는 공기 중 CO 2 함량을 1-5%로 조정합니다.

광합성의 빛(광화학) 단계 메커니즘

태양 에너지와 다양한 안료는 광합성의 광화학 기능 구현에 참여합니다. 녹색 - 엽록소 a 및 b, 노란색 - 카로티노이드 및 빨간색 또는 파란색 - 피코빌린. 이 색소 복합체 중에서 엽록소 a만이 광화학적으로 활성을 가집니다. 나머지 색소는 광양자(일종의 집광 렌즈)의 수집자이자 광화학 센터의 전도체로서 보조적인 역할을 합니다.

특정 파장의 태양 에너지를 효과적으로 흡수하는 엽록소의 능력을 기반으로 기능성 광화학 센터 또는 광계가 틸락틱막에서 확인되었습니다(그림 3).

광계 I(엽록소 ㅏ) - 약 700 nm 파장의 빛을 흡수하는 색소 700(P 700)을 함유하고 있으며 광합성의 명 단계 생성물인 ATP 및 NADP 형성에 중요한 역할을 합니다. · H 2
광계 II(엽록소 비) - 680 nm 파장의 빛을 흡수하는 색소 680(P 680)을 함유하고 있으며, 물의 광분해로 인해 광계 I에서 손실된 전자를 보충하는 보조 역할을 합니다.

광계 I과 II에 있는 300-400개의 빛을 수확하는 색소 분자의 경우 광화학적 활성 색소 분자인 엽록소 a가 단 한 분자만 있습니다.

식물이 흡수하는 빛의 양자

P 700 안료를 바닥 상태에서 여기 상태인 P * 700으로 옮깁니다. 여기서 P 700 + 형태의 양전자 정공이 형성되면서 전자를 쉽게 잃습니다.
P 700 ---> P * 700 ---> P + 700 + e -
그 후 전자를 잃은 색소분자는 전자수용체(전자를 받아들일 수 있는) 역할을 하여 환원된 형태로 들어갈 수 있다.
다음 계획에 따라 광계 II의 광화학 중심 P 680에서 물의 분해(광산화)를 일으킵니다.
H 2 O ---> 2H + + 2e - + 1/2O 2
물의 광분해를 힐(Hill) 반응이라고 합니다. 물의 분해에 의해 생성된 전자는 처음에 Q로 지정된 물질(시토크롬은 아니지만 흡수 최대치 때문에 시토크롬 C 550이라고도 함)에 의해 수용됩니다. 그런 다음 물질 Q에서 미토콘드리아와 조성이 유사한 운반체 사슬을 통해 전자가 광계 I에 공급되어 시스템에 의한 광양 흡수의 결과로 형성된 전자 구멍을 채우고 색소 P + 700을 복원합니다.

그러한 분자가 단순히 동일한 전자를 다시 받으면 빛 에너지는 열과 형광의 형태로 방출됩니다(이것이 순수한 엽록소의 형광의 이유입니다). 그러나 대부분의 경우 방출된 음전하 전자는 특수한 철-황 단백질(FeS-center)에 의해 수용된 후

또는 캐리어 체인 중 하나를 따라 P + 700으로 다시 운반되어 전자 구멍을 채웁니다.
또는 페레독신과 플라보단백질을 통해 영구 수용체(NADP)까지 다른 운반체 사슬을 따라 이동합니다. · H 2

첫 번째 경우에는 닫힌 순환 전자 전송이 있고 두 번째 경우에는 비순환적입니다.

두 과정 모두 동일한 전자 운반체 사슬에 의해 촉매됩니다. 그러나 순환적 광인산화에서는 엽록소에서 전자가 반환됩니다. ㅏ다시 엽록소로 ㅏ, 비순환 광인산화에서는 전자가 엽록소 b에서 엽록소로 이동합니다. ㅏ.

순환(광합성) 인산화

비순환적 인산화

순환 인산화의 결과로 ATP 분자가 형성됩니다. 이 과정은 일련의 연속적인 단계를 통해 여기된 전자가 P 700 으로 되돌아오는 것과 관련됩니다. 여기된 전자가 P700으로 돌아오면 에너지가 방출됩니다(높은 에너지 수준에서 낮은 에너지 수준으로 전환하는 동안). 이는 인산화 효소 시스템의 참여로 ATP의 인산염 결합에 축적되고 형광과 열의 형태로 소멸됩니다(그림 4.). 이 과정을 광합성 인산화(미토콘드리아에 의해 수행되는 산화적 인산화와 반대)라고 합니다.

광합성 인산화- 광합성의 1차 반응 - 햇빛 에너지를 사용하여 엽록체 틸락토이드 막에서 화학 에너지(ADP 및 무기 인산염으로부터 ATP 합성)를 형성하는 메커니즘. CO 2 동화의 암반응에 필요

비순환적 인산화의 결과로 NADP+는 NADP의 형성과 함께 감소됩니다. · N. 이 과정은 전자를 페레독신으로 전달하고 환원하고 NADP +로 추가 전환한 다음 NADP로 환원하는 것과 관련됩니다. · 시간

두 과정 모두 흉곽에서 발생하지만 두 번째 과정은 더 복잡합니다. 그것은 광계 II의 작업과 연관되어 있습니다.

따라서 손실된 P 700 전자는 광계 II에서 빛의 작용으로 분해된 물의 전자에 의해 보충됩니다.

ㅏ+ 바닥상태로 엽록소의 자극에 의해 분명히 형성됨 비. 이러한 고에너지 전자는 페레독신으로 이동한 다음 플라보단백질과 시토크롬을 거쳐 엽록소로 이동합니다. ㅏ. 마지막 단계에서 ADP는 ATP로 인산화됩니다(그림 5).

엽록소를 반환하는 데 필요한 전자 V그 바닥 상태는 아마도 물이 해리되는 동안 형성된 OH-이온에 의해 공급될 것입니다. 물 분자 중 일부는 H + 및 OH - 이온으로 해리됩니다. 전자 손실의 결과로 OH-이온은 라디칼(OH)로 변환되어 나중에 물 분자와 기체 산소를 생성합니다(그림 6).

이론의 이러한 측면은 18 0으로 표시된 물과 CO 2를 사용한 실험 결과로 확인됩니다. [보여주다] .

이러한 결과에 따르면, 광합성 중에 방출되는 기체 산소는 모두 CO 2 가 아닌 물에서 나온 것입니다. 물 분해 반응은 아직 자세히 연구되지 않았습니다. 그러나 하나의 엽록소 분자의 여기를 포함하여 비순환 광인산화(그림 5)의 모든 연속적인 반응의 구현은 분명합니다. ㅏ그리고 하나의 엽록소 분자 비, 하나의 NADP 분자가 형성되어야 합니다 · H, ADP 및 F n에서 두 개 이상의 ATP 분자 및 하나의 산소 원자 방출. 이를 위해서는 최소한 4개의 빛 양자가 필요합니다(각 엽록소 분자당 2개의 빛).

H 2 O에서 NADP로의 비순환적 전자 흐름 · 두 광계와 이들을 연결하는 전자 전달 사슬의 상호 작용 중에 발생하는 H 2는 산화 환원 전위 값에도 불구하고 관찰됩니다. 1 / 2O 2 /H 2 O \u003d +0.81 V의 경우 E °, E °의 경우 NADP / NADP · H = -0.32V. 빛의 에너지는 전자의 흐름을 반전시킵니다. 광계 II에서 광계 I로 이동하는 동안 전자 에너지의 일부가 틸락토이드 막의 양성자 전위 형태로 축적된 다음 ATP 에너지로 축적되는 것이 필수적입니다.

전자 전달 사슬에서 양성자 전위를 형성하는 메커니즘과 엽록체에서 ATP를 형성하는 데 사용되는 메커니즘은 미토콘드리아의 메커니즘과 유사합니다. 그러나 광인산화 메커니즘에는 몇 가지 특징이 있습니다. 틸락토이드는 뒤집어진 미토콘드리아와 같기 때문에 막을 통한 전자와 양성자의 이동 방향은 미토콘드리아 막의 방향과 반대입니다(그림 6). 전자는 외부로 이동하고 양성자는 틸락시스 매트릭스 내부에 집중됩니다. 매트릭스는 양전하를 띠고 틸락토이드의 외막은 음전하를 띠고 있습니다. 즉, 양성자 구배의 방향은 미토콘드리아의 방향과 반대입니다.

또 다른 특징은 미토콘드리아에 비해 양성자 전위의 pH 비율이 상당히 높다는 것입니다. 틸락토이드 매트릭스는 매우 산성이므로 Δ pH는 0.1-0.2 V에 도달할 수 있고 Δ Ψ는 약 0.1 V입니다. Δ μ H+의 총 값 > 0.25 V입니다.

엽록체에서 "СF 1 +F 0" 복합체로 지정된 H + -ATP 합성효소도 반대 방향으로 배향되어 있습니다. 머리(F 1)는 바깥쪽, 즉 엽록체 간질을 향해 있습니다. 양성자는 СF 0 +F 1을 통해 매트릭스 밖으로 밀려나고, 양성자 전위의 에너지로 인해 F 1의 활성 중심에 ATP가 형성됩니다.

미토콘드리아 사슬과 대조적으로, 틸락토이드 사슬은 명백히 두 개의 접합 부위만을 가지고 있으므로, 하나의 ATP 분자를 합성하려면 두 개가 아닌 세 개의 양성자가 필요합니다(즉, 3 H + / 1 mol ATP 비율).

따라서 광합성의 첫 번째 단계에서 명반응 동안 엽록체 간질에 ATP와 NADP가 형성됩니다. · H - 어두운 반응을 구현하는 데 필요한 제품입니다.

광합성의 어두운 단계의 메커니즘

광합성의 암반응은 탄수화물을 형성하면서 이산화탄소를 유기 물질에 결합시키는 과정입니다(CO2로부터의 포도당 광합성). 광합성의 가벼운 단계의 생성물인 ATP 및 NADP의 참여로 엽록체 간질에서 반응이 발생합니다. · H2.

이산화탄소의 동화(광화학적 카르복실화)는 오탄당 인산염 광합성 주기 또는 캘빈 회로라고도 불리는 순환 과정입니다(그림 7). 이는 세 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다.

카르복실화(리불로스 이인산염으로 CO 2 를 고정)
환원(3-포스포글리세레이트의 환원 동안 삼당 인산염의 형성)
리불로스 디포스페이트의 재생

리불로스 5-인산염(탄소 5에 인산염 잔기가 있는 5탄당)은 ATP에 의해 인산화되어 리불로스 이인산염을 형성합니다. 이 마지막 물질은 CO 2 를 첨가하여 카르복실화되어 6개 탄소로 이루어진 중간 생성물로 보이지만, 물 분자를 첨가하면 즉시 분해되어 두 분자의 포스포글리세린산을 형성합니다. 포스포글리세린산은 ATP와 NADP의 존재를 필요로 하는 효소 반응에서 환원됩니다. · H 포스포글리세르알데히드(3탄당-삼당)가 형성됩니다. 이러한 두 개의 삼당이 축합된 결과, 육탄당 분자가 형성되며, 이는 전분 분자에 포함될 수 있어 비축될 수 있습니다.

주기의 이 단계를 완료하기 위해 광합성은 CO 2 분자 1개를 소비하고 ATP 3개와 H 원자 4개(NAD 분자 2개에 부착됨)를 사용합니다. · N). 5탄당 인산 회로(그림 8)의 특정 반응에 의해 육탄당 인산염에서 리불로스 인산염이 재생되며, 이는 다시 다른 이산화탄소 분자를 자신에게 부착할 수 있습니다.

설명된 반응(카르복실화, 환원 또는 재생) 중 어느 것도 광합성 세포에만 특이적인 것으로 간주될 수 없습니다. 이들 사이에서 발견된 유일한 차이점은 포스포글리세린산이 포스포글리세르알데히드로 전환되는 환원 반응에 NADP가 필요하다는 것입니다. · H, 끝나지 않았어 · N, 평소처럼.

리불로스 이인산염으로 CO 2 를 고정하는 것은 리불로스 이인산 카르복실라제 효소에 의해 촉매됩니다: 리불로스 이인산 + CO 2 --> 3-포스포글리세레이트 또한, 3-포스포글리세레이트는 NADP의 도움으로 환원됩니다. · H 2 및 ATP가 글리세르알데히드-3-인산염으로. 이 반응은 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소에 의해 촉매됩니다. 글리세르알데히드-3-인산염은 쉽게 디히드록시아세톤 인산염으로 이성질화됩니다. 두 삼당 인산염은 모두 과당 이인산(과당 이인산 알돌라제에 의해 촉매되는 역반응)의 형성에 사용됩니다. 생성된 과당 이인산 분자 중 일부는 삼당 인산과 함께 리불로스 이인산의 재생에 관여하고(주기를 닫음), 다이어그램에 표시된 대로 나머지 부분은 광합성 세포에 탄수화물을 저장하는 데 사용됩니다.

캘빈 회로에서 CO2로부터 포도당 한 분자를 합성하려면 12 NADP가 필요한 것으로 추정됩니다. · H + H + 및 18 ATP (12 ATP 분자는 3-포스포글리세레이트의 환원에 소비되고 6 분자는 리불로스 디포스페이트의 재생 반응에 소비됩니다). 최소 비율 - 3ATP: 2NADP · 하 2 .

광합성과 산화적 인산화의 기본 원리의 공통점을 볼 수 있으며, 광인산화는 말하자면 역산화적 인산화입니다.

빛의 에너지는 광합성 중에 유기 물질 (S-H 2)의 인산화 및 합성의 원동력이며, 반대로 산화 적 인산화 중에 유기 물질의 산화 에너지입니다. 따라서 동물 및 기타 종속 영양 유기체에 생명을 제공하는 것은 식물입니다.

광합성 중에 형성된 탄수화물은 수많은 유기 식물 물질의 탄소 골격을 만드는 역할을 합니다. 질소 물질은 광합성 유기체에 의해 무기 질산염 또는 대기 질소의 환원에 의해 동화되고 황은 황산염이 아미노산의 설프히드릴 그룹으로 환원되어 동화됩니다. 광합성은 궁극적으로 생명에 필수적인 단백질, 핵산, 탄수화물, 지질, 보조인자뿐만 아니라 귀중한 의약 물질인 수많은 2차 합성 산물(알칼로이드, 플라보노이드, 폴리페놀, 테르펜, 스테로이드, 유기산 등)의 생성을 보장합니다. . .).

친염성 광합성

엽록소 광합성은 보라색 빛에 민감한 색소를 가지고 있는 염분을 좋아하는 박테리아에서 발견되었습니다. 이 색소는 망막의 시각적 보라색 인 로돕신과 마찬가지로 비타민 A 유도체 인 레티 날을 포함하는 박테리오로돕신 단백질로 밝혀졌습니다. 염분을 좋아하는 박테리아의 막에 박혀 있는 박테리오로돕신은 레티날의 빛 흡수에 반응하여 이 막에 양성자 전위를 형성하고, 이는 ATP로 전환됩니다. 따라서 박테리오로돕신은 엽록소가 없는 빛 에너지 변환기입니다.

광합성과 환경

광합성은 빛, 물, 이산화탄소가 있어야만 가능합니다. 광합성 효율은 재배식물종의 경우 20%를 넘지 않으며, 보통 6~7%를 넘지 않는다. 약 0.03%(vol.) CO 2의 대기에서 함량이 0.1%로 증가하면 광합성 강도와 식물 생산성이 증가하므로 식물에 탄화수소를 공급하는 것이 좋습니다. 그러나 공기 중 CO 2 함량이 1.0%를 초과하면 광합성에 해로운 영향을 미칩니다. 1년에 육상 식물만이 지구 대기 전체 CO 2 의 3%, 즉 약 200억 톤을 흡수하며, CO 2에서 합성된 탄수화물의 구성에는 최대 4 × 10 18 kJ의 빛 에너지가 축적됩니다. 이는 발전소 용량 400억kW에 해당한다. 광합성의 부산물인 산소는 고등 유기체와 호기성 미생물에 필수적입니다. 식물 덮개를 보존한다는 것은 지구상의 생명을 보존하는 것을 의미합니다.

광합성 효율

바이오매스 생산 측면에서 광합성 효율은 특정 시간에 특정 지역에 떨어지는 총 일사량의 비율을 통해 추정할 수 있으며, 이는 작물의 유기물에 저장됩니다. 시스템의 생산성은 연간 단위 면적당 얻은 유기 건조물의 양으로 추정할 수 있으며, 연간 헥타르당 얻은 생산량의 질량(kg) 또는 에너지(MJ) 단위로 표시할 수 있습니다.

따라서 바이오매스 생산량은 일년 중 작동하는 태양 에너지 수집기(잎)의 면적과 광합성이 최대 속도로 가능할 때 이러한 조명 조건에서 연간 일수에 따라 달라지며, 이는 전체 과정의 효율성을 결정합니다. . 식물이 이용할 수 있는 태양 복사(광합성 활성 복사, PAR)의 비율(%)을 결정한 결과와 주요 광화학 및 생화학적 과정과 열역학적 효율에 대한 지식을 통해 가능한 제한 형성 속도를 계산할 수 있습니다. 탄수화물 측면에서 유기 물질의.

식물은 400~700 nm 파장의 빛을 사용합니다. 즉, 광합성 활성 방사선이 전체 햇빛의 50%를 차지합니다. 이는 전형적인 화창한 날(평균)에 대한 지구 표면의 강도 800-1000 W/m 2 에 해당합니다. 실제로 광합성 중 에너지 전환의 평균 최대 효율은 5~6%입니다. 이러한 추정치는 CO 2 결합 과정과 그에 수반되는 생리적, 물리적 손실에 대한 연구를 기반으로 합니다. 탄수화물 형태의 결합된 CO 2 1몰은 0.47MJ의 에너지에 해당하고, 파장 680nm(광합성에 사용되는 가장 에너지가 부족한 빛)의 적색광 양자 1몰의 에너지는 0.176MJ입니다. . 따라서 CO 2 1몰을 결합하는데 필요한 적색광 양자의 최소 몰수는 0.47:0.176 = 2.7이다. 그러나 하나의 CO 2 분자를 고정하기 위해 물에서 4개의 전자를 전달하려면 최소한 8개의 광자가 필요하므로 이론적 결합 효율은 2.7:8 = 33%입니다. 이러한 계산은 적색광에 대해 이루어졌습니다. 백색광의 경우 이 값이 그에 따라 낮아질 것이 분명합니다.

최상의 현장 조건에서 식물의 고정 효율은 3%에 이르지만 이는 짧은 성장 기간에만 가능하며, 1년 전체로 계산하면 1~3% 정도가 됩니다.

실제로 연간 평균적으로 온대 지역의 광합성 에너지 전환 효율은 일반적으로 0.5~1.3%이고, 아열대 작물의 경우 0.5~2.5%입니다. 일정 수준의 일광 강도와 다양한 광합성 효율에서 기대할 수 있는 제품 수율은 그림 1의 그래프를 통해 쉽게 추정할 수 있습니다. 9.

광합성의 중요성

광합성 과정은 모든 생명체의 영양의 기초이며, 인류에게 연료, 섬유 및 수많은 유용한 화합물을 공급합니다.
광합성 과정에서 공기 중의 이산화탄소와 물이 결합하여 작물 건조 중량의 약 90~95%가 형성됩니다.
인간은 광합성 생성물의 약 7%를 식품, 동물 사료, 연료 및 건축 자재에 사용합니다.