광합성 : 과정, 유기체, 유형, 요인 및 기능 - 생물학 - 2026

광합성 태양은 유기 분자에 저장된 화학 에너지로 변환되는 생물학적 과정이다. 그것은 태양 에너지와 지구상의 생명 사이의 연결입니다.

대사 적으로 식물은 독립 영양 생물로 분류됩니다. 이것은 그들이 생존하기 위해 음식을 소비 할 필요가 없다는 것을 의미하며, 광합성을 통해 스스로 생성 할 수 있습니다. 모든 식물, 조류 및 심지어 일부 박테리아는 조직 또는 구조의 녹색을 특징으로하는 광합성 유기체입니다.

광합성 (왼쪽)과 호흡 (오른쪽). BBC에서 가져온 오른쪽 이미지

이 과정은 엽록체라고하는 세포 기관에서 발생합니다. 즉, 복잡한 반응의 발생을 가능하게하는 일련의 단백질과 효소를 포함하는 막질 세포 하 구획입니다. 또한 광합성이 일어나기 위해 필요한 색소 인 엽록소가 저장되는 물리적 장소입니다.

이산화탄소로 시작하여 당 분자로 끝나는 광합성 과정에서 탄소가 취하는 경로는 훌륭하게 잘 알려져 있습니다. 경로는 역사적으로 엽록체에서 공간적으로 분리 된 밝은 단계와 어두운 단계로 구분되었습니다.

빛의 위상은 엽록체 틸라코이드의 막에서 발생하며 물 분자가 산소, 양성자 및 전자로 분해됩니다. 후자는 멤브레인을 통해 전달되어 다음 단계에서 사용되는 ATP 및 NADPH 형태의 에너지 저장소를 생성합니다.

광합성의 어두운 단계는 엽록체의 기질에서 일어난다. 이것은 Calvin-Benson주기의 효소를 통해 이산화탄소 (CO ₂ )가 탄수화물로 전환되는 것으로 구성됩니다 .

광합성은 지구상의 모든 생명체의 중요한 경로이며 초기 에너지와 산소의 원천입니다. 가설 적으로 광합성이 작동을 멈춘다면 모든“고등”생물의 대량 멸종 사건이 25 년 안에 일어날 것입니다.

역사적 관점

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이전에는 식물이 동물 영양과 유사한 방식으로 토양에 존재하는 부식질 덕분에 식량을 얻은 것으로 생각되었습니다. 이러한 생각은 엠페도클레스와 아리스토텔레스와 같은 고대 철학자들에게서 나왔습니다. 그들은 뿌리가 식물에 먹이를주는 탯줄 또는 "입"처럼 행동한다고 ​​가정했습니다.

이 비전은 광합성의 기초를 밝힌 17 세기에서 19 세기 사이 수십 명의 연구자들의 노력 덕분에 점진적으로 바뀌 었습니다.

광합성 과정에 대한 관찰은 약 200 년 전 Joseph Priestley가 광합성이 세포 호흡의 역전이라고 결론을 내렸을 때 시작되었습니다. 이 연구원은 대기에 존재하는 모든 산소가 광합성을 통해 식물에 의해 생성된다는 것을 발견했습니다.

그 후,이 과정이 효과적으로 발생하기 위해 물, 이산화탄소 및 햇빛이 필요하다는 강력한 증거가 나오기 시작했습니다.

19 세기 초에 엽록소 분자가 처음으로 분리되었고 광합성이 어떻게 화학 에너지 저장으로 이어지는 지 이해할 수있었습니다.

가스 교환 화학량 론과 같은 선구적인 접근 방식의 구현으로 전분을 광합성의 산물로 식별 할 수있었습니다. 또한 광합성은 안정 동위 원소의 사용을 통해 연구 된 생물학의 첫 번째 주제 중 하나였습니다.

광합성 방정식

광합성 공식

일반 방정식

화학적으로 광합성은 일부 종이 산화되어 환원 된 다른 종에 전자를 제공하는 산화 환원 반응입니다.

광합성의 일반적인 과정은 다음 방정식으로 요약 할 수 있습니다. H ₂ O + 빛 + CO ₂ → CH ₂ O + O _2. 여기서 CH ₂ O (포도당 분자의 6 분의 1)라는 용어는 자당이나 전분과 같이 나중에 식물이 사용할 당이라고하는 유기 화합물.

밝고 어두운 단계

우리는이 방정식을 광합성의 각 단계에 대해 두 가지 더 구체적인 방정식, 즉 밝은 단계와 어두운 단계로 나눌 수 있습니다.

우리는 빛의 위상 대표 : 2H ₂ O + 빛 → O2 + 4H ⁺ + 4E를 ^- . 마찬가지로 어두운 단계는 CO ₂ + 4H ⁺ + 4e- → CH ₂ O + H ₂ O의 관계를 포함합니다 .

Δ

자유 에너지 ( Δ G ° 이러한 반응을위한)가있다 : · 479 킬로 몰 ^- 1, 317 · 킬로 몰 ^-1 및 162 킬로 몰 · ^-1 각각. 열역학에 의해 제안 된 바와 같이, 이러한 값의 양의 부호는 에너지 요구 사항으로 변환되며 엔더 고닉 과정이라고합니다.

광합성 유기체는 반응이 일어나기 위해이 에너지를 어디서 얻습니까? 햇빛에서.

이 경우 ΔG °의 값이 음의 부호를 수반 - 광합성 대조적으로, 호기성 호흡이 exergonic 프로세스 인 것을 언급한다 - 방출 에너지가 생물체에 의해 사용된다. 따라서 방정식은 CH ₂ O + O ₂ → CO ₂ + H ₂ O입니다.

어디에서 발생합니까?

대부분의 식물에서이 과정이 일어나는 주요 기관은 잎에 있습니다. 이 조직에서 우리는 가스의 출입을 제어하는 ​​기공이라고 불리는 작은 구형 구조를 발견합니다.

녹색 조직을 구성하는 세포는 내부에 최대 100 개의 엽록체를 가질 수 있습니다. 이 구획은 두 개의 외막과 세 번째 막 시스템 인 틸라코이드가있는 스트로마라고하는 수상으로 구성됩니다.

프로세스 (단계)

가벼운 단계

광합성은 지구상에서 가장 풍부한 색소 인 엽록소가 빛을 포착하는 것으로 시작됩니다. 빛을 흡수하면 전자가 더 높은 에너지 상태로 여기되어 태양의 에너지가 잠재적 인 화학 에너지로 변환됩니다.

틸라코이드 막에서 광합성 안료는 빛을 흡수하고 에너지를 엽록소 분자로 전달하는 안테나 역할을하는 수백 개의 안료 분자를 포함하는 광 중심으로 구성됩니다.

반응 센터는 사이토 크롬에 결합 된 막 관통 단백질로 구성됩니다. 이것은 일련의 막 단백질을 통해 전자 수송 사슬의 다른 분자로 전자를 전달합니다. 이 현상은 ATP 및 NADPH의 합성과 결합됩니다.

관련 단백질

단백질은 다양한 복합체로 구성됩니다. 그 중 두 가지는 빛을 흡수하여 반응 중심으로 전달하는 광계 I 및 II입니다. 세 번째 그룹은 시토크롬 bf 복합체로 구성됩니다.

양성자 구배에 의해 생성 된 에너지는 양성자의 흐름과 ATP 합성을 결합하는 네 번째 복합체 인 ATP 합성 효소에 의해 사용됩니다. 호흡과 관련하여 가장 중요한 차이점 중 하나는 에너지가 ATP로 전환 될뿐만 아니라 NADPH로도 전환된다는 것입니다.

포토 시스템

광계 I은 흡수 피크가 700 나노 미터 인 엽록소 분자로 구성되어 있으므로 P ₇₀₀ 이라고 합니다. 유사하게, 광계 II의 흡수 피크는 680 (약칭 P ₆₈₀₎ 입니다.

광계 I의 임무는 NADPH의 생산이고 광계 II의 임무는 ATP의 합성입니다. 광계 II가 사용하는 에너지는 물 분자가 분해되어 양성자를 방출하고 틸라코이드 막을 가로 질러 새로운 구배를 생성합니다.

분해에서 파생 된 전자는 지용성 화합물 인 플라 스토 퀴논으로 옮겨져 광계 II의 전자를 사이토 크롬 bf 복합체로 운반하여 추가로 양성자를 펌핑합니다.

광계 II에서 전자는 고 에너지 전자를 사용하여 NADP ⁺ 를 NADPH 로 감소시키는 플라스 토시 아닌과 광계 I로 전달됩니다 . 전자는 결국 페로 독신에 도달하여 NADPH를 생성합니다.

전자의 순환 흐름

ATP 합성이 일반적으로 필요한 대사 과정에 에너지를 공급하기 위해 NADPH 합성을 포함하지 않는 대체 경로가 있습니다. 따라서 ATP를 생성할지 NADPH를 생성할지 결정하는 것은 세포의 순간적인 필요에 따라 달라집니다.

이 현상은 광계 I에 의한 ATP 합성을 포함합니다. 전자는 NADP ^+으로 전달되지 않고 사이토 크롬 bf 복합체 로 전달되어 전자 구배를 생성합니다.

플라스 토시 아닌은 전자를 광계 I로 돌려 보내고, 수송주기를 완료하고 양성자를 사이토 크롬 bf 복합체로 펌핑합니다.

기타 안료

엽록소는 식물이 가지고있는 유일한 색소가 아니라 카로티노이드를 포함한 소위 "액세서리 색소"도 있습니다.

광합성의 가벼운 단계에서는 "단일 산소"와 같이 세포에 잠재적으로 유해한 요소가 생성됩니다. 카로티노이드는 화합물의 형성을 방지하거나 조직을 손상시키는 것을 방지합니다.

이 색소는 식물이 질소를 얻기 위해 엽록소를 분해하기 때문에 잎이 녹색을 잃고 노란색 또는 주황색으로 변하는 가을에 관찰되는 것입니다.

다크 페이즈

이 초기 공정의 목표는 NADPH (니코틴 아미드-아데닌-디 뉴클레오타이드-인산 또는 "감소 력") 및 ATP (아데노신 삼인산 또는 "세포의 에너지 통화") 생산에 태양 에너지를 사용하는 것입니다. 이러한 요소는 어두운 단계에서 사용됩니다.

이 단계에 포함 된 생화학 적 단계를 설명하기 전에 이름이 "다크 단계"이지만 반드시 완전한 암흑에서 발생하는 것은 아님을 명확히해야합니다. 역사적으로이 용어는 빛의 독립성을 의미합니다. 즉, 빛의 유무에 따라 위상이 발생할 수 있습니다.

그러나 단계는 빛을 필요로하는 가벼운 단계에서 발생하는 반응에 따라 달라 지므로 이러한 일련의 단계를 탄소 반응이라고하는 것이 옳습니다.

캘빈주기

이 단계에서 미국 연구원 멜빈 캘빈 (Melvin Calvin)이 1940 년에 기술 한 생화학 적 경로 인 캘빈주기 또는 탄소 3 개 경로가 발생합니다. 사이클의 발견은 1961 년 노벨상을 수상했습니다.

일반적으로 사이클의 세 가지 기본 단계가 설명됩니다. CO ₂ 수용체의 카르 복 실화 , 3- 포스 포 글리세 레이트의 감소 및 CO ₂ 수용체의 재생입니다 .

주기는 이산화탄소의 결합 또는 "고정"으로 시작됩니다. 전자를 추가하여 탄소를 탄수화물로 줄이고 NADPH를 환원력으로 사용합니다.

매 차례 순환은 리불 로스 비스 포스페이트와 반응하여 환원되고 리불 로스 분자를 재생하는 두 개의 탄소 3 개 화합물을 생성하는 이산화탄소 분자의 통합을 필요로합니다. 세 번의 순환으로 글리세 랄 하이드 포스페이트 분자가 생성됩니다.

따라서 포도당과 같은 6 탄당을 생성하기 위해서는 6주기가 필요합니다.

광합성 유기체

유기체의 광합성 능력은 박테리아와 진핵 생물로 구성된 두 영역에서 나타납니다. 이 증거에 따르면 고세균 도메인을 구성하는 개인에게는 이러한 생화학 적 경로가 없습니다.

광합성 유기체는 약 32 ~ 35 억년 전에 현대 시아 노 박테리아와 유사한 구조화 된 스트로마 톨라이트로 나타났습니다.

논리적으로 광합성 유기체는 화석 기록에서 그렇게 인식 될 수 없습니다. 그러나 그 형태 나 지질 학적 맥락을 고려하여 추론 할 수 있습니다.

박테리아와 관련하여, 햇빛을 받아 당으로 바꾸는 능력은 명백한 진화 패턴이없는 것처럼 보이지만 다양한 Phyla에 널리 분포되어있는 것으로 보입니다.

가장 원시적 인 광합성 세포는 박테리아에서 발견됩니다. 이들은 녹색 식물의 알려진 엽록소가 아닌 색소 박테리오 클로로필을 가지고 있습니다.

광합성 박테리아 그룹에는 시아 노 박테리아, 프로토 박테리아, 유 황색 박테리아, 퍼 미쿠 테스, 사상 무산소 광 영양 생물 및 유산균이 포함됩니다.

식물은 모두 광합성 능력이 있습니다. 사실이 그룹의 가장 눈에 띄는 특징입니다.

광합성의 유형

산소 및 무산소 광합성

광합성은 여러 가지 방법으로 분류 할 수 있습니다. 첫 번째 분류는 유기체가 이산화탄소 감소를 위해 물을 사용하는지 고려합니다. 따라서 우리는 식물, 조류 및 시아 노 박테리아를 포함하는 산소 광합성 유기체를 가지고 있습니다.

반대로 몸이 물을 사용하지 않는 경우에는 무산소 광합성 유기체라고합니다. 이 그룹에는 녹색 및 보라색 박테리아가 포함됩니다.

이 박테리아는 산소가있는 상태에서 광합성을 할 수 없으며 혐기성 환경이 필요합니다. 따라서 광합성은 산소의 생성으로 이어지지 않습니다. 따라서 이름은“무산소 성”입니다.

신진 대사의 유형 C

광합성은 식물의 생리적 적응에 따라 분류 될 수도 있습니다.

광합성 진핵 생물에서, CO의 저감 _이 탄수화물에 대기에서 오는가 발생 캘빈 회로에. 이 과정은 효소 루비 스코 (리불 로스 -1,5- 비스 포스페이트 카르 복실 라제 / 옥 시게나 제)로 시작되며, 형성된 첫 번째 안정 화합물은 3 개의 탄소를 가진 3- 포스 포 글리 세르 산입니다.

높은 방사선 또는 가뭄이라고하는 열 스트레스 조건에서 rubisco 효소는 O ₂ 와 CO _2를 구별 할 수 없습니다 . 이 현상은 광합성의 효율성을 현저히 감소 시키며 광호흡이라고합니다.

이러한 이유로 이러한 불편 함을 피할 수있는 특별한 광합성 대사를 가진 식물이 있습니다.

C4 대사

Type C ₄ 대사 는 이산화탄소 농축을 목표로합니다. rubisco가 작용하기 전에 C ₄ 식물 은 PEPC에 의해 첫 번째 카르 복 실화를 수행합니다.

두 카르 복 실화 사이에는 공간적 분리가 있습니다. C ₄ 식물 은 정상 또는 C ₃ 광합성에서 이러한 세포와 ​​달리 중간 엽 세포에 의해 형성된 "크란츠"또는 크라운 해부학 적 구조를 갖는 것으로 구별되며 광합성 입니다.

이 세포에서 첫 번째 카르 복 실화는 PEPC에 의해 발생하여 말 레이트로 환원되는 옥 살로 아세테이트 생성물로 제공됩니다. 이것은 탈 카복실 화 과정이 일어나는 시스 셀로 확산되어 CO _2를 생성합니다 . 이산화탄소는 rubisco가 지시하는 두 번째 카르 복 실화에 사용됩니다.

CAM 광합성

돌나물과의 CAM 광합성 또는 산성 대사는 극도로 건조한 기후에 사는 식물의 적응이며 파인애플, 난초, 카네이션과 같은 식물의 전형입니다.

기공 개방으로 인한 수분 손실이 낮보다 적기 때문에 CAM 공장에서 이산화탄소의 동화는 야간에 발생합니다.

CO ₂ 는 PEPC에 의해 촉매되는 반응 인 PEP와 결합하여 말산을 형성합니다. 이 제품은 아침 시간에 그 내용을 공개 액포에 저장됩니다 다음은 탈 카르 복 실화되고 CO _2는 캘빈 회로에 통합 관리합니다.

광합성에 관여하는 요인

광합성 효율 개입 환경 적 요인 중에서도, 다음에 띄는 다음 CO의 존재 량 ₂ 광, 온도, 광합성 제품의 축적 산소량과 물 가용성.

식물 특정 요인도 나이 및 성장 상태와 같은 근본적인 역할을합니다.

환경 의 CO ₂ 농도 는 낮으므로 (용적의 0.03 %를 초과하지 않음), 최소한의 변화는 광합성에 중대한 영향을 미칩니다. 또한 식물은 존재하는 이산화탄소의 70 ~ 80 % 만 가능합니다.

언급 된 다른 변수에 대한 제한이없는 경우 광합성은 사용 가능한 CO ₂ 양에 따라 달라집니다 .

마찬가지로 빛의 강도가 중요합니다. 저 강도 환경에서는 호흡 과정이 광합성을 능가합니다. 이러한 이유로 광합성은 아침 첫 시간과 같이 태양 강도가 높은 시간에 훨씬 더 활동적입니다.

일부 식물은 다른 식물보다 더 많이 영향을받을 수 있습니다. 예를 들어, 마초 풀은 온도에 매우 민감하지 않습니다.

풍모

광합성은 지구상의 모든 유기체에게 필수적인 과정입니다. 이 경로는 태양 에너지를 화학 에너지로 전환하는 것을 촉진하기 때문에 산소의 원천이자 모든 기존 영양 사슬의 기초가되는 모든 형태의 생명체를 지원하는 역할을합니다.

즉, 광합성은 우리가 호흡하는 산소 (위에서 언급했듯이 그 요소는 과정의 부산물입니다)와 우리가 매일 소비하는 음식을 생성합니다. 거의 모든 살아있는 유기체는 광합성에서 파생 된 유기 화합물을 에너지 원으로 사용합니다.

호기성 유기체는 산소가있을 때만 광합성에 의해 생성 된 유기 화합물에서 에너지를 추출 할 수 있으며, 이는 공정의 산물이기도합니다.

사실, 광합성은 악화 된 수 (2,000 억 톤)의 이산화탄소를 유기 화합물로 전환 할 수 있습니다. 산소의 경우 생산량은 1400 억 톤으로 추정됩니다.

또한 광합성은 인류가 생존하는 데 사용하는 대부분의 에너지 (이 중 약 87 %)를 화석화 된 광합성 연료의 형태로 우리에게 제공합니다.

진화

최초의 광합성 생명체

진화에 비추어 볼 때 광합성은 매우 오래된 과정으로 보입니다. 이 길의 기원을 생명의 첫 번째 형태의 출현 근처에 두는 많은 증거가 있습니다.

진핵 생물의 기원과 관련하여, 그 과정에 대한 가장 그럴듯한 설명으로 내 공생을 제안하는 압도적 인 증거가 있습니다.

따라서 시아 노 박테리아를 연상시키는 유기체는 더 큰 원핵 생물과의 내 공생 관계 덕분에 엽록체가 될 수 있습니다. 이러한 이유로 광합성의 진화 적 기원은 박테리아 영역에서 태어나며, 수평 적 유전자 전달의 거대하고 반복적 인 사건 덕분에 분포 할 수 있습니다.

진화에서 산소의 역할

광합성을 통한 빛의 에너지 변환이 지구의 현재 환경을 형성 한 것은 의심의 여지가 없습니다. 혁신으로 간주되는 광합성은 대기를 산소로 풍부하게하고 생명체의 에너지에 혁명을 일으켰습니다.

O2의 방출이 최초의 광합성 유기체에 의해 _시작 되었을 때 , 그것은 아마도 그것이 포화 될 때까지 바다의 물에 녹 았을 것입니다. 또한 산소는 철과 반응하여 현재 귀중한 미네랄 공급 원인 산화철의 형태로 침전 할 수있었습니다.

과잉 산소는 대기로 이동하여 마침내 그곳에 집중했습니다. O의 농도이 대규모 증가 _(2)는 원핵 생물의 많은 그룹을 비난 생물학적 구조와 효소, 손상 : 중요한 결과가 있습니다.

대조적으로, 다른 그룹은 아마도 고대 시아 노 박테리아 인 광합성 유기체에 의해 형성된 새로운 산소가 풍부한 환경에서 살기위한 적응을 보여주었습니다.

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