광합성 과정, 유기체, 유형, 요인 및 기능

그 광합성 그것은 햇빛이 화학 에너지로 변환되어 유기 분자에 저장되는 생물학적 과정입니다. 그것은 지구상의 태양 에너지와 생명 사이의 연결입니다..

대사 학적으로 식물은 독립 영양 (autotrophic)으로 분류됩니다. 즉, 생존을 위해 음식을 섭취 할 필요가 없으며 광합성을 통해 스스로를 생성 할 수 있습니다. 모든 식물, 조류 및 일부 박테리아조차도 광합성 생물이며 조직이나 구조의 녹색을 특징으로합니다.

이 과정은 엽록체라고 불리는 세포 기관에서 일어난다 : 복잡한 반응의 발달을 허용하는 일련의 단백질과 효소를 함유 한 세포막 성 세포 구획. 또한, 그것은 엽록소가 저장되는 물리적 장소이며, 광합성이 일어나기 위해 필요한 안료입니다.

탄소가 광합성 과정에서 이산화탄소로 시작하고 당 분자로 끝나는 경로는 훌륭한 세부 사항으로 알려져 있습니다. 이 경로는 역사적으로 발광 상과 암상으로 나뉘어져 있고 엽록체에서 공간적으로 분리되어있다..

발광 단계는 엽록체 틸라코이드의 막에서 일어나며 산소, 양성자 및 전자에서 물 분자가 파열된다. 후자는 멤브레인을 통해 전달되어 ATP 및 NADPH 형태의 에너지 저장소를 생성하며, 이는 다음 단계에서 사용된다.

광합성의 어두운 단계는 엽록체 간질에서 일어난다. 그것은 이산화탄소 (CO₂)를 탄수화물에, 캘빈 - 벤슨 사이클의 효소를 이용하여.

광합성은 지구상에있는 모든 생명체를위한 중요한 경로이며 초기 에너지와 산소의 원천 역할을합니다. 가설에 따르면, 광합성이 멈 추면, 모든 "우월한"생명체가 대량으로 멸종되는 사건은 단 25 년 만에 일어난다..

색인

• 1 역사적인 관점
• 2 광합성 방정식
  • 2.1 일반 방정식
  • 2.2 빛과 어둠의 위상
  • 2.3 반응의 ΔG °
• 3 그것은 어디에서 발생합니까??
• 4 프로세스 (단계)
  • 4.1 빛의 위상
  • 4.2 관련 단백질
  • 4.3 포토 시스템
  • 4.4주기 전자 흐름
  • 4.5 기타 안료
  • 4.6 다크 상
  • 4.7 캘빈주기
• 5 광합성 생물
• 광합성의 종류
  • 6.1 산소 및 anoxigenic 광합성
  • 6.2 C4와 CAM 신진 대사의 유형
  • 6.3 신진 대사 C4
  • 6.4 광합성 CAM
• 광합성과 관련된 7 가지 요인
• 8 함수
• 9 진화
  • 9.1 최초의 광합성 생명체
  • 진화에있는 산소의 9.2 역할
• 10 참고 문헌

역사적인 관점

이전에는이 ​​식물은 동물의 영양과 유사, 토양의 부식을 통해 자신의 음식을 얻을 수 있다고 생각했다. 이러한 생각은 엠페도클레스 (Empedocles)와 아리스토텔레스 (Aristotle)와 같은 고대 철학자들의 생각이었다. 그들은 뿌리가 식물에게 먹이를주는 탯줄이나 "입"처럼 행동한다고 ​​추측했다..

이 비전은 광합성의 기초를 밝힌 17 세기와 19 세기 사이에 수십 명의 연구자가 열심히 노력하여 점진적으로 변화했습니다.

약 200 년 전에 Joseph Priestley가 광합성이 세포 호흡의 역 현상이라고 결론을 내린 광합성 과정에 대한 관찰이 시작되었습니다. 이 연구원은 대기 중에 존재하는 모든 산소가 광합성을 통해 식물에 의해 생성된다는 것을 발견했다..

결과적으로이 공정을 효과적으로 수행하기 위해서는 물, 이산화탄소 및 일광에 대한 필요성이 확고 해졌다..

19 세기 초엽에 엽록소 분자가 처음으로 분리되어 광합성이 어떻게 화학 에너지를 저장하게되는지 이해할 수있었습니다.

가스 교환 화학량 론과 같은 선구적인 접근법의 구현은 전분을 광합성의 산물로 식별 할 수 있었다. 또한, 광합성은 안정 동위 원소의 사용을 통해 연구 된 생물학의 첫 번째 주제 중 하나였습니다.

광합성 방정식

일반 방정식

화학적으로 광합성은 일부 종들이 산화되어 다른 종으로 전자를 방출하는 산화 환원 반응입니다.

광합성의 일반적인 과정은 다음 방정식에 요약 될 수있다 : H₂O + 빛 + CO₂ → CH₂O + O_2. 여기서 용어 CH₂OR (포도당 분자의 1/6)은 설탕이나 설탕과 같이 나중에 식물에서 사용할 당으로 불리는 유기 화합물을 의미합니다.

빛과 어둠의 위상

이 방정식은 광합성의 각 단계에 대한 두 개의 더 구체적인 방정식으로 나눌 수 있습니다 : 밝은 상과 어두운 상.

가벼운 위상은 2H₂O + 빛 → O2 + 4H⁺ + 4e^-. 유사하게, 어두운 위상은 다음의 관계를 포함한다 : CO₂ + 4H⁺ + 4e → CH₂O + H₂O.

ΔG° 반응의

자유 에너지 (ΔG°)는 다음과 같습니다 : +479 kJ · mol^-1, + 317 kJ · mol^-1 및 +162 kJ · mol^-1, 각각. 열역학에서 알 수 있듯이,이 값의 긍정적 에너지 요구 사항으로 변환 및 에너지 흡수성 과정이라고.

광합성 생물체는 반응을 일으키기 위해이 에너지를 어디에서 얻습니까? 햇빛에서.

광합성과 달리 호기성 호흡은 엑 서론 과정이라고 언급 할 필요가 있습니다.이 경우 ΔG °의 값에는 음의 부호가 붙습니다 - 방출 된 에너지는 유기체에 의해 사용됩니다. 따라서 방정식은 다음과 같습니다. CH₂O + O₂ → CO₂ + H₂O.

어디에서 발생합니까??

대부분의 식물에서, 과정이 일어나는 주 기관은 잎에 있습니다. 이 조직들에서 우리는 가스의 출입을 제어하는 ​​기공 (stomata)이라고 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 시스템이있는 간질이라고하는 수성 상으로 구성됩니다 : 틸라코이드.

프로세스 (단계)

발광 상

광합성은 지구상에서 가장 풍부한 색소 인 엽록소에 의한 빛의 포획으로 시작됩니다. 빛의 흡수는 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시켜 결과적으로 태양 에너지를 잠재적 인 화학 에너지로 전환시킵니다.

틸라코이드 막의 광합성 색소가 광을 흡수하여 클로로필 분자에 에너지를 전달하는 안테나로서 작용할 염료 분자 수백 함유 fotocentros 구성되어있다 "반응 중심"이라.

반응 센터는 사이토 크롬에 연결된 막 횡단 단백질로 구성됩니다. 이것은 전자를 일련의 막 단백질을 통해 전자 전달 사슬의 다른 분자로 전달합니다. 이 현상은 ATP와 NADPH의 합성과 결합한다..

관련된 단백질

단백질은 다양한 복합체로 구성되어 있습니다. 그 중 두 개는 빛을 흡수하여 반응 센터로 옮기는 광 시스템 I과 II입니다. 세 번째 그룹은 시토크롬 복합체 bf.

양성자의 흐름을 ATP의 합성과 결합시키는 네 번째 복합체 인 ATP 합성 효소에 의해 양성자 기울기에 의해 생성 된 에너지가 사용됩니다. 호흡과 관련하여 가장 중요한 차이점 중 하나는 에너지가 ATP가 될뿐만 아니라 NADPH.

포토 시스템즈

광 시스템 I은 700 나노 미터의 흡수 피크를 갖는 엽록소 분자로 구성되어 있는데, 이는 P₇₀₀. 유사하게, 광계 2의 흡수 피크는 680이며, P₆₈₀.

광 시스템 I의 작업은 NADPH의 생산이고, 광 시스템 II의 작업은 ATP의 합성이다. 광계 2가 사용하는 에너지는 물 분자의 파열, 양성자 방출 및 틸라코이드 멤브레인을 통한 새로운 기울기 생성.

파열로부터 파생 된 전자는 지용성 화합물 인 플라 스토 퀴논 (plastoquinone)으로 옮겨 지는데,이 포스 토 퀴논은 광계 2에서 시토크롬 복합체로 전자를 전달합니다. bf, 양성자의 추가 펌핑 생성.

광 시스템 II에서 전자는 고 에너지 전자를 사용하여 NADP를 감소시키는 플라 스토시 아닌과 광계 I로 전달됩니다⁺ NADPH. 전자는 결국 페로 독신에 도달하여 NADPH.

전자 순환 흐름

ATP의 합성에는 일반적으로 필요로하는 대사 과정에 에너지를 공급하기 위해 NADPH 합성이 필요하지 않은 대체 경로가 있습니다. 따라서 ATP 또는 NADPH의 생성 여부는 세포의 순간적 요구에 달려있다..

이 현상은 광계 I에 의한 ATP의 합성을 포함한다. 전자는 NADP⁺, 그러나 시토크롬 복합체에 bf, 전자 그라데이션 생성.

플라스티 오닌 (plastocyanin)은 전자를 광계 I로 되돌려 전송 사이클을 완료하고 양성자를 시토크롬 복합체로 펌핑한다. bf.

기타 안료

클로로필은 식물이 가지고있는 유일한 색소가 아니며, 카로티노이드를 포함하여 소위 "보조 안료"도 있습니다.

광합성의 발광 단계에서는 "단일 중 산소"와 같이 세포에 잠재적으로 해로운 원소가 생성됩니다. 카로티노이드는 화합물의 형성을 예방하거나 조직 손상을 예방합니다..

이 색소는 식물이 엽록소를 분해하여 질소를 얻기 때문에 잎이 녹색을 잃고 노란색 또는 오렌지색으로 변하는 가을에 관찰하는 색소입니다.

다크 위상

이 초기 과정의 목적은 NADPH의 생산 (니코틴 아미드 아데닌 디 뉴클레오티드 인산 또는 "전력 감소") 및 ATP (아데노신 트리 포스페이트 또는 "셀의 에너지 통화")을 위해 태양 에너지를 사용하는 것이다. 이러한 요소는 어두운 단계에서 사용됩니다..

이 단계에서 관련된 생화학 적 단계를 설명하기 전에 이름이 "암상"이지만 총 암흑에서 반드시 발생하는 것은 아니라는 것을 분명히하는 것이 필요합니다. 역사적으로,이 용어는 빛의 독립성에 대한 언급을 시도했다. 즉, 위상은 광의 존재 또는 부재 하에서 발생할 수있다.

그러나 위상이 빛을 필요로하는 가벼운 단계에서 일어나는 반응에 의존하기 때문에이 일련의 단계를 탄소 반응으로 지칭하는 것이 옳습니다.

캘빈주기

이 단계에서 Calvin cycle 또는 3 가지 탄소 경로가 발생합니다. 이것은 미국의 연구원 인 Melvin Calvin이 1940 년에 기술 한 생화학 적 경로입니다. 이주기의 발견은 1961 년 노벨상을 수상했습니다..

일반적으로주기의 세 가지 기본 단계가 설명됩니다 : 수용체 CO의 카르 복 실화₂, 3-phosphoglycerate의 환원 및 CO 수용체의 재생₂.

이 사이클은 이산화탄소의 통합 또는 "고정"으로 시작됩니다. 전자를 첨가하여 탄소를 줄여 탄수화물을 얻고 NADPH를 환원력으로 사용하십시오..

각 라운드에서 순환은 ribulose biphosphate와 반응하는 이산화탄소 분자가 결합되어 ribulose 분자를 환원시키고 재생시킬 3 개의 탄소 화합물을 생성합니다. 주기의 3 회전은 글리세리드 알데히드 인산염의 분자를 생성합니다.

따라서, 글루코오스와 같은 6- 탄소 당을 생성하기 위해서는 6 사이클이 필요하다.

광합성 생물

유기체의 광합성 능력은 박테리아와 진핵 생물로 구성된 두 영역에 나타난다. 이 증거에 따르면, 고세의 영역을 이해하는 개인에게는이 생화학 적 경로가 없습니다.

광합성 유기체는 현대의 시아 노 박테리아와 유사한 구조화 된 스트로마 톨라이트로서 약 30 억 ~ 35 억 년 전에 출현했다..

논리적으로 광합성 유기체는 화석 기록에서 그처럼 인식 될 수 없다. 그러나 추론은 형태학이나 지질 학적 맥락을 고려하여 추론 할 수있다..

박테리아와 관련해서 햇빛을 받아 당으로 변형시키는 능력은 여러 가지 Phyla에 널리 분포되어있는 것처럼 보이지만 진화의 명백한 패턴이 보이지는 않습니다.

가장 원시적 인 광합성 세포는 박테리아에서 발견됩니다. 이들은 박테리오 클로로필 색소를 가지고 있으며 녹색 식물의 엽록소는 알려져 있지 않습니다..

광합성 세균 군은 시아 노 박테리아, 항균 세균, 녹색 황 세균, 딱딱한 물, 섬유 성 무산소 성 광합성 세균 및 산균 세균.

식물은 모두 광합성을 수행 할 능력이 있습니다. 사실이 그룹의 가장 두드러진 특징입니다..

광합성의 종류

옥시겐 성 및 무산소 성 광합성

광합성은 여러 가지 방법으로 분류 될 수 있습니다. 첫 번째 분류는 몸이 이산화탄소를 줄이기 위해 물을 사용하는지 여부를 고려합니다. 그래서 우리는 식물, 조류 및 시아 노 박테리아를 포함하는 산소 광합성 생물을 가지고 있습니다..

대조적으로, 몸이 물을 사용하지 않을 때, 그들은 anoxigenic 광합성 유기체에게 불린다. 이 그룹에는 녹색 및 자주색 박테리아가 포함됩니다. 예를 들어, 속 클로로 비움 및 크로마 튬, 이산화탄소를 줄이기 위해 유황 또는 가스 상태의 수소를 사용하는.

이 박테리아는 산소가있는 상태에서 광합성에 의지 할 수 없기 때문에 혐기성 배지가 필요합니다. 따라서 광합성으로 인해 산소가 생성되지 않습니다. 따라서 "anoxygenic".

대사의 종류 C₄ 및 CAM

광합성은 또한 식물의 생리적 적응에 따라 분류 될 수있다..

광합성 진핵 생물에서 CO의 감소가 일어난다.₂ 캘빈주기 (Calvin cycle)에서 대기로부터 탄수화물로 이동합니다. 이 과정은 효소 Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase)로 시작되며 형성된 최초의 안정한 화합물은 3- 포스 포 글리세린 산, 3 개의 탄소.

높은 방사능이나 가뭄이라고 불리는 열 스트레스 조건에서, rubisco 효소는 O₂ 및 CO₂. 이 현상은 광합성 효율을 현저히 떨어 뜨리고 광호흡.

이러한 이유 때문에 특별한 광합성 대사 작용을하는 식물이있어 불편 함을 피할 수 있습니다.

신진 대사 C4

타입 C 신진 대사₄ 그 목적은 이산화탄소를 집중시키는 것입니다. 루비 스코 (Rubisco)가 활동하기 전에 C 식물₄ PEPC에 의한 첫 번째 카르 복 실화 수행.

두 카르 복 실화 사이에는 공간적 분리가 있음에 유의하십시오. C 식물₄ 그들은 정상적인 광합성이나 C에서와 달리 중온 성 세포에 의해 형성되고 광합성 인 해부학 적 구조 인 "kranz"또는 코로나를 가짐으로써 구별됩니다₃.

이 세포들에서 첫 번째 카르 복 실화는 PEPC에 의해 일어나 옥살 아세테이트 (oxaloacetate) 생성물을 주며, 이는 옥살산 염으로 환원된다. 이것은 포드의 셀로 확산되며, 여기서 디 카르복시 처리 과정이 발생하여 CO₂. 이산화탄소는 rubisco가 지시하는 두 번째 카르 복 실화에 사용됩니다..

광합성 CAM

CAM 광합성이나 crasulasce의 산성 대사는 극한의 기후에서 살며 파인애플, 난초, 카네이션 등과 같은 식물의 전형이다.

CAM 공장에서 이산화탄소의 동화 작용은 밤 시간에 일어난다. 왜냐하면 기공이 열리는 것에 의한 물의 손실은 낮보다 적기 때문이다.

CO₂ 그것은 PEPC와 결합하여 말산을 형성하는 PEPC에 의해 촉매 된 반응입니다. 이 제품은 아침 시간에 내용물을 방출하는 액포 (vacuoles)에 저장되고, 그 다음 탈 카르 복 실화되고 CO₂ 캘빈주기에 동참한다..

광합성과 관련된 요인

광합성의 효율과 관련된 환경 요인 중 하나 : 현재 존재하는 CO의 양₂ 빛, 온도, 광합성 제품의 축적, 산소의 양 및 물의 이용 가능성.

식물 요소 또한 나이와 성장 상태와 같은 기본적인 역할을합니다..

CO의 농도₂ 환경에서는 낮아 (부피의 0.03 %를 초과하지 않음), 따라서 최소한의 변화는 광합성에서 뚜렷한 결과를 낳습니다. 또한 식물은 현재 존재하는 이산화탄소의 70 ~ 80 %만이 가능합니다.

언급 된 다른 변수들에 제한이 없다면, 우리는 광합성이 CO의 양₂ 사용할 수있는.

같은 방식으로 빛의 강도가 중요합니다. 낮은 강도의 환경에서는 호흡 과정이 광합성을 능가하게됩니다. 이런 이유로, 광합성은 태양 강도가 높은 시간, 예를 들어 아침의 처음 시간에서 훨씬 더 활동적입니다.

일부 식물은 다른 식물보다 더 많이 영향을받을 수 있습니다. 예를 들어, 마초 목초는 온도 계수에 매우 민감하지 않습니다..

기능들

광합성은 지구상의 모든 유기체에 필수적인 과정입니다. 이 방법은 태양 에너지를 화학 에너지로 전환시키는 것을 촉진하기 때문에 모든 형태의 생명체를 지원하고 산소의 원천이며 모든 기존의 영양 체인의 기초가됩니다.

즉, 광합성은 우리가 호흡하는 산소를 생산합니다. 위에서 언급했듯이 그 요소는 과정의 부산물이며, 우리가 매일 섭취하는 음식입니다. 거의 모든 생물체는 에너지 원으로서 광합성에서 유래 된 유기 화합물을 사용합니다.

호기성 유기체는 산소 존재 하에서 만 광합성에 의해 생성 된 유기 화합물로부터 에너지를 추출 할 수 있음을 주목하십시오. 이는 또한 공정의 산물입니다.

실제로, 광합성은 악화 된 수 (2 천억 톤)의 이산화탄소를 유기 화합물로 전환 할 수 있습니다. 산소와 관련하여 생산량이 1,400 억 톤.

또한, 광합성은 인류가 화석화 된 광합성 연료의 형태로 생존하는데 사용하는 대부분의 에너지 (약 87 %)를 우리에게 제공합니다.

진화

최초의 광합성 생명체

진화의 관점에서, 광합성은 매우 오래된 과정 인 것으로 보인다. 이 도로의 기원을 첫 번째 형태의 삶의 모습 근처에 위치시키는 많은 양의 증거가 있습니다.

진핵 생물의 기원과 관련해서는 내분비 증을 그 과정에 대한보다 합리적인 설명으로 제안하는 압도적 인 증거가있다.

따라서 시아 노 박테리아와 유사한 유기체는보다 큰 원핵 생물과의 내 생체 내 관계 때문에 엽록체가 될 수 있습니다. 따라서 광합성의 진화 적 기원은 박테리아 영역에서 태어나고 수평 유전자 전달의 거대한 반복적 인 사건으로 인해 분산 될 수있다.

진화에서의 산소의 역할

광합성을 통한 빛의 활발한 전환이 지구의 현재 환경을 형성했다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 혁신으로 여겨지는 광합성은 산소 분위기를 풍부하게하고 생명 형태의 에너지를 혁명적으로 바꾼다..

O의 석방이 시작되었을 때₂ 첫 번째 광합성 생물에 의해, 아마도 포화 될 때까지 바다의 물에 녹아 들었을 것입니다. 또한, 산소는 철과 반응하여 산화철의 형태로 침전 될 수 있으며, 현재는 광물의 귀중한 원천입니다.

과잉 산소는 대기 중으로 진행되어 최종적으로 농축된다. O 농도의 엄청난 증가₂ 그것은 중요한 결과를 가져옵니다 : 생물학적 구조와 효소에 대한 손상, 많은 원핵 생물 그룹의 비난.

대조적으로, 다른 그룹은 광합성 생물, 아마도 고대 시아 노 박테리아에 의해 성형 된 새로운 산소가 풍부한 환경에서 살기위한 적응을 제시했다..

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