광합성 요약

광합성이란 무엇입니까?

광합성은 무기 물질이 유기 물질로 변환되는 과정이며 동시에 빛 에너지가 흡수되어 화학 에너지로 변환되어 얻은 유기 물질에 저장되는 과정입니다.

광합성 공식

6 CO2 + 6 H2O + 햇빛 –> C6H12O6 + 6 O2

식물에 의해 수행되는 이 반응에서 햇빛 덕분에 이산화탄소(공기 중에 있음)와 물(비나 관개를 통해 흡수됨)이 당과 산소로 변환됩니다.

광합성 단계

광합성 과정은 두 단계로 진행됩니다.

• 가벼운 단계: 에너지가 풍부한 두 가지 생성물인 ATP와 환원된 피리딘-뉴클레오티드(환원력)의 합성을 통해 빛 에너지를 흡수하고 이를 화학 에너지로 변환하는 것이 목적인 일련의 빛 의존 반응입니다. 따라서 빛의 작용에 의해 파괴되는 즉, 광분해를 겪는 공여체(H2D)로부터 피리딘인 최종 수용체(A)로 전자가 전달되는 산화환원 과정입니다. .-뉴클레오티드이며 감소됩니다. 이 피리딘-뉴클레오티드는 NADP 또는 NAD일 수 있으며, 이는 산화된 형태(NADP+ 또는 NAD+) 및 환원된 형태(NADPH 또는 NADH)로 발생할 수 있습니다.
• 어두운 단계: 빛과 무관한 일련의 반응, 즉 빛이 없을 때와 있을 때 모두 수행될 수 있습니다. 그 목적은 CO2를 포집하고 이를 환원하여 다양한 유기 물질, 특히 포도당을 형성하는 것입니다. 이를 위해 ATP와 명상에서 생성된 환원력이 사용되므로 두 상이 동시에 일어난다.

광합성의 종류

어두운 단계는 모든 광합성 유기체에서 유사하지만, 밝은 단계는 전자 기증자와 수용체로 사용되는 물질에 따라 다를 수 있습니다. 이에 따르면 광합성 과정은 두 가지 종류로 구분됩니다.

• 산소 광합성: 전자 공여체는 H2O이므로 이 과정에서 O2가 방출되고 전자 수용체는 NADP+입니다. 이는 진핵 광합성 생물(단세포 및 다세포 조류와 녹색 식물)과 시아노박테리아에 의해 수행됩니다.
• 무산소 광합성: 전자주개는 H2S 등 물 이외의 물질이므로 이 과정에서 O2가 방출되지 않는 반면, 전자받개는 NAD+입니다. 광합성 박테리아에 의해 수행됩니다.

가벼운 단계의 요약

a) 광계의 구성. 빛 에너지를 포착하는 것은 틸라코이드 막에서 발견되는 색소인 엽록소와 카로티노이드의 기능으로, 광계 I(PSI)과 광계 II(PSII)라는 두 가지 광계로 분류됩니다. 모든 색소 분자는 광자를 흡수하지만, 각 광계에는 실제로 빛 에너지를 화학 에너지로 변환할 수 있는 분자는 단 하나뿐입니다. 이는 특정 단백질과 결합된 분자인 엽록소이며, 이를 광화학 반응 센터라고 합니다.

수집기 분자 또는 안테나 분자라고 불리는 광계의 다른 색소 분자는 빛 에너지를 흡수하여 반응 중심으로 빠르게 전달하는 방식으로 작용합니다. PSI의 반응중심에는 P700(P, 색소의 경우)이라고 불리는 특별한 엽록소 분자가 있는데, 이는 700 nm 파장의 빛으로 최대 여기에 도달하기 때문입니다. PSII의 반응 센터에는 P680이라는 또 다른 특별한 엽록소 분자가 포함되어 있습니다. PXNUMX은 해당 파장의 빛을 최대로 흡수하기 때문입니다.

두 광계는 모두 물에서 NADP+로 전자를 운반하는 데 협력하며, NADP+는 전자 2개와 양성자 2개를 포획하여 NADPH가 됩니다. HXNUMXO/OXNUMX 쌍은 높은 산화환원 전위 시스템인 반면 NADP+/NADPH 쌍은 낮은 산화환원 전위 시스템입니다. 전자는 자발적으로 낮은 전위 시스템에서 높은 전위 시스템으로 이동하는 경향이 있으므로 이러한 전자 흐름은 반대 방향으로 수행됩니다. 즉, 에너지 통합이 필요합니다. 전자를 "오르막"으로 이동시키는 데 필요한 에너지는 빛에서 나옵니다.

b) 전자의 흐름: Z 방식. PSI에 의해 포착된 빛 에너지는 P700에 도달합니다. 흡수된 빛의 각 광자 또는 양자에 대해 엽록소의 전자는 분자에서 뛰어올라 전자 전달 사슬의 첫 번째 구성원으로 이동하기에 충분한 에너지를 획득합니다. 녹슨 상태로 남아 있으며 "전자적 간격"이 있다고 합니다. 수송 사슬을 따라 엽록소에서 방출된 전자는 철분을 함유한 단백질인 페레독신(Fd)에 도달할 때까지 "내리막"으로 순환하며, 이는 NADP+에 전달되고, NADP+는 엽록체의 수성 액체에서 전자 700개와 양성자 XNUMX개를 포획합니다. , NADPH로 감소됩니다.

PSI의 전자 정공은 산화된 상태로 남아 있는 PSII의 P680 여기에서 나온 전자로 채워집니다. 에너지가 매우 풍부한 이러한 전자는 수송 분자 사슬을 통해 산화된 P700으로 "내리막"으로 순환하여 초기 상태를 회복합니다. P680의 전자 구멍은 물의 광분해로 인한 전자로 채워져 있습니다. 이 과정은 틸라코이드 막의 안쪽에서 발생합니다. 전자는 광계 II의 전자 간격을 채우고 양성자는 틸라코이드 내부에 축적되며 산소는 환경으로 확산됩니다.

Z 방식 또는 지그재그 방식은 전자가 H2O에서 NADP+로 "위로" 흐를 수 있는 방법을 설명합니다. 흐르는 각 전자에 대해 각 광 시스템에 하나씩 두 개의 광자가 흡수됩니다. O2 분자를 형성하려면 4개의 물 분자에서 2개의 NADP+로 전자 8개의 흐름이 필요하며 총 XNUMX개의 광자가 흡수되어야 합니다. 전자가 위쪽 방향으로 이동하는 과정에서는 빛 에너지를 포착해야 하며, 전자가 아래쪽 방향으로 이동하면 에너지가 방출됩니다. 따라서 광합성의 가벼운 단계는 ATP 합성(광인산화)과 연결됩니다.

c) 광인산화. 광인산화 또는 광합성 인산화는 광합성의 명기 단계에서 전자의 흐름과 결합되어 ADP + Pi로부터 ATP가 합성되는 과정이므로 필요한 에너지는 빛에서 나옵니다. 화학삼투 가설 가장 널리 받아들여지는 가설에 따르면, 전자 수송의 산화환원 과정은 막을 가로지르는 양성자 구배 생성을 통해 ATP 합성과 연결됩니다. 광인산화의 경우, 관련된 막 구조는 틸라코이드입니다.

전자가 전위 아래로 흐르는 동안 에너지가 방출되며, 이는 엽록체 간질에서 틸라코이드 내부 또는 루멘까지 기울기에 반대하여 양성자를 폭격하는 데 사용됩니다. 게다가 물의 광분해로 인한 양성자도 이 영역에 축적됩니다. 그 결과 양성자 구배가 생성되는데, 양성자의 농도는 간질보다 틸라코이드 내강에서 더 높으므로 양성자는 간질로 돌아가려는 경향이 있으며 그 방향으로 "양성자 압력"이 생성됩니다. 엽록체에서 CF1 입자로 대표되는 ATP-합성효소 복합체는 양성자가 기울기에 따라 순환하도록 하는 채널을 구성합니다. 이 에너지 방출 과정은 효소 복합체가 ADP + Pi로부터 ATP 합성을 촉매하는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 비순환적 및 순환적 광인산화 우리가 본 바와 같이, 광상에서는 전자의 지속적인 흐름이 물 -> PSII -> PSI -> NADP+ 방향으로 발생합니다.

PSII에서 PSI로 전자가 이동하는 동안 광인산화에 사용되는 에너지가 방출됩니다. 엽록소에서 제거된 전자가 물의 전자로 대체되기 때문에 이 과정을 비순환적 광인산화라고 합니다. 전달된 각 전자쌍에 대해 생물학 – Escuela PCE© 6 H2O로부터 한 분자의 NADPH가 생성되고 한 분자보다 약간 많은 ATP가 합성됩니다. 그러나 암흑 단계에서는 NADPH보다 훨씬 더 많은 ATP가 필요하므로 엽록체에는 ATP만 생산하는 또 다른 시스템이 있습니다. 즉, 엽록소에서 방출된 동일한 전자가 폐쇄 회로로 돌아가는 전자 흐름을 포함하는 순환 광인산화입니다. 따라서 이름이 있습니다.

PSI만이 이 과정에 개입합니다. P700에서 방출된 전자는 페레독신으로 전달되고, 여기에서 PSII와 PSI 사이의 전자 전달 시스템으로 전환되어 P700의 전자 간격을 채웁니다. 전자가 이 수송 사슬을 통해 흐르면서 양성자는 틸라코이드 막을 가로질러 펌핑되고, 결과적인 구배는 ATP 합성을 유도합니다. 그러나 이 경우에는 NADPH 합성이나 O2 방출이 없습니다. 이러한 전자의 순환 흐름은 세포에 NADPH가 축적되어 있지만 더 많은 ATP가 필요할 때 선호됩니다.

d) 무산소 광합성의 가벼운 단계. 광합성 박테리아는 혐기성 조건에서 작용하며 그 색소는 박테리오엽록소와 카로티노이드이며, 단일 광계로 그룹화되고 세포질 또는 염색체의 막 구조에 위치합니다. 광계 II가 부족하여 박테리아는 물 분자를 분해할 수 없으며 전자 공여체로서 젖산이나 황화수소와 같이 광분해에 의해 분해되기 쉬운 다른 물질을 사용합니다.

결과적으로, 그들은 O2를 생성하지 않고 오히려 사용된 전자 공여체에 의존하는 다른 생성물을 생성할 것입니다. 예를 들어, H2S를 전자 공여체로 사용하는 광합성 박테리아는 황을 생성합니다. 반면, 산소 광합성과 마찬가지로 전자의 순환 및 비순환 흐름이 있습니다. 순환 흐름에서는 ATP만 얻어지는 반면, 비순환 흐름에서는 전자 수용체가 NAD+이므로 ATP와 환원력인 NADH가 얻어집니다. ATP와 NADH는 모두 CO2를 유기물로 줄이기 위해 암흑 단계에서 사용됩니다.

암흑기 요약

어두운 단계는 엽록체의 간질에서 발생하며 CO2가 고정되어 유기 물질로 변환되는 일련의 반응을 포함합니다. 이러한 반응은 캘빈 회로라고 불리는 순환 과정을 구성합니다.

가) 캘빈회로

이는 CO2 고정 단계, 환원 단계 및 재생 단계의 세 단계로 구분됩니다.

CO2 고정 단계

캘빈 회로는 오탄당 리불로스-2-이인산(RuBP)과 반응하여 1,5-포스포글리세린산 두 분자로 빠르게 해리되는 6탄소 중간 화합물을 생성하는 CO3의 결합으로 시작됩니다. 탄소. 이 반응은 생물권에서 가장 풍부한 단백질 효소로 간주되는 리불로스 이인산 카르복실화효소/산화효소(줄여서 루비스코)에 의해 촉매됩니다. 그 결과 무기 탄소가 유기 화합물로 고정됩니다.

환원 단계

그 동안 가벼운 단계에서 나오는 ATP와 NADPH가 소비되며 프로세스는 두 단계로 진행됩니다.
– ATP의 작용에 의해 3-포스포글리세린산이 인산화되어 1,3-디포스포글리세린산이 생성됩니다.
– NADPH의 작용에 의해 카르복실기가 알데히드로 환원되어 광합성에서 생성되는 최초의 탄수화물인 3-포스포글리세르알데히드를 얻습니다.
고정된 각 CO2 분자에 대해 두 분자의 삼당이 형성되므로, n CO2가 고정되면 삼당의 혼합물이 생성됩니다.

재생 단계

이는 이전의 삼당 혼합물에서 시작되며 두 가지 다른 목적을 가지고 있습니다.
– 광합성의 실제 성능을 구성하는 다양한 단순 유기물질(단당류, 글리세린, 지방산 등)을 얻습니다.
– 소비된 리불로스-이인산을 재생하여 과정이 계속 진행될 수 있도록 하여 캘빈 회로를 닫습니다.

b) 질소 및 황 화합물의 광합성 생산.

캘빈 회로를 통해 광합성 세포는 환원을 통해 다양한 유기 화합물을 생성합니다. CO2, 이는 탄소원으로 작용하지만 무기염이 제공하는 원소인 질소나 황은 포함되어 있지 않습니다.

질소의 광합성 동화.

질소의 공급원은 일반적으로 질산염이며, 이는 CO2의 광화학적 특성과 유사한 환원 과정을 거쳐야 합니다. 즉, 질산이온의 환원과 유기분자로의 결합을 위해 가벼운 단계에서 제조된 ATP와 NADPH가 사용된다. 이 프로세스는 세 단계로 진행됩니다.
– 질산염환원효소의 작용에 의해 질산염 이온이 아질산염 이온으로 환원됩니다. 이 과정에는 환원력에 의해 제공되는 2H가 필요합니다.
– 아질산염 환원 효소의 작용에 의해 아질산염이 암모니아로 환원되는 과정에는 환원력에 의해 제공되는 6H가 필요합니다.
– 유기산과의 결합을 통해 암모니아를 유기 화합물에 결합시켜 아미노산(글루탐산)을 생성합니다. 이 반응은 글루타메이트 합성효소에 의해 촉매되며 ATP 소비가 필요합니다. -NH2 그룹은 글루탐산에서 다른 케토산으로 전달되어 트랜스아미나제 효소의 작용으로 새로운 아미노산을 합성할 수 있습니다.

황의 광합성 동화.

광합성 세포의 황 공급원은 황산염 이온(SO4)입니다. 이전에 설명한 것과 유사한 공정을 통해 가벼운 단계의 NADPH와 ATP를 사용하여 황산염은 먼저 아황산염(SO3)으로 환원된 다음 황화수소(H2S)로 환원되어 유기 화합물과 결합됩니다. 이것이 황이 유기물의 일부가 되는 티올기(-SH)를 갖는 아미노산 시스테인을 얻는 방법입니다.

c) 광합성 과정의 전체적인 균형.
캘빈 회로에서 포도당 6분자(C12H6O6), CO2 12분자, NADPH + H+ 12분자(환원 단계에서 소비됨), ATP 12분자(환원 단계에서 6분자, 환원 단계에서 12분자)의 순 결과를 얻으려면 재생). ATP와 NADPH는 가벼운 단계에서 얻어지며, 이를 위해서는 2 H6O 분자의 광분해가 필요하며 그에 따라 2 OXNUMX가 방출됩니다.

광합성 운동

연습 1. 광합성의 가벼운 단계에 관하여:

a) 광합성의 명기 단계의 목적은 무엇입니까?

광합성의 빛 단계의 목적은 에너지가 매우 풍부한 두 가지 생성물인 ATP와 NADPH(환원력)의 합성을 통해 빛 에너지(빛의 광자에서)를 화학 에너지로 변환하는 것입니다.

b) 물의 광분해란 무엇을 의미하며 O2 분자 XNUMX개를 생성하려면 몇 개의 분자가 이 과정을 거쳐야 합니까?

물의 광분해는 빛의 효과로 인해 물의 결합이 끊어져 더 단순한 물질로 분해되는 것입니다. 물질 수지에 따르면 물은 전자 2개, 양성자 2개, OXNUMX 절반을 방출하므로 OXNUMX 분자 XNUMX개를 생성하려면 물 분자 XNUMX개가 필요합니다.

연습 2. 광합성의 어두운 단계와 관련하여:

a) 광합성의 어두운 단계의 목적은 무엇입니까? 어디서 수행되고, 어떤 물질이 소비되며, 어떤 제품이 유래됩니까?

광합성의 어두운 단계의 목적은 CO2를 흡수하고 이를 감소시켜(밝은 단계의 화학 에너지를 사용하여) 단당과 같은 유기물을 형성하는 것입니다. 광합성의 이 단계는 엽록체의 간질에서 발생합니다. 소비된 물질: CO2, ATP 및 NADPH. 생성물질 : ADP+Pi, NADP+ 및 단순유기물질(단당류, 글리세린 등)

b) 캘빈 회로의 세 가지 주요 단계는 무엇입니까? 각각에서 발생하는 프로세스를 간략하게 설명하십시오.

CO2 고정 단계, 감소 단계 및 재생 단계. 고정 단계 동안 CO2가 통합되어 무기 탄소를 리불로스-1,5-비스포스페이트에 고정하고, 이는 즉시 두 개의 3-포스포글리세레이트 분자로 해리됩니다. 환원 단계에서는 가벼운 단계의 ATP와 NADPH가 소비되어 3-포스포글리세레이트를 글리세르알데히드-3-인산염으로 환원시킵니다. 이 글리세르알데히드의 일부는 단당의 형성을 위해 세포의 세포질로 배출되고 다른 일부는 리불로스-1,5-비스인산염의 재생을 위해 사용되어(ATP 소비) 순환이 종료됩니다.

 

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