光合成

光合成はチラロプラスト内で行われる。その構造は2つの段階に適している：

• 内部には平たい袋のスタックであるチラコイドがある。チラコイドのスタックをグラナム（複数形：グラナ）という。チラコイド膜は光を捕捉する色素を保持しており、第一段階の場である。
• チラコイド周囲の液体はストロマであり、第二段階の場所である。

光合成には2つの相互に関連した段階がある：

1. 光依存性段階はチラコイドで行われる。光エネルギーを用いてATPと還元型NADP+を生成する。
2. 光非依存段階とも呼ばれるカルビン回路はストロマで起こる。第一段階から得られたATPと還元型NADPを用いて、二酸化炭素から複雑な有機分子を合成する。

色素とは光を吸収する有色物質のことである。チラコイドには複数の色素が含まれており、これらが協働して可能な限り多くの光を捕集している：

• クロロフィルaおよびクロロフィルb（主に赤色光と青色光を吸収する）、
• カロテンおよびキサントフィル（他の波長の光を吸収し、エネルギーを伝達する）。

これらは2つのグラフを用いて研究する。吸収スペクトルは各色素が特定の波長でどの程度光を吸収するかを示す。作用スペクトルは各波長での光合成の進行速度を示す。両者のグラフがほぼ一致することは、色素が光合成を駆動していることを示している。

色素はクロマトグラフィーによって分離できる：紙の上を異なる距離だけ移動する。各色素はRf値（色素の移動距離 ÷ 溶媒の移動距離）によって同定される。

チラコイド内で光を用いてATPが生成される。これを光化学リン酸化といい、2つの形式がある。

循環型光化学リン酸化の場合：

• 光系I（PSI）のみが関与する。
• クロロフィルの光活性化が起こる（光によってその電子が高エネルギー状態へ励起される）。
• ATPのみが生成される。

非循環型光化学リン酸化では：

• 光系I (PSI) と光系II (PSII) の両方が使用される。
• クロロフィルの光活性化が起こる。
• 酸素発生複合体が水の光分解（光による分解）を行い、酸素を放出する。
• ATPと還元NADPの両方が生成される。

どちらの場合でも、エネルギーは同じように放出される：

1. エネルギーの高い電子が電子伝達系を通りながらエネルギーを放出する。
2. このエネルギーを使って、プロトンがチラコイド膜を越えて運ばれる。
3. プロトンはATP合成酵素を通じてストロマに再び流れ込み、この流れがATP生成のためのエネルギーとなる。

光依存性反応以外の段階では、糖が以下の3つの主要なステップで合成される：

1. 固定 — 酵素であるRubiscoが二酸化炭素を5炭素分子であるRuBP（リブロースビスホスフェート）に結合させる。これにより、3炭素化合物であるGP（グリセリン酸3-リン酸）2分子が生成される。
2. 還元 — GPは、光依存性反応で生成された還元NADPとATPを用いてTP（トリオースリン酸）に還元される。
3. 再生 — TPの大部分は、より多くのATPを使用してRuBPを再生するために使われるため、サイクルが継続して機能できる。

一部のTPがサイクルから離脱して有用な分子を形成する。GPはアミノ酸の合成に用いられ、TPは炭水化物、脂質、およびアミノ酸の合成に用いられる。

制限要因とは、光合成速度を制限している供給量が最も少ないもののことである。主な3つは光強度、二酸化炭素濃度、および温度である。

• 光強度を上げると、他の何らかの要因が制限要因となるまで光合成が速くなる。
• 二酸化炭素濃度を上げると、他の何らかの要因が制限要因となるまで速くなる。
• 温度を上げると最適値まで速くなるが、高すぎると酵素が変性してしまう。

赤色指示薬であるDCPIPやメチレンブルー、およびクロロプラストの懸濁液を用いて、光依存性反応の速度を測定することができる。クロロプラストが機能すると染料の色が失われるため、異なる光強度や光の波長を試すことができる。水中植物全体を使用する場合、異なる条件下での速度を比較するために放出される酸素の気泡数を数えることができる。

演習例。 安定して光合成を行っている植物が突然二酸化炭素を供給されなくなった場合、GPとRuBPのレベルには何の変化が生じるか？ サイクルを1ステップずつ追跡する。二酸化炭素はRuBPと結合してGPを形成する際、Rubiscoによって触媒されることで固定される。二酸化炭素を取り除くとその反応は停止するため、GPはもはや生成されない — しかし、ATPと還元NADPを用いてTPに還元されるため、GPは引き続き消費される。したがって、GPは減少する。一方、RuBPはTPからまだ再生されているが、もはや消費されていないため、RuBPは増加する。この手順は常に同じである：停止する反応を見つけ、各物質について「まだ生成されているか」かつ「まだ消費されているか」を問うことである。代わりに光を取り除いた場合は逆の結果となる：ATPや還元NADPがないためGPは還元できず、GPは増加しRuBPは減少する。

• 2つの段階を区別する：光依存的反応（チラコイド — 光分解、ATP、還元NADP、O2）とカルビン回路（ストロマ — rubiscoによるCO2固定、GP → TP）。
• 制限因子グラフを読む：プラトー（頭打ち）は、異なる要因（光、CO2または温度）が速度を制限している箇所である。
• クロマトグラフィーの$R_f$値を用いて色素を同定する。
• クロロプラストの構造と機能を関連付ける（光反応のためのチラコイド stacking、カルビン回路のためのストロマ）。