光合成の全体像（葉緑体の構造と反応の流れ）｜高校生物

光合成は、光エネルギーを使って二酸化炭素と水から有機物（グルコース）を合成する反応である。この反応は葉緑体で行われ、酸素が副産物として放出される。

葉緑体の構造

葉緑体は二重膜で包まれた細胞小器官で、内部には独自の構造をもつ。

ストロマには DNA やリボソームも存在し、葉緑体が独自にタンパク質を合成できることを示している。これは葉緑体の細胞内共生説を支持する証拠の一つだ。

光合成は大きく分けて「光化学反応（明反応）」と「炭素固定反応（暗反応）」の2段階で進行する。

光化学反応（チラコイド膜）

光エネルギーを吸収し、ATP と NADPH を生成する反応。水が分解され、酸素が発生する。

炭素固定反応（ストロマ）

ATP と NADPH を使って CO₂ を有機物に変換する反応。カルビン・ベンソン回路とも呼ばれる。

「暗反応」という名称は光を必要としないという意味だが、実際には光化学反応で作られた ATP と NADPH がなければ進行しない。そのため現在では「炭素固定反応」や「カルビン回路」と呼ぶことが多い。

チラコイド膜には光化学系 II と光化学系 I という2つのタンパク質複合体が存在する。反応は以下の順序で進む。

光化学系 II が光を吸収し、水を分解（O₂発生）

電子が電子伝達系を通り、H⁺がチラコイド内腔に蓄積

光化学系 I が光を吸収し、NADP⁺を NADPH に還元

H⁺の濃度勾配を利用して ATP 合成酵素が ATP を生成

この過程で水から取り出された電子が最終的に NADPH に渡される。ATP 合成の仕組みはミトコンドリアでの酸化的リン酸化と同じ原理（化学浸透）に基づいている。

光合成全体を化学反応式で表すと次のようになる。

$6 CO_{2} + 12 H_{2} O 光 C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} + 6 H_{2} O$

左辺の水が12分子なのは、光化学反応で水が分解されることを明示するためである。右辺の水6分子は炭素固定反応で生じる。両辺から水を消去すると、より簡略化した式になる。

光合成によって作られた有機物は、植物自身の呼吸や成長に使われるだけでなく、食物連鎖を通じて生態系全体のエネルギー源となっている。