光合成ってなんなん part.7 カルビン回路についてわかりやすく教えてください涙！

マナブ　お久しぶりですーーー

ワサビ　にゃーにゃーにゃー

マナブ　やばい全然ブログに手をつけてなかったからタイピング速度落ちてるわあ

ワサビ　まったくぅ　これだから若いやつは！

マナブ　いや　お前何歳やねん！

ワサビ　猫的な年齢では社会に揉まれているお年頃かな

マナブ　いや　何歳やねん！

ワサビ　自分が過ごす時間は感覚とともに人それぞれだ

　　　　何歳とか関係ない！

マナブ　じゃあ誕生日はいつなん

ワサビ　今日の自分と明日の自分は違う

　　　　吾輩は毎日生まれ変わってるんやで

マナブ　思想つんよ（強）

ええー今回は光合成の解説も後半戦に入るということで

カルビン回路について猫でもわかるように解説しようと思います。

カルビン回路と聞いて拒絶反応を示している人も少なくないはず。( ；∀；)

一緒に楽しく学びましょう🎵

カルビン回路をざっくり説明

光合成における代表的な炭素固定を行う回路。

いわゆる二酸化炭素から炭素を取り出してその炭素から

グルコース（デンプン）を作り出すシステムです。

化学式は以下の通り

6(CO2) + 12(H2O)   ----->   C6H12O6 + 6(H2O) + 6(O2)

　　　　　　　　　　　　　 [グルコース]

1950年に研究者のカルヴィンさんとベンソンさんとバッシャムさん

によって報告されたのだけれど名前がカルビンだけになっていることが多いです。

（個人的に他の2人可哀想🥺）

manabuwithwasabi.hatenablog.com

炭素固定の反応は葉緑体のストロマで行われます。

当たり前ですが反応が進むためにはエネルギーが必要です。

しかしながらストロマにはチラコイドに存在しているクロロフィルといった光エネルギーを吸収できるものがありません。

ではどうすればいいのでしょうか？？

そこで登場するのがpart.5（上に貼ってあるやつ）で登場！

チラコイドで生産されたATPとNADPHです。

これら物質がエネルギーを伝えるいわば電池としてその役目を担うのです！

植物すごいぜ！！

ATPとNADPHを電源としてカルビン回路が作動するんですよ！

カルビン回路を細かく見ていく

まずストロマに存在するCO2が

ルビスコと呼ばれる酵素によってリブロースビスリン酸(RuBP)にくっ付けられます。

このときRuBPは所持していた炭素を5つから6つに増やすことになります。

(CO2のCが足されたからね)

さらにこのRuBPはまたまたルビスコによって真っ二つに切断され

炭素を3つ持ったホスホグリセリン酸(PGA)が2つできます（6÷2＝3）。

PGAにATPからリン酸(P)が与えられ

ビスホスホグリセリン酸(BPG) （→リン酸が２つ）になります。

NADPHが酸化してNADP+になることで発生した

水素がBPGの酸素を奪ってH2O発生します。

それでOが少し減ったグリセルアルデヒドリン酸(GAP)になるのです。

GAPはリン酸を相変わらず2つ持っているのですが

そのほとんどはやがてリン酸を１つ切り離してリブロースリン酸になり

そしてリブロースビスリン酸になって一周しました！！

（カルビン回路一回転！！）

カルビン回路の略図↓

これの繰り返しが光合成における炭素固定（暗反応）のシナリオです。

しかしながらGAPは全てリブロースリン酸に変化したわけではなく、

一部はフルクトースビスリン酸に変化します。

このフルクトースビスリン酸が後にグルコースになっていくのです。

（へえーーーーほどなるーーー）

まとめ

①RuBPにCO2が結合する

②2つのPGAができる

③PGAがGAPに還元される

④ GAPがリン酸を増やしてRuBPになるが一部はグルコースを生成する

だいたいわかったかな？？

不十分なところは後々加筆していく次第です。

見てくれてありがとうにゃ

次回もお楽しみに🎵

語呂合わせで楽しく学ぼー その1.生物〜代謝〜

ワサビ：ニャーニャー生物って

　　　　めっちゃたくさん専門用語出てくるよね

　　　　特に代謝とかさ

マナブ：確かに！生体内における化学反応を

　　　　説明するためには用語を覚えないとね

ワサビ：テストの前とか必死に教科書に目を通してたにゃ

マナブ：生物は暗記ゲーとか言われているけど

　　　　そうじゃないんだぞ！

ワサビ：にゃ？

マナブ：理解することが大事。

　　　　特に代謝は反応の流れやそれを構成する物質とかを

　　　　学んでいけば自然と知識はついてくるよ。

ワサビ：それでこのブログでは“流れ”を重視しているわけかー

マナブ：理解を促進させるためには遊び心を取り入れるといいね！

ワサビ：アソビゴコロ？

マナブ：そう、例えば語呂合わせとかは結構効果的

今回は代謝の種類を語呂合わせを通じてワサビとマナブよ！

ざっくり代謝とは生命活動に伴う化学反応全体のことです。

エネルギーは生物にとって生きる上で大切なもの。

しかし、当たり前ではありますが、

エネルギーを使えばエネルギーは減っていきますよね。

スマホは使い続けるとバッテリーが減って、

メーターが赤色になって、という具合に......。

そうなった時にあなたはどうしますか？もちろん充電するでしょう。

エネルギーの充電と消費は代謝に伴って行われるんです！

代謝の種類もエネルギーを蓄えることと、

エネルギーを使うことの2種類に大きく分けることができます。

エネルギーの吸収に伴う過程を同化。

エネルギーの放出に伴う過程を異化。

と言います。

同化の代表例は光合成です。

光エネルギーを使って二酸化炭素と水から

有機物であるデンプン（グルコース）を生成します。

（炭素を材料に有機物を生成する同化を特に炭酸同化と言います。）

エネルギーを吸収して単純な物質から複雑な物質を作ることが特徴です。

異化の代表例は呼吸です。

酸素を吸収しデンプンを分解して、

エネルギーを作りだします。

複雑な物質から単純な物質が生成されます。

光合成を行う生物、主に植物は

自らエネルギーを吸収して蓄えることができるんですね。

このように無機物から有機物を合成して生活する生物を

独立栄養生物と言います。

反対に光合成ができない生物はエネルギーを得るために

独立栄養生物が合成した有機物を体内に取り込んで生活します。

このような生物を従属栄養生物と言います。

こうして考えてみると食物連鎖がなぜ起きているのかはっきりしますね。

さて代謝の種類を理解するためには語呂合わせが一番！

光合成かどうか呼吸するイカ

でおぼえましょう。

こうすることで

同化→光合成→二酸化炭素を取り込んでデンプンを作る→単純な物質から複雑な物質を作り出す→それによってエネルギーが吸収されて蓄えられる

異化→呼吸→デンプンを分解して二酸化炭素ができる→複雑な物質から単純な物質が作り出す→それによってエネルギーが放出される

と導くことができます。

みなさんも遊び心を取り入れながら学びを深めてはどうでしょうか。

それでは次回もお楽しみに！

光合成ってなんなん？ part.6 ATP

エネルギーは生物が生きる上で欠かせないものです。

そのエネルギーがどのようにして吸収されているのか、

またどのようにして放出されるのかを今回解説していきたいと思います。

早速なのですが

エネルギーは生体内において

ATPという物質を介して使われています。

ATPはエネルギーを貯める電池のようなものです。

ATPは正式名であるアデノシン三リン酸

（adenosine triphosphate）

の頭文字をとった通称みたいなものです。

構造は塩基のアデニンと五炭糖のリボースが結合したアデノシンという化合物に

リン酸が3つつながった形をとります。

エネルギーが大きく関係しているのはリン酸が結合している部分です。

プラス帯びたリン酸原子同士の間と

マイナスを帯びた酸素原子同士の間で

それぞれ静電気的反発が発生するこの結合は非常に不安定な状態です。

3つのうち一番末端にあるリン酸がはずれリン酸結合が解けると

中に貯まっていた反発力が

エネルギーとして放出される仕組みです。

このときATPは１つリン酸を失ったADPになります。

特にこのリン酸結合を高エネルギーリン酸結合と言います。

例えるなら同じ磁極同士を無理やり紐で結んでまとめた磁石を想像すると良いでしょう。

さてATPとエネルギーの関係性がわかりました。

先ほど“ATPは電池のようにエネルギーを貯めることができる“

と言いましたがどのようにATPは生産されるのでしょうか。

また使用された後のADPはどうなるのでしょうか。

電気と同じようにエネルギーにも発電所があります！

しかも画期的な水力発電所です。

名前はATP合成酵素と言います。

意味はそのまんまATPを合成するための酵素です。

構造は回転子と固定子があって、タービンみたいになっています。

ATPは世界最小のモーターです！

まーそりゃそうだ。細胞レベルなんだからw

呼吸については次回解説していくので、

今回は葉緑体のチラコイドでATPが合成される流れを説明します。

今までの投稿を見てもらうとより理解しやすくなるのですが、↓

光合成が行われる過程で、

チラコイド内に水素イオン（プロトン）が溜まって

チラコイドの外と中でイオンの密度に差が生まれてしまいます。

これをプロトン濃度勾配と言いましたよね。

濃度を均等にするために水素は高濃度のチラコイド内から

低濃度のストロマ（外側）に移動します。（化学浸透）

この流れを利用してATPはF0部位を回転させます。

その回転に連動してF1部位が回転し、

F1部位にてストロマ内のADPと

クレアチンリン酸を分解して供給されたリン酸から

ATPが生産されるのです。

水素イオンが3つ通過するとモーターが1回転してATPが1分子できます。

水素イオンはストロマに放出された後、酸素と結びつき水になります。

余談ですがATP合成酵素は1分間で6000〜10000回転しているらしい。

次回もお楽しみに！

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光合成ってなんなん？ part.5 光化学系Iをわかりやすく解説するよ！

暑いですねー地球温暖化をひしひしと感じる今日この頃、

皆さんはいかがお過ごしでしょうか。

マナブです。

今回は光化学系Iを解説します。

ここでもさらに新しい単語が出てきなすが気負わずに楽しく学んでいきましょう。

光化学系Iは光化学系IIと同じく、

光エネルギーを吸収することで機能しています。

光エネルギーが吸収されたクロロフィルは

励起状態（ストレス溜まった）になりそのエネルギーは

だんだんと周りに伝えられていきます。（蛍光共鳴エネルギー移動）

最終的に一番ストレス溜まってなさそうな反応中心クロロフィルに

エネルギーが集まり、このクロロフィルを励起させるのです。

ストレス溜まってブチギレてこのクロロフィルは二つ電子を放出するのです。

電子が飛び出す、つまりイオンになるためのエネルギー

（これをイオン化エネルギーと言いましたよね）が加わったのです。

さてさて、電子を奪われたクロロフィルは

一時的に酸化状態になりますが電気的に不安定であるため

プラストシアニンという隣人さんから電子を受け取って

元の安定した状態に還元されるのです。

そーなんです！

電子を受け取って元の状態に戻るから還元なんです！

ここ重要ポイント！

学校で暗記に必死だった酸化還元の原理もしっかりと

根本的な意味や働きを知ることで楽しく覚えることができるんです！

あ、つい励起状態になってしまったw  落ち着こ落ち着こ　

続いてクロロフィルから放出された電子は

フェレドキシン（Fd)という電子伝達体に送られます。

でもってフェレドキシンが電子を二つ受け取って

還元状態になります。（二電子還元）

いよいよストロマの世界に進出だ！

ここから糖分を二酸化炭素から作り出すシステム、

カルビン回路の起動スイッチを握るNADPHと言う電子伝達体を作るのだが、、、。

なに、“NADP＋が還元されてない“だと。

還元するためには結構エネルギー使うのに

そのエネルギーが少なくなっていた。

でもダイジョーブ！

こんな時に化学反応を助けてくれるのが酵素の役割です。

この還元反応にはフェレドキシンNADP+レダクターゼ（通称FNR）

と言う酸化還元酵素が働きます。

酵素によって少ないエネルギーでも反応が可能になります。

2(Fd(還元型)) ＋ (NADP+) ＋ (H+) → 2(Fd(酸化型)) ＋ (NADPH)

ん？還元させる電子がないぞ　

と思った人もいるかもしれませんが

その電子は還元型のFdから受け渡されているのです。

その証拠に反応ごのFdは酸化型になっています。

ここまでのチラコイドで主に行われてきた光合成の反応を明反応と言います。

これに対して暗反応はストロマが舞台になります。

暗反応に移る前に次回はこの暗反応、

糖が生成されるカルビン回路を動かす上での

エネルギー源となるATPを詳しく解説していきます。

熱中症気をつけてね。

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光合成ってなんなん？ part.4 電子伝達系とプロトン濃度勾配

今回は光合成における電子伝達系とプロトン濃度勾配の関係性を

わかりやすく説明して行きたいと思います。

電子伝達系とは生体内で脱水素反応によって生じた電子が一連の酸化還元酵素によって連鎖的に受け渡される関係を成している構造のことです。

はーーーい、むずかしー。

だからわかりやすく説明していくよ！

電子伝達系は電子を受渡する電子伝達体の働きによって上手く機能しています。

電子伝達体は電子を奪う力、

また電子を放出する力の指標である酸化還元電位の違い

によって電子受容体と電子供与体の2種類に分けられる。

野球で例えるなら電子供与体がピッチャーで、

電子受容体がキャッチャーみたいな感じ。

光化学系IIから電子を渡し合って最終的に光化学系Iに運ばれる。

今回登場するのは

プラストキノン（PQ）

シトクロムb6f複合体(cyt-b6f)

プラストシアニン（PC）

の三つの伝達体です。

まず、光化学系Iから放出された電子２つは

プラストキノンに送られます。

このとき電子と結びつきたいと思っている水素イオン（プロトン）が

ストロマ（チラコイド外）から入ってきます。

そして電子と結びつき見事水素に還元されてプラストキノンと合体します。

そしてプラストキノンがプラストキノールになります。

2(H+) + 2(e-) + (PQ) = (PQH2)      

いわゆる二電子還元と言うやつです。  

水素と電子が引っ付いたり離れたりして酸化還元が繰り返されています。

これが脱水素反応

そのあとプラストキノールはシトクロムb6f複合体と言う場所に移動します。

ここで電子を放出します。

このとき水素から電子が供給されるため水素が再び水素イオン（プロトン）に変わります。

しかしこの反応はシトクロムb6f複合体の内側のチラコイド側で行われるため、

水素イオンはストロマに戻らず、チラコイド内に移動し、溜まっていきます。

そうしてチラコイドの内側と外側（ストロマ）で

水素イオンの濃度に差が生まれてくるのです。

プロトン濃度勾配と言います。

これが動力源となりエネルギーの元であるATPの合成に

ふかーく関わってくるのです。

さて、シトクロムb6f複合体から電子を受け取ったプラストシアニンは

還元され、そして同じように電子をまた放出するのです。

いよいよ次回光化学系Iが登場します。

お楽しみに

補足ですが　チラコイドの中身をルーメンと言います。知っていて損はない！

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光合成ってなんなん？ part.3 光化学系II

ワサビ　こちらのイラストは1772年にプリーストリーさんが

　　　　行った実験を再現したものです。

　　　　ガラスの容器で蓋をして、中にハッカと言う植物を入れたところ、

　　　　蝋燭が燃えて、ネズミも生育できました！

　　　　この実験結果から植物は酸素を発生することが明らかになったのです。

 

今回は光を吸収されたあと一体どのようにして酸素が発生するか説明していきたいと思います。

光合成は葉緑体の中で複雑に行われています。

難しい単語だけを暗記のように覚えるのではなく、

流れを知り、理解を深めていけばきっと興味深く、

楽しい内容になること間違いなしです！！

光合成は光の吸収によって化学反応を起こす現象、光化学反応の代表例です。

前回の内容では光エネルギーを吸収するクロロフィルを解説しました。

最終的にエネルギーは反応中心クロロフィルに集められ、

励起状態になり電子を放出するのですが

電子が減ってしまった反応中心クロロフィルはこのあとどうなるのでしょうか？

まず、反応中心クロロフィルはチラコイド内の水を分解して、

そこから電子を補充しようとします。

この時の反応が　2(H2O) → 4(e-) + 4(H+) + (O2) 

お気づきでしょうか

水を分解する過程で酸素が発生しました！

実は光合成で発生する酸素は水の分解から生まれたものなんです。

中学校のとき

「光合成は二酸化炭素を取り入れて酸素が発生する仕組み。」

と習いましたが、厳密に言えば

「光合成は水を分解して酸素が発生する仕組み。」

です。

二酸化炭素は別のところで活躍します。

それはまた今度説明します。

ここまでの光を吸収して、水を分解し電子を取り出して酸素を作る過程は

光化学系IIで行われている。

光化学系は複数のタンパク質から構成されているため

光化学系II複合体と呼ばれている。

その中でも水を分解する部分を酸素発生複合体（マンガンクラスター）と言う。

光化学系IIがあると言うことは、、、。

光化学系Iももちろんあります！！

ここに反応中心クロロフィルから放出された電子が移動するのです。

しかし、この二つの光化学系は互いに離れているため

電子を運搬する役割を担う物質が必要になります。

ここで登場するのが電子伝達体です！

電子は電子伝達体を経由しながら光化学系Iへと向かうのです。

この道筋を電子伝達系または電子伝達経路と言います。

電子さん！　かなりの長旅ですね！

次回は電子伝達体の物質を紹介します。

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光合成ってなんなん？ part.2 クロロフィル！

どーもマナブです。

今回はクロロフィルについて説明するよ！

クロロフィルとは光合成色素と呼ばれる物質です。

代表的なのはクロロフィルa          化学式 C55H72O5N4Mg

前回の記事でも書いた通りクロロフィルは光のスペクトルより、

主に紫、青、赤の光を吸収し、緑の光を反射するため緑色に見えます。

そしてこのクロロフィルはチラコイド膜にタンパク質と結合して埋め込まれているため、

チラコイドなどから構成される葉緑体は緑色に見える訳です。

さて、今回このクロロフィルの働きを説明します。

クロロフィル無しには光合成は行われないでしょう！

No Chlorophyll , No Photosynthesis

（英語では光合成は [photosynthesis]と言うらしい。）

クロロフィルの構造は化学式にもあるように結構複雑で

ほとんどの天然のクロロフィルにはマグネシウムが配置されています。

さて構造については別の時間にお話ししましょう。

クロロフィルは光合成の出発点であり光を吸収するアンテナのような役割を担っています。

というかほとんどアンテナです。

クロロフィルが太陽光のエネルギー（光エネルギー）を吸収すると

励起（れいき）状態になります。

励起状態とは簡単に言うとエネルギーが溜まった状態です。

原子の中には原子核があってその周りを電子が回っているのですが、

電子にエネルギーを加えると電子が軌道からずれてしまいます。

ストレスが溜まった状態をイメージしてください。

原子は自然で安定した状態に戻りたがります。

ストレスを発散するときに電子は

エネルギーを放出して元の状態（基底状態）に戻るんです！　　なるほど〜。

人間も原子も同じですね〜。

そりゃそうだ人間は原子からできているんだから（笑）

さて光エネルギーを吸収して励起状態になった色素分子クロロフィルはブルブル揺れます。

その振動が色素分子間で直接伝わりエネルギーは移動します。

この現象を蛍光共鳴エネルギー移動、通称FRETと言います。

エネルギーは最終どこに至るのかと言いますと

一番エネルギーが低そうなところに集まるわけです。

水が位置の低いところに流れ込んで集まる感じ。

エネルギーが集められた色素分子を特に反応中心クロロフィルと言います。

逆に先ほど紹介した光エネルギーを吸収するクロロフィルを

アンテナクロロフィルと言います。

じゃあ反応中心クロロフィルは次は誰にエネルギーを渡すんだ？

考えてみてください

反応中心クロロフィルさん、ストレスめっちゃ溜まってます。

これ以上エネルギーが低そうなクロロフィルはなさそうです、、、、、、、、、、、、。

遂にブチギレます。

人間と同じだぁ　笑

で、なんと電子をドカーンと放出するのです。

まあなんとか反応中心クロロフィルは落ち着いたようです💦

次回はこのあと放出された電子はどうなったのかを引き続き世界一わかりやすく説明します。

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実は僕、ノートはボールペンでまとめています！

光合成ってなんなん？ part.1 葉緑体の自己紹介

ワサビ「光合成といえば植物やんな！」

マナブ「なんで植物なの？」

ワサビ「昔、学校で習ったような、、、。」

　　　「でも途中で難しい単語がズラーってなってて挫折したんよなw」

マナブ「大丈夫今からでも理解はできるよ！」

ワサビ「なぜそんなことが言えるの？」

　　　「てかマナブって頭いいん？」

マナブ「一応、偏差値は70以上ある。」

ワサビ「まじか、、、。」（説得力ありすぎ）

マナブ「あと現役高校生やから」

マナブ「おーーー。」

世界一わかりやすい！「光合成の仕組み」　（自称w）

光合成は主に葉緑体の中で行われています。

葉緑体は細胞の中にある小さな器官、いわゆる細胞小器官です。

めっちゃ小さいです。0,01mmぐらい。

葉緑体は二重の膜で包まれており、（二重膜構造）

中にはチラコイドと呼ばれるお皿のようなものがあって、

それが重なってグラナと呼ばれる積み重なりになります。

グラナの間はストロマが満たしてくれています。

実は葉緑体には輪っか状になったDNAがあります。

と、言うことは葉緑体単体で分裂、増殖ができるわけなんですね〜。

二重膜構造とDNAはなぜ存在するのでしょう？

その理由は細胞内共生があったからだと考えられています。

元々は『シアノバクテリア』と呼ばれる光合成を行う生物がいて、

これが細胞の中に住みついたことが始まりだとされています。

さて、葉緑体の色は何色でしょうか？

文字の通り緑色ですね。

これは色素が関係しています。

葉緑体の中のチラコイドの中にクロロフィルと呼ばれている光合成色素があります。

この色素に光を当てたとき紫、青、赤が特に吸収されるのです。

そして緑の光は反射するのです。

よって緑色に見えるのでーす。

続きは次回。お楽しみに！

#世界一わかりやす

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光合成ってなんなん？ はじめに、、、。

ワサビ「あー暑いーーー2023年今年の夏は特に暑いやろなー」

　　　「地球温暖化をひしひしと感じるぜー」

マナブ「水分補給しっかりとれよー」

ワサビ「よし！地球温暖化止めるぞ！」

マナブ「はい？」

ワサビ「植物をいっぱい植えんねん」

マナブ「なるほど二酸化炭素を吸収する作戦だな」

　　　「ネコでありながらよく考えたものだw」

ワサビ「あのさ。その、二酸化炭素を吸収する仕組みが知りたいんよ」

マナブ「光合成の仕組みですね」

ワサビ「教えてくれ！」

マナブ「、、、、。」

ワサビ「にゃー」

マナブ「ネコでありながらお金の価値を知っているワサビならわかるかな」

ワサビ「yes！」

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Hello my name is MANABU

どーも

こんにちは

マナブです。

ワサビの飼い主です。

高校生やってます。

よろしくーーー