葉緑体はエネルギーを生産する植物細胞です

太陽を知っていますよね？それは、非常に多くのエネルギーを放出する燃焼ガスの巨大な球であり、私たちの緑の仲間である植物をはじめ、地球上のすべての生物に電力を供給しています。太陽はあらゆる種類の電磁放射線を放出し、植物は可視光の形で現れるエネルギーを利用して、野生的で魔法のように見える光合成プロセスを実行します。

しかし、光合成は魔法ではありません。葉緑体と呼ばれるこれらの小さな細胞構造のクールな化学的働きです。葉緑体は、植物と真核生物の藻類（真核生物とは、明確に定義された核を持つことを意味します）にのみ見られる細胞小器官の一種であり、太陽光を捕らえ、そのエネルギーを食物に変換します。植物のために。

葉緑体は古代の細菌から進化した

葉緑体は、エネルギー生成を担う別のタイプの細胞小器官であるミトコンドリアとよく似た働きをします。これは驚くべきことではありません。なぜなら、どちらも、大昔に細菌が包まれていても消化されなかったときに進化したからです。 — より大きなバクテリア。その結果、2 つの生物間にある種の強制的な協力が生じました。これは現在、「内部共生仮説」と呼ばれる小さなものを通じて説明されています。葉緑体とミトコンドリアはどちらも細胞の他の部分から独立して複製し、独自の DNA を持っています。

葉緑体は植物のあらゆる緑色の部分に見られ、基本的には袋の中に袋があり（二重膜があることを意味します）、 葉緑素と呼ばれる光を吸収する色素を含む小さな袋（と呼ばれる構造）をたくさん保持しています。何らかの流体（と呼ばれる）に浮遊しています。

葉緑体の光合成の魔法の鍵はその膜にあります。葉緑体ははるか昔に独自の細胞膜を持つ独立した細菌として始まったため、これらの細胞小器官には 2 つの細胞膜があります。外膜は細菌を包んでいた細胞の残りであり、内膜は細菌の元の膜です。外膜はプレゼントの包装紙、内膜はおもちゃが入っていた箱と考えてください。光合成に最も重要な空間は、箱の内側とおもちゃの間にあるチラコイドです。

葉緑体は電池のように勾配で動く

葉緑体の二重膜は、4 つの異なる空間を持つ 2 つの仕切りを作成します。細胞内の細胞質。葉緑体の内側だがチラコイドの外側にある間質（別名、内膜と外膜、包装紙と箱の間の空間）。そしてチラコイド空間は基本的に元の細菌の内部にあります。チラコイド自体は、膜で覆われた小さな袋の積み重ねにすぎません。実際、チラコイドの膜によって定義されています。これらの膜は、物体が空間間を勝手に移動するのを防ぐ仕切りの役割を果たし、葉緑体が荷電粒子を特定の領域に蓄積し、特定のチャネルを通じてある空間から別の空間に移動できるようにします。

「それが電池の仕組みです」と、バージニア州ファームビルにあるロングウッド大学准教授のブランドン・ジャクソンは言う。 「バッテリーの一方の端に多くのマイナスの電子を置き、もう一方の端にたくさんのプラスの電荷を置くにはエネルギーが必要です。両端をワイヤーで接続すると、電子は実際に下に流れて電気を平らにしようとします。彼らはそれらの間の化学勾配を非常に望んでいます。そのため、電球、モーター、コンピューターチップなどの何かをワイヤーに沿って配置すると、彼らが移動するときに自分自身を押し進めて役に立ちます。何か有益なことをしないとしても、動きは依然としてエネルギーを放出しますが、それは単なる熱です。」

ジャクソン氏によると、植物の細胞内に電池を作るには、エネルギー源と、勾配を作り出し維持するための仕切りが必要だという。勾配を平坦化すると、勾配を作成するために使用されたエネルギーの一部が逃げてしまいます。したがって、葉緑体電池の場合、植物が太陽からエネルギーを取り込むときに電気化学的勾配が生成され、チラコイドを覆う膜が、剥ぎ取られた異なる濃度の水素イオン（プロトン）の間の仕切りとして機能します。いくつかの水の分子。

エネルギーに従ってください

葉緑体の内部では多くの化学反応が起こっていますが、その化学反応の結果、太陽光が貯蔵エネルギーに変換され、基本的にバッテリーが形成されます。

それでは、エネルギーを追ってみましょう。

太陽が葉の上で輝いています。その太陽エネルギーは葉の中の水分子内の電子を励起し、励起された電子は何度も跳ね返るため、水分子の水素原子と酸素原子がばらばらになり、これらの励起電子が光合成の第一段階、つまり酵素やタンパク質の集合体に送り出されます。と呼ばれる顔料は水を分解し、水素イオン（バッテリーで使用されるプロトンと植物のゴミとして空気中に漂う酸素ガス）を生成します。

これらのエネルギーを与えられた電子は、他の膜結合タンパク質に伝えられ、そのエネルギーを利用してイオンポンプを駆動し、水素イオンを膜間の空間からチラコイド空間に運びます。ここで光合成のすべての光依存反応が起こります。光化学系と電子ポンプがチラコイド膜の表面を覆い、間質（チラコイドと内膜の間の流体空間）から水素イオンをチラコイド嚢の積み重ねに送り込みます。そしてこれらのイオンは実際にこれらの嚢から出ようとします。チラコイド、これが電気化学的勾配を生み出すものです。このようにして、光エネルギー (外出時に顔に光るエネルギー) が、ワイヤレス イヤホンを動作させるような一種のバッテリーに変換されます。

この時点で、 が引き継ぎ、バッテリーによって生成されたエネルギーの一時的な貯蔵を手配します。電子は勾配に沿って移動できるようになり、よりリラックスした状態になっているため、光を吸収して再エネルギー化し、そのエネルギーを、それを使用する特別な酵素、電子自体、および予備の陽子に渡します。 NADPH は、後にグルコースの生成に使用される化学エネルギーを短期間貯蔵するエネルギー伝達分子です。

この時点で、光エネルギーは 2 つの場所に保管されます。光エネルギーは NADPH に保管され、もう 1 つは間質内のチラコイド内部とそのすぐ外側の水素イオン濃度の差の電気化学的勾配として保管されます。

「しかし、チラコイド内部の高い水素イオン勾配は分解を望んでおり、分解する必要があるのです」とジャクソン氏は言う。 「勾配は『組織』を表します。本質的にエントロピーの反対です。そして熱力学によれば、エントロピーは常に増加しようとするので、勾配が崩れなければなりません。したがって、各チラコイド内の水素イオンは、均一にするために実際に逃げようとします。」しかし、荷電粒子はリン脂質二重層をどこでも通過できるわけではありません。電子が電池の片側から通過するのにワイヤーが必要であるのと同じように、通過するには何らかのチャネルが必要です。相手に。」

つまり、電線に電気モーターを取り付けて電子で車を走らせるのと同じように、水素イオンが通過するチャネルはモーターです。これらのプロトンは、水力発電のダムを通って高低差を下って流れる水のように、プロトンに用意されたチャネルを通って流れ、その動きによって十分なエネルギーが生じ、もう一つの短期エネルギー貯蔵形態である ATP を生成する反応が生じます。

現在、元の光エネルギーは NADPH と ATP の両方の形で短期貯蔵化学エネルギーに変換されており、これは後の葉緑体内の暗反応 (または炭素固定サイクルとしても知られる) で役立ちます。この液体には、NADPH、ATP、二酸化炭素を、植物の栄養となる糖、呼吸を助ける糖、またはセルロースの生成に使用される糖に変換できる酵素が含まれているため、間質に下がります。

「グルコースから作られるセルロースのような複雑な有機分子は、作るのに多くのエネルギーを必要とし、それらはすべて太陽から来たものです」とジャクソン氏は言う。 「エネルギーに続いて、それは光波エネルギーとして始まり、次に励起電子エネルギー、次に電気化学的勾配エネルギー、そしてNADPHとATPの形での化学エネルギーです。酸素ガスは吐き出されますが、NADPHとATPは使用されません。細胞内で他のことを行います。代わりに、両方とも炭素固定サイクルに送られ、そこで他の酵素がそれらを分解し、そのエネルギーを抽出し、グルコースや他の有機分子の構築に使用します。」

これらすべては、葉緑体と呼ばれる小さな細胞小器官のおかげです。