プリンキピア

第8章光合成

Generating an Energy Carrier: ATPエネルギー運搬体ATPをつくる

As in the intermembrane space of the mitochondria during cellular respiration, the buildup of hydrogen ions inside the thylakoid lumen creates a concentration gradient. The passive diffusion of hydrogen ions from high concentration (in the thylakoid lumen) to low concentration (in the stroma) is harnessed to create ATP, just as in the electron transport chain of cellular respiration. The ions build up energy because of diffusion and because they all have the same electrical charge, repelling each other.
英語のヒント
細胞呼吸中のミトコンドリア膜間腔と同じように、チラコイド内腔に水素イオンが蓄積すると、濃度勾配ができる。細胞呼吸の電子伝達系の場合と同じく、水素イオンが高濃度の内腔から低濃度のストロマへ受動的に拡散することを利用して、ATPをつくる。イオンは、拡散しようとすること、また同じ電荷をもつため互いに反発することによって、エネルギーを蓄える。
To release this energy, hydrogen ions will rush through any opening, similar to water jetting through a hole in a dam. In the thylakoid, that opening is a passage through a specialized protein channel called the ATP synthase. The energy released by the hydrogen ion stream allows ATP synthase to attach a third phosphate group to ADP, which forms a molecule of ATP (Figure 8.17). The flow of hydrogen ions through ATP synthase is called chemiosmosis because the ions move from an area of high to an area of low concentration through a semi-permeable structure of the thylakoid.
英語のヒント
このエネルギーを放出するため、水素イオンは開口があればそこを勢いよく通る。ダムの穴から水が噴き出すようなものである。チラコイドでは、その開口はATP合成酵素という特殊なタンパク質チャネル内の通路である。水素イオンの流れが放出するエネルギーによって、ATP合成酵素はADPへ3個目のリン酸基を付け、ATP1分子を形成する（図8.17）。水素イオンがATP合成酵素を通る流れを化学浸透と呼ぶのは、イオンがチラコイドの半透性構造を通り、高濃度領域から低濃度領域へ移動するからである。

Section Summary節のまとめ

The pigments of the first part of photosynthesis, the light-dependent reactions, absorb energy from sunlight. A photon strikes the antenna pigments of photosystem II to initiate photosynthesis. The energy travels to the reaction center that contains chlorophyll a and then to the electron transport chain, which pumps hydrogen ions into the thylakoid interior. This action builds up a high concentration of hydrogen ions. The hydrogen ions flow through ATP synthase during chemiosmosis to form molecules of ATP, which are used for the formation of sugar molecules in the second stage of photosynthesis. Photosystem I absorbs a second photon, which results in the formation of an NADPH molecule, another energy and reducing carrier for the light-independent reactions.
光合成の前半にあたる光依存反応では、色素が太陽光のエネルギーを吸収する。光子が光化学系IIのアンテナ色素に当たり、光合成を開始させる。エネルギーはクロロフィルaを含む反応中心へ、さらに電子伝達系へ伝わり、水素イオンをチラコイド内部へ汲み込む。これによって、水素イオンが高濃度に蓄積する。化学浸透では、水素イオンがATP合成酵素を通って流れ、ATP分子をつくる。ATPは、光合成後半の糖分子の形成に使われる。光化学系Iは2個目の光子を吸収し、光非依存反応にエネルギーと還元力を運ぶ、もう一つの分子NADPHをつくる。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 13練習問題 13
Exercise 13問題 13
Figure 8.17 What is the initial source of electrons for the chloroplast electron transport chain?
図8.17 葉緑体の電子伝達系に電子を最初に供給するものは何か。
  1. Water
    水
  2. Oxygen
    酸素
  3. Carbon dioxide
    二酸化炭素
  4. NADPH
    NADPH
Solution解き方

Review Questions確認問題

Exercises 14–19練習問題 14–19
Exercise 14問題 14
Which of the following structures is not a component of a photosystem?
次のうち、光化学系の構成要素ではないものはどれか。
  1. ATP synthase
    ATP合成酵素
  2. antenna molecule
    アンテナ分子
  3. reaction center
    反応中心
  4. primary electron acceptor
    一次電子受容体
Solution解き方
A
A
Exercise 15問題 15
How many photons does it take to fully reduce one molecule of NADP+ to NADPH?
NADP+1分子をNADPHへ完全に還元するには、光子が何個必要か。
  1. 1
    1
  2. 2
    2
  3. 4
    4
  4. 8
    8
Solution解き方
B
B
Exercise 16問題 16
Which complex is not involved in the establishment of conditions for ATP synthesis?
ATP合成のための条件を整えることに関わらない複合体は、どれか。
  1. photosystem I
    光化学系I
  2. ATP synthase
    ATP合成酵素
  3. photosystem II
    光化学系II
  4. cytochrome complex
    シトクロム複合体
Solution解き方
C
C
Exercise 17問題 17
From which component of the light-dependent reactions does NADPH form most directly?
NADPHは、光依存反応のどの構成要素から最も直接的につくられるか。
  1. photosystem II
    光化学系II
  2. photosystem I
    光化学系I
  3. cytochrome complex
    シトクロム複合体
  4. ATP synthase
    ATP合成酵素
Solution解き方
B
B
Exercise 18問題 18
Three of the same species of plant are each grown under a different colored light for the same amount of time. Plant A is grown under blue light, Plant B is grown under green light, and Plant C is grown under orange light. Assuming the plants use only chlorophyll a and chlorophyll b for photosynthesis, what would be the predicted order of the plants from most growth to least growth?
同じ種の植物を3個体用意し、異なる色の光のもとで同じ時間育てる。Aは青色、Bは緑色、Cは橙色の光である。光合成にクロロフィルaとbだけを使うと仮定すると、生長量が多い順にどう並ぶと予想されるか。
  1. A, C, B
    A、C、B
  2. A, B, C
    A、B、C
  3. C, A, B
    C、A、B
  4. B, A, C
    B、A、C
Solution解き方
A
A
Exercise 19問題 19
Plants containing only chlorophyll b are exposed to radiation with the following wavelengths: 10nm (x-rays), 450nm (blue light), 670nm (red light), and 800nm (infrared light). Which plants harness the most energy for photosynthesis?
クロロフィルbだけを含む植物に、10 nm（X線）、450 nm（青色光）、670 nm（赤色光）、800 nm（赤外光）の放射をそれぞれ当てる。光合成に最も多くのエネルギーを利用するのは、どの植物か。
  1. X-ray irradiated plants
    X線を照射した植物
  2. Blue light irradiated plants
    青色光を照射した植物
  3. Red light irradiated plants
    赤色光を照射した植物
  4. Infrared irradiated plants
    赤外光を照射した植物
Solution解き方
B
B

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 20–22練習問題 20–22
Exercise 20問題 20
Describe the pathway of electron transfer from photosystem II to photosystem I in light-dependent reactions.
光依存反応で、光化学系IIから光化学系Iへ電子が渡る経路を説明せよ。
Solution解き方
A photon of light hits an antenna molecule in photosystem II, and the energy released by it travels through other antenna molecules to the reaction center. The energy causes an electron to leave a molecule of chlorophyll a to a primary electron acceptor protein. The electron travels through the electron transport chain and is accepted by a pigment molecule in photosystem I.
光子が光化学系IIのアンテナ分子に当たると、そのエネルギーは他のアンテナ分子を通って反応中心へ伝わる。このエネルギーによって、クロロフィルa分子の電子が一次電子受容体タンパク質へ移る。電子は電子伝達系を通り、光化学系Iの色素分子に受け取られる。
Exercise 21問題 21
What are the roles of ATP and NADPH in photosynthesis?
光合成におけるATPとNADPHの役割は何か。
Solution解き方
Both of these molecules carry energy; in the case of NADPH, it has reducing power that is used to fuel the process of making carbohydrate molecules in light-independent reactions.
両方ともエネルギーを運ぶ。NADPHには、光非依存反応で炭水化物分子をつくる過程を進めるための還元力もある。
Exercise 22問題 22
How and why would the end products of photosynthesis be changed if a plant had a mutation that eliminated its photosystem II complex?
変異によって光化学系II複合体を失った植物では、光合成の最終生成物はどう変わるか。また、それはなぜか。
Solution解き方
Knocking out photosystem II would eliminate the production of oxygen and ATP during photosynthesis. Photosystem II splits water into oxygen atoms, hydrogen protons that remain in the thylakoid lumen, and hydrogen-derived electrons that move from the reaction center into the electron transport chain. The transfer of an electron through the electron transport chain provides the energy to pump more protons into the thylakoid lumen to maintain a higher concentration of protons there. Moving protons across the thylakoid membrane back to the stroma provides the energy for ATP synthase to produce ATP. Without this proton gradient, ATP will not be synthesized.
光化学系IIを失うと、光合成中の酸素とATPの生産がなくなる。光化学系IIは水を分解し、酸素原子、チラコイド内腔に残る水素の陽子、反応中心から電子伝達系へ移る水素由来の電子を生じさせる。電子伝達系を電子が移動することで、さらに多くの陽子を内腔へ汲み出すエネルギーが得られ、内腔の高い陽子濃度が維持される。陽子がチラコイド膜を横切ってストロマへ戻ることが、ATP合成酵素のATP生産を駆動する。この陽子勾配がなければ、ATPは合成されない。
absorption spectrum
吸収スペクトル
range of wavelengths of electromagnetic radiation absorbed by a given substance
ある物質が吸収する電磁放射の波長範囲。
antenna pigment
アンテナ色素
pigment molecule that directly absorbs light and transfers the energy absorbed to other pigment molecules
光を直接吸収し、そのエネルギーを別の色素分子へ渡す色素分子。
carotenoid
カロテノイド
photosynthetic pigment (yellow-orange-red) that functions to dispose of excess energy
過剰なエネルギーを処理する光合成色素。黄色、橙色、赤色を示す。
chlorophyll a
クロロフィルa
form of chlorophyll that absorbs violet-blue and red light and consequently has a bluish-green color; the only pigment molecule that performs the photochemistry by getting excited and losing an electron to the electron transport chain
紫から青、および赤の光を吸収し、青緑色に見えるクロロフィルの一種。励起されて電子を電子伝達系へ渡す光化学反応を行う、唯一の色素分子。
chlorophyll b
クロロフィルb
accessory pigment that absorbs blue and red-orange light and consequently has a yellowish-green tint
青色と赤橙色の光を吸収するため黄緑色を示す、補助色素。
cytochrome complex
シトクロム複合体
group of reversibly oxidizable and reducible proteins that forms part of the electron transport chain between photosystem II and photosystem I
可逆的に酸化・還元されるタンパク質群。光化学系IIとIの間の電子伝達系の一部をなす。
electromagnetic spectrum
電磁スペクトル
range of all possible frequencies of radiation
放射が取りうる、すべての周波数の範囲。
electron transport chain
電子伝達系
group of proteins between PSII and PSI that pass energized electrons and use the energy released by the electrons to move hydrogen ions against their concentration gradient into the thylakoid lumen
PSIIとPSIの間にあるタンパク質群。高エネルギー電子を受け渡し、電子が放出するエネルギーを使って、水素イオンを濃度勾配に逆らいチラコイド内腔へ移す。
light harvesting complex
集光複合体
complex that passes energy from sunlight to the reaction center in each photosystem; it consists of multiple antenna pigments that contain a mixture of 300 to 400 chlorophyll a and b molecules as well as other pigments like carotenoids
各光化学系で太陽光のエネルギーを反応中心へ渡す複合体。300〜400個のクロロフィルa・bと、カロテノイドなどの色素を含む、複数のアンテナ色素からなる。
P680
P680
reaction center of photosystem II
光化学系IIの反応中心。
P700
P700
reaction center of photosystem I
光化学系Iの反応中心。
photoact
光化学作用
ejection of an electron from a reaction center using the energy of an absorbed photon
吸収した光子のエネルギーを使い、反応中心から電子を放出すること。
photon
光子
distinct quantity or “packet” of light energy
一定量の光エネルギー、すなわち光の「包み」。
photosystem
光化学系
group of proteins, chlorophyll, and other pigments that are used in the light-dependent reactions of photosynthesis to absorb light energy and convert it into chemical energy
光合成の光依存反応で、光エネルギーを吸収して化学エネルギーへ変える、タンパク質、クロロフィル、ほかの色素の集合。
photosystem I
光化学系I
integral pigment and protein complex in thylakoid membranes that uses light energy to transport electrons from plastocyanin to NADP+ (which becomes reduced to NADPH in the process)
チラコイド膜に埋め込まれた色素とタンパク質の複合体。光エネルギーを使い、プラストシアニンからNADP+へ電子を運ぶ。この過程でNADPはNADPHへ還元される。
photosystem II
光化学系II
integral protein and pigment complex in thylakoid membranes that transports electrons from water to the electron transport chain; oxygen is a product of PSII
チラコイド膜に埋め込まれたタンパク質と色素の複合体。水から電子伝達系へ電子を運ぶ。PSIIの生成物には酸素がある。
primary electron acceptor
一次電子受容体
pigment or other organic molecule in the reaction center that accepts an energized electron from the reaction center
反応中心にある色素または他の有機分子で、反応中心から高エネルギー電子を受け取る。
reaction center
反応中心
complex of chlorophyll molecules and other organic molecules that is assembled around a special pair of chlorophyll molecules and a primary electron acceptor; capable of undergoing oxidation and reduction
特別なクロロフィル分子の対と一次電子受容体の周囲に組み立てられた、クロロフィルと他の有機分子の複合体。酸化・還元を受けることができる。
spectrophotometer
分光光度計
instrument that can measure transmitted light and compute the absorption
透過光を測定し、吸収量を計算できる装置。
wavelength
波長
distance between consecutive points of equal position (two crests or two troughs) of a wave in a graphic representation; inversely proportional to the energy of the radiation
波の図で、連続する同じ位置の二点、すなわち山と山、または谷と谷の間の距離。放射のエネルギーに反比例する。