主な違い – 光合成と細胞呼吸の違い
光合成と細胞呼吸は、生態系のエネルギー変換において生じる2つの基本的な代謝プロセスです。
光合成では、二酸化炭素と水が太陽光の助けを借りて有機化合物の合成に使用されます。
この有機化合物は、細胞が食物として利用することができます。
細胞呼吸では、食物を分解してATPというエネルギーが作られる。
光合成と細胞呼吸の大きな違いは、光合成が同化プロセスで、有機化合物の合成が行われ、エネルギーを蓄えるのに対し、細胞呼吸は異化プロセスで、蓄えられた有機化合物が利用され、エネルギーを産生することである。
今回は、この点について探ってみた。
- 光合成とは
– 定義、特徴、種類、プロセス - 細胞呼吸とは
– 定義、特徴、種類、プロセス - 光合成と細胞呼吸の違いとは？
光合成とは
光合成とは、太陽光からエネルギーを得て、二酸化炭素と水からブドウ糖を生産することです。
光合成の副産物として酸素ガスが発生します。
クロロフィル、カロテノイド、フィコビリンなどの色素は、光エネルギーを閉じ込めるために使用されます。
したがって、光合成の際に、光エネルギーは潜在的な化学エネルギーに変換される。
その後、グルコースは、細胞内のすべての細胞プロセスに代謝エネルギーを供給する。
光合成の種類
Oxygenic photosynthesis and anoxygenic photosynthesis are the two types of photosynthesis found on earth. Plants, algae, and cyanobacteria carry out oxygenic photosynthesis while purple sulfur bacteria and green sulfur bacteria carry out anoxygenic photosynthesis. The electron donor in oxygenic photosynthesis is water whereas the electron donor in anoxygenic photosynthesis is a variant like hydrogen sulfide rather than water. Thereby, in anoxygenic photosynthesis, oxygen gas is not liberated as a by-product. The chemical reactions of both oxygenic and anoxygenic photosynthesis are shown below.
図1: 植物の光合成の様子
植物の光合成は、光合成細胞の細胞質内にある葉緑体という特殊なプラスチックスで行われます。
光合成は、葉緑体のチラコイド膜とストロマ領域で行われます。
光合成の最初の段階は、光反応です。
グラナのチラコイド膜には光中心があり、その中に光合成色素が組織化されています。
光は、チラコイド膜に存在する2つのタンパク質複合体である光化学系IとIIによって吸収され、吸収された光は光中心に伝達されます。
発生した高エネルギー電子は、3番目のタンパク質複合体であるシトクロムbf複合体に移動する。
PSIの高エネルギー電子は、一連のフェロドキシン担体に移動し、最終的にこれらの電子はNADPH還元酵素によってNADP+に移動し、NADPが形成されます。
光反応では、NADPとATPを生成しながら、水を分解して酸素ガスを発生させる。
光合成の第二段階は暗反応であり、明反応で生成されたNADPHとATPをエネルギー源として、グルコースが合成される。
暗反応はストロマで起こる。
暗反応はカルビンサイクルとも呼ばれる。
カルビンサイクルでは、グルコースの他に、18種類のATPと12種類のNADPHが生成される。
18個のATPはカルビンサイクル自体で使用される。
12個のNADPHは24個の電子を含み、光合成の第3段階である電子輸送系に輸送される。
チラコイド膜にあるATP合成酵素は、24個の電子を12個の水分子に移し、6個の酸素分子を生成する。
この電子輸送の過程を光リン酸化といいます。
光合成のプロセスを図2に示す。
図2: 光合成のしくみ
細胞呼吸とは
細胞呼吸とは、生化学的エネルギーをATPというエネルギーに変換し、二酸化炭素と水を老廃物として排出する過程です。
地球上に生息するすべての生物で行われている。
生体内に蓄積された炭水化物、脂質、タンパク質などの食物は、細胞呼吸によってブドウ糖の形で利用される。
細胞呼吸の種類
Aerobic respiration and anaerobic respiration are the two types of respiration found on earth. In aerobic respiration, the oxidizing agent or the final electron acceptor is molecular oxygen. One glucose molecule contains energy sufficient to produce 30 ATPs by oxidative phosphorylation. During anaerobic respiration, the final electron acceptor is either inorganic sulfates or nitrates. Anaerobic respiration occurs in hydrothermal vents in the deep sea. Fermentation is also a kind of anaerobic respiration, which occurs when pyruvate is metabolized in the cytoplasm without oxygen. Lactic acid fermentation in muscle cells and ethanol fermentation in yeast are the two types of fermentation found among organisms. Only two ATPs are produced per glucose molecule in fermentation. The chemical reaction of cellular respiration is shown below.
真核生物では、細胞呼吸はミトコンドリアと呼ばれる特殊な小器官の中で行われる。
原核生物では、細胞質自体で行われる。
細胞呼吸は、ミトコンドリアのマトリックス、内膜、細胞質でも行われる。
細胞呼吸の第一段階は解糖です。
解糖では、細胞質内でグルコース（C6）が2つのピルビン酸（C3）分子に分解される。
その後、2つのピルビン酸分子がミトコンドリアに取り込まれる。
酸素の存在下でピルビン酸はオキサロ酢酸（C4）と結合してクエン酸（C6）を生成し、クエン酸サイクルでアセチルCoAが除去される。
クエン酸サイクルは、細胞呼吸の第2段階であり、クレブスサイクルとも呼ばれる。
クレブスサイクルでは、NADをNADHに還元しながら、二酸化炭素を老廃物として排出する。
グルコース1分子あたり6NADH、2FADH2、2ATPがクレブスサイクルにより生成される。
細胞呼吸の第3段階である酸化的リン酸化は、ミトコンドリアのクリスターでATP合成酵素という酵素によって起こり、30ATPが生成される。
細胞呼吸の過程を図4に示す。
図4：細胞呼吸のしくみ
光合成と細胞呼吸の違い
プレゼンス
光合成を行う。
光合成は葉緑素を持つ細胞でのみ見られる。
細胞呼吸。
細胞呼吸は地球上のすべての細胞で見られる。
定義
光合成のこと。
光合成は、太陽光からエネルギーを得て、二酸化炭素と水からブドウ糖を生産することである。
細胞呼吸。
細胞呼吸は、生化学的エネルギーをATPのエネルギーに変換し、二酸化炭素と水を老廃物として排出するプロセスです。
小器官
光合成を行う。
光合成は、植物の葉緑体のチラコイド膜と間質で行われる。
細胞呼吸。
細胞呼吸：真核生物のミトコンドリアと細胞質のマトリックスと内膜で行われる。
暗黒/光
光合成。
光合成は明るいところでのみ行われる。
細胞呼吸。
細胞呼吸は、明暗両方で行われる。
ステップ数
光合成 光合成は、光反応、暗反応、光分解という3つのステップで行われます。
細胞呼吸。
解糖、クエン酸サイクル、電子輸送連鎖の3つのステップからなる。
酸素/二酸化炭素/水
光合成のこと。
光合成により、二酸化炭素と水が利用され、酸素が放出される。
細胞呼吸。
細胞呼吸により、酸素が利用され、二酸化炭素と水が放出される。
メタボリズム
光合成 光合成は同化プロセスであり、複雑な有機化合物を合成する。
細胞呼吸。
細胞呼吸は異化プロセスであり、有機化合物を分解する。
炭水化物
光合成を行う。
光合成により炭水化物が合成される。
細胞呼吸。
細胞呼吸で糖質が使われる。
エネルギー
光合成を行う。
光合成の際にエネルギーが蓄えられる。
従って、光合成は吸熱過程です。
細胞呼吸。
エネルギーは、細胞呼吸の際に放出される。
したがって、細胞呼吸は発熱プロセスです。
エネルギーの形態
光合成。
化学エネルギーは、有機化合物を形成する結合に蓄えられる。
細胞呼吸。
エネルギーはATPの形で放出され、他の細胞プロセスで利用されることができます。
乾燥重量
光合成を行う。
光合成を行うことで、植物の乾燥重量は増加する。
細胞呼吸。
細胞呼吸の際に、生物の乾燥重量が減少する。
リン酸化の種類
光合成を行う。
光合成の際に光リン酸化が起こる。
細胞呼吸。
細胞呼吸で酸化的なリン酸化が起こる。
エネルギー変換
光合成 光合成では、光エネルギーが位置エネルギーに変換される。
細胞呼吸 細胞呼吸では、位置エネルギーが運動エネルギーに変換されます。
ファイナルエレクトロンアクセプター
光合成の様子。
細胞呼吸。
顔料
光合成を行う。
光合成に関与する主な色素はクロロフィル。
細胞呼吸。
色素は細胞呼吸に関与しない。
コエンザイム
光合成を行う。
光合成に使われる補酵素はNADPです。
細胞呼吸。
細胞呼吸で使われる補酵素はNADとFADです。
結論
光合成と細胞呼吸は、生物で起こる主要な2つの代謝プロセスであり、体内のすべての細胞プロセスを駆動しています。
光合成は、葉緑素を持つ生物にのみ起こる。
地球上の全生物の食料生産に最も貢献している。
したがって、光合成を行う生物は食物連鎖の一次生産者として存在する。
光合成では、太陽光のエネルギーを使って、二酸化炭素と水からグルコースが作られます。
光合成生物は、光を取り込むためにクロロフィルやカロテノイドなどの特殊な色素を持っています。
一方、細胞呼吸は、地球上のすべての生物で行われています。
呼吸では、食物が酸化され、ATPという形で蓄積された位置エネルギーが得られます。
ATPは、細胞内のほぼすべての細胞プロセスに電力を供給します。
細胞呼吸の過程で、二酸化炭素と水が廃棄物として発生します。
光合成では酸素ガスが放出され、細胞呼吸に利用される。
したがって、光合成と細胞呼吸の主な違いは、細胞の代謝における貢献度です。
第2版。
U.S. National Library of Medicine, 01 Jan. Web. 03 Apr. 2017.
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