光合成と光呼吸の大きな違いは、RuBisCO酵素が二酸化炭素と反応して光合成が行われるのに対し、光呼吸はRuBisCO酵素が酸素と反応して行われる点です。

さらに、光蒸散は光合成の効率を低下させる。

光合成と光蒸散は、植物が太陽光を利用してエネルギーを生産する際に起こる2つのプロセスです。

RuBisCOは、この2つのプロセスを切り替えるためのセンサー的な酵素です。

光合成とは

光合成は、太陽光のエネルギーを利用して、二酸化炭素と水からブドウ糖を生産する過程です。

クロロフィル、カロテノイド、フィコビリンなどの光合成色素は、太陽光のエネルギーを閉じ込めます。

植物や藻類では、これらの色素が葉緑体に濃縮されている。

光合成の副産物として酸素が放出される。

光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換する、地球上で起こる重要なプロセスの一つです。

このプロセスで生成されたグルコースは、細胞呼吸と呼ばれる別のプロセスでATPを生成するために使用することができます。

光合成のプロセスは、明反応と暗反応の2つに分けられる。

光反応

光反応は、葉緑体の間質に埋め込まれたチラコイドの積み重ねであるグラナのチラコイド膜上で起こります。

光合成色素は、チラコイド膜上の光中心で組織化されています。

光化学系IIは、光エネルギーを吸収して光中心へ輸送し、高エネルギー電子を生成することができます。

この高エネルギー電子は、チトクロムb6f複合体を経由して光化学系Iに移動する。

さらに一連のフェレドキシンキャリアーを経由して、NADPHを生成する。

光化学系で生じた電子不足は、光分解と呼ばれるプロセスで水分子を分解することによって補われる。

その結果生じた水素イオンは、ATPの生成に使われる。

ダーク・リアクション

光反応に続いて暗反応が行われる。

ここでは、光反応で生成されたNADPHとATPを用いて、二酸化炭素と水からグルコースを生成する。

C3サイクルで起こる暗反応はカルビンサイクルとも呼ばれ、光を使わず葉緑体のストロマで起こる。

カルビンサイクルでは、RuBisCO（リブロース1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ／オキシゲナーゼ）という酵素を用いて、二酸化炭素からRuBP（リブロース1,5-ビスリン酸）に炭素原子を固定し、3-リン酸グリセリドを生成することにより、炭素固定化が行われる。

3-ホスホグリセリン酸の一部は還元されてグルコースとなり、残りはRuBPの生成に再利用される。

 カルビンサイクルでは、グルコースの他に、18 ATPと12 NADPHが生成される。

C4サイクルで起こる暗反応はハッチ-スラック経路と呼ばれ、二酸化炭素はまずPEPに固定され、次にRuBPに固定される。

光呼吸とは

光呼吸とは、過剰な酸素の存在下でカルビン環が阻害されることである。

そのため、光呼吸は糖の合成を低下させ、細胞のエネルギーを浪費する。

RuBisCOの酸素と結合する能力は、光呼吸の原因です。

したがって、酸素が存在すると、RuBisCOはカルビンサイクルのRuBPに、二酸化炭素の代わりに酸素を加える。

この反応では、2つの分子が生成される。

カルビンサイクルの中間体である3-PGAと、カルビンサイクルに入ることができないホスホグリコール酸です。

そのため、光呼吸はカルビンサイクルから炭素を奪う、あるいは除去している。

さらに、植物はホスホグリコール酸を回収するために一連の反応を行い、細胞のエネルギーも奪っている。

したがって、光呼吸は非効率的なエネルギー生産方法であると考えられている。

：図2 光呼吸とカルビンサイクル

C4サイクルは、この問題を解決するために、二酸化炭素の二重固定を行う。

C4サイクルでは、PEPカルボキシラーゼによって二酸化炭素をPEP（ホスホエノールピルビン酸）に固定し、メソフィル細胞でオキサロ酢酸を生産する。

PEPカルボキシラーゼは、二酸化炭素に対する親和性が高く、酸素に対する親和性は低い。

そして、オキサロ酢酸はリンゴ酸に変換され、束鞘細胞に輸送される。

リンゴ酸は束鞘細胞内で二酸化炭素とピルビン酸に解離し、細胞内の二酸化炭素濃度を上昇させる。

高二酸化炭素濃度下では、RuBisCOは酸素と結合しない。

光合成と光呼吸の類似点

• 光合成と光呼吸は、植物がブドウ糖を生産する際に起こる2つのプロセスです。
• それらは光反応を受ける。
• どちらのプロセスもRuBisCO酵素の利用を得る。

光合成と光呼吸の違い

定義

光合成とは、緑色植物や他の一部の生物が太陽光を利用して、二酸化炭素と水から栄養分を合成する過程を指し、光呼吸とは、光合成の一般的なパターンとは逆に、光中の酸素を取り込み、二酸化炭素の一部を排出する呼吸過程を指します。

二酸化炭素/酸素

光合成は主に二酸化炭素の存在下で行われ、光蒸散は主に酸素の存在下で行われます。

これが光合成と光呼吸の大きな違いのひとつです。

光の影響

光合成の暗反応は光のない夜間に起こり、光呼吸は光のある日中に起こります。

植物の種類

光合成はC4植物で主に行われ、光呼吸はC3植物で主に行われます。

RuBisCO 活動

RuBisCOは光合成でRuBPから3-PGAを生成し、RuBisCOは光呼吸でRuBPから3-PGAとphosphoglycolateを生成する。

炭素固定

植物が炭素を固定する主な過程は光合成であり、固定された炭素の一部は光蒸散によって廃棄される。

エネルギー固定化

植物がエネルギーを固定する主な過程は光合成であり、光呼吸は細胞で生産されたエネルギーの一部を浪費している。

効率性

光合成と光呼吸のもう一つの重要な違いは、グルコースの生産効率です。

光合成はグルコースを効率的に生産するプロセスであり、光蒸散はグルコースを生産する効率が低いプロセスです。

結論

光合成は、太陽光のエネルギーを利用して、二酸化炭素と水からグルコースを生産するプロセスです。

光合成では、RuBisCoという酵素が二酸化炭素と結合し、RuBPに二酸化炭素を付加する。

しかし、光呼吸は、光合成の代替プロセスとして、低濃度の二酸化炭素の中でRuBisCO酵素が酸素と結合するものです。

さらに、光呼吸は、すでに固定化された炭素とエネルギーの両方を浪費するため、効率の悪いプロセスです。

このように、光合成と光呼吸の重要な違いは、グルコースの生産効率にある。