葉緑体とは？光合成の仕組み・構造・役割をわかりやすく解説
葉緑体の構造と光合成の仕組みを図解でわかりやすく解説。クロロフィル・CO2・水の役割や酸素生成まで初心者にも理解できる記事。
葉緑体は、植物や藻類の細胞内にある小さな小器官です。光を吸収し、光合成というプロセスで糖を作る。その糖はデンプンという形で蓄えることができます。葉緑体にはクロロフィルという分子があり、これが太陽光を吸収して光合成を行います。クロロフィルの他に、葉緑体は二酸化炭素 (CO2 ) と水 (H2 O) を使って糖を作り、酸素 (O2 ) を放出します。緑色植物に緑色を与えているのは、クロロフィルです。また、葉緑体は、光合成のための光子の捕獲を助けるために、様々な黄色やオレンジ色の色素を含んでいます。
葉緑体の構造（かんたんに）
- 二重膜：葉緑体は外膜と内膜の二重膜で包まれています。これが細胞質との境界を作ります。
- ストロマ（基質）：内膜の内側にある液状部分。ここでカルビン回路（炭素固定）が進行します。葉緑体は独自のDNAやリボソームを持ち、タンパク質を合成できます。
- チラコイド膜：ストロマの中にフラットな袋状の構造（チラコイド）があり、これが積み重なってグラナ（顆粒）を形成します。チラコイド膜に光反応を行う色素と電子伝達系、ATP合成酵素があります。
- デンプン顆粒：合成された糖は一時的にでんぷんとしてストロマに蓄えられます。
光合成のしくみ（2つの段階）
- 光反応（チラコイド膜で起きる）
- クロロフィルなどの色素が光子を吸収して励起電子を生じます。
- 水（H2O）が分解され、電子とプロトンが供給されると同時に酸素（O2）が放出されます（酸素発生）。
- 電子は電子伝達系を通って移動し、その過程でプロトン勾配が作られ、ATPが合成されます。またNADP+が還元されてNADPHが生成されます。
- 暗反応（カルビン回路、ストロマで起きる）
- 光反応で作られたATPとNADPHを使ってCO2を有機物（糖）に固定します。
- 主要な酵素はルビスコ（Rubisco）で、これがCO2を取り込む最初の段階を担います。
- 生成された三炭糖はグルコースやショ糖、デンプンなどに変換・輸送されます。
色素と光の利用
葉緑体にある主要な色素はクロロフィルaとクロロフィルbで、青紫〜赤橙色の光を効率よく吸収します。緑の光は反射されるため葉は緑色に見えます。カロテノイド（黄色〜オレンジ色の色素）は余剰の光エネルギーを散逸させることで光障害から保護したり、吸収スペクトルを広げてより多くの波長を利用可能にします。
葉緑体の役割と生態学的意義
- 地球上の酸素供給源の多くは光合成（主に植物と藻類）に由来します。
- 太陽エネルギーを化学エネルギー（糖）に変換することで、陸上・水中の食物網の基盤を作ります。
- 植物は光合成生成物を使い成長・繁殖し、これが農業や生態系サービス（炭素固定、土壌保全など）に直結します。
特別な適応：C3、C4、CAM
植物は環境に応じてCO2固定の仕方を変えます。普通のC3植物はカルビン回路で直接CO2を固定しますが、高温や乾燥条件では光呼吸で効率が落ちます。C4植物やCAM植物はCO2の取り込みと固定を分割して光呼吸を抑え、水やCO2利用効率を高める工夫をしています。
起源と進化
葉緑体は古代のシアノバクテリアが真核細胞に共生してできたと考えられており、これは「一次共生」によるものです。葉緑体には独自の環状DNAがあり、細菌に由来するタンパク質合成の痕跡が残っています。
まとめ（ポイント）
- 葉緑体は光を吸収して化学エネルギー（糖）を作る小器官で、酸素を放出します。
- チラコイドで光反応、ストロマでカルビン回路が進行します。
- クロロフィルと補助色素が光を吸収し、葉の色や光合成効率に影響します。
- 地球の生態系と人間社会にとって不可欠な役割を担っています。
葉緑体の模式図
1.外膜2 .膜間空間3 .内膜（1+2+3：エンベロープ） 4.ストロマ（液体） 5.チラコイドルーメン（チラコイド内部） 6.チラコイド膜7 .グラナ（チラコの積み重なり） 8.チラコイド（ラメラ） 9. でんぷん10 .リボゾーム11 .プラスティディアDNA12 .プラストロ球（脂質のドロップ）。
Plagiomnium affineの 細胞内に見える葉緑体
構造体
各葉緑体は、二重壁の半透膜で囲まれ、これを総称して「ペリストロミウム」と呼ぶ。その中に、平らな円盤状のチラコイドが層状に積み重なっています。この中には、クロロフィルやカロテノイドなどの光吸収色素と、色素を結合させるタンパク質が含まれています。ミトコンドリアと同様に、葉緑体独自のDNAやリボソームも持っている。
進化
葉緑体は、細胞内に存在するさまざまな種類の小器官の一つである。その起源は、シアノバクテリアの細胞内共生と考えられている。これは、1883年にSchimperが葉緑体がシアノバクテリアに酷似していることを観察した後、1905年にMereschkowskyによって初めて示唆されたものである。ほとんどの葉緑体は、直接または間接的に一度の共生に由来すると考えられている。
ミトコンドリアも同じような起源を持つが、葉緑体は植物と原生生物にしか存在しない。緑色植物では、葉緑体は2枚の脂質二重膜に囲まれている。これは、祖先であるシアノバクテリアの外膜と内膜に相当すると考えられている。葉緑体は独自のゲノムをもっているが、その大きさは自由生活するシアノバクテリアのゲノムよりはるかに小さい。しかし、残されたDNAはシアノバクテリアのゲノムと明らかな類似性を示している。シアノバクテリアは1500以上の遺伝子を持つことが多いが、プラスティドは60-100の遺伝子を持つことがある。失われた遺伝子の多くは、宿主の核ゲノムにコードされている。
一部の藻類（ヘテロコントなど）では、真核細胞が葉緑体を含む第二の真核細胞を飲み込み、3層または4層の膜を持つ葉緑体を形成するという二次的な共生現象によって、葉緑体が進化したようである。また、二次共生体が他の真核生物に飲み込まれ、三次共生体を形成することもある。藻類のクロレラでは、葉緑体は1つだけで、鐘の形をしている。
渦鞭毛藻類のような混合栄養原生生物では、捕獲した藻類や珪藻類から葉緑体を分離し、一時的に利用するグループがある。このクレプト（盗用）葉緑体の寿命は数日程度で、その後は交換される。
質問と回答
Q:葉緑体とは何ですか?
A:葉緑体とは、植物や藻類の細胞内にある小さな小器官です。
Q: 葉緑体が光を吸収して糖を作る過程は何と呼ばれていますか?
A: 光合成と呼ばれるプロセスです。
Q: 葉緑体の中のクロロフィルは何のためにあるのですか?
A: 葉緑素は光合成のために太陽光を吸収する。
Q: 葉緑体は何を使って糖を作り、酸素を出すのですか?
A: 葉緑体は二酸化炭素（CO2）と水（H2O）を使って糖を作り、酸素（O2）を出します。
Q: 緑色の植物は何で緑色をしているのですか?
A: 葉緑素が緑色を作り出しています。
Q: 葉緑体にはクロロフィル以外にどんな色素が含まれていますか?
A: 葉緑体は、光合成のための光子の捕獲を助けるために、様々な黄色やオレンジ色の色素も含んでいます。
Q:葉緑体で作られた後、でんぷんの形で保存できるものは何ですか?
A: 葉緑体で作られた糖は、でんぷんの形で保存することができます。
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