C3、C4、CAM経路の違い

• 2020

太陽光からの二酸化炭素の同化は、光合成のプロセスのために、それをグルコース（エネルギー）に変換して異なる製品を 合成するプロセスのために、3つの間の重要な違いです。 そのため、CO2固定中に、光合成植物が最初の生成物として3-ホスホグリセリン酸（PGA）または3-炭素酸を生成するときは、 C3経路と呼ばれます。

しかし、光合成植物がC3経路に進む前に、最初の安定生成物としてオキサロ酢酸（OAA）または4炭素化合物を生成する場合 、 C4またはHatch and Slack経路と呼ばれます。 しかし、植物が日中に日光のエネルギーを吸収し、このエネルギーを同化または夜間の二酸化炭素の固定に使用する場合は、ベンケイソウ酸代謝またはCAMと呼ばれます。

これらの手順の後に、生息地とは無関係に、エネルギー生産のための植物、特定の種の細菌および藻類が続きます。 空気と水から栄養を得るための主要なソースとして二酸化炭素と水を使用するエネルギーの合成は、光合成と呼ばれます。 これは、自分で食物を生産する生物にとっての主要なプロセスです

このコンテンツでは、植物と少数の微生物が続く3種類の経路の本質的な違いと、それらについての簡単な説明を検討します。

比較表

C3経路またはカルビンサイクルの定義。

C3植物は、 寒冷期または温帯植物として知られています。 土壌温度は40〜45°Fに適しており、65〜75°Fの最適温度で最もよく成長します。 これらのタイプの植物は高温で効率が低いことを示します。

C3植物の主な産物は、 3-炭素酸または3-ホスホグリセリン酸（PGA）です。 これは、二酸化炭素固定中の最初の製品と見なされます。 C3経路は、カルボキシル化、還元、再生という3つのステップで完了します。

C3植物は葉緑体で直接CO2に還元されます。 リブロース二リン酸カルボキシラーゼ（RuBPcase）の助けを借りて、 3-炭素酸または3-ホスホグリセリン酸の2つの分子が生成されます。 この3-ホスホグリセリンは、経路の名前をC3として正当化します。

別のステップでは、NADPHとATPがリン酸化して3-PGAとグルコースを生成します。 そして、RuBPを再生成することにより、サイクルが再び開始されます。

C3経路は、葉緑体で行われるシングルステッププロセスです。 このオルガネラは、太陽光エネルギーの貯蔵庫として機能します。 地球上に存在する全植物のうち、 85％がエネルギーの生産にこの経路を使用しています。

C3植物は多年生または一年生です。 それらは、C4植物よりも高タンパク性です。 一年生のC3植物の例は小麦、オート麦、ライ麦であり、 多年生植物にはフェスク、ライグラス、オーチャードグラスが含まれます。 C3植物は、C4植物よりも多量のタンパク質を提供します。

C4経路またはHatch and Slack経路の定義。

特に熱帯地域の植物は、この経路に従います。 CalvinまたはC3サイクルの前に 、一部の植物はC4またはHatch and Slack経路に従います。 4炭素化合物であるオキサロ酢酸（OAA）が生成される2段階のプロセスです。 それは葉緑体に存在する葉肉および束鞘細胞で発生します。

4炭素化合物が生成されると、バンドルシースセルに送られます。ここで、4炭素分子はさらに二酸化炭素と3カボン化合物に分割されます。 最終的に、C3経路はエネルギーを生成し始め、3炭素化合物が前駆体として機能します。

C4植物は、 暖かい季節または熱帯植物としても知られています。 これらは多年生でも一年生でもかまいません。これらの植物の生育に最適な温度は90-95°Fです。 C4プラントは、窒素を利用し、土壌と大気から二酸化炭素を収集するのにはるかに効率的です。 タンパク質含有量は、C3植物と比較して低くなっています。

これらの植物は、4炭素酸であるオキサロ酢酸と呼ばれる製品から名前を得ました。 多年生のC4植物の例は、インディアングラス、バミューダグラス、スイッチグラス、ビッグブルーステムであり、一年生のC4植物の例は、スーダングラス、コーン、トウジンビエです。

CAM植物の定義

このプロセスを上記の2つと区別する注目すべき発言は、このタイプの光合成では、生物は昼間は太陽光からエネルギーを吸収し、 夜間は二酸化炭素の同化のためにこのエネルギーを使用するということです。

定期的な干ばつ時の一種の適応です。 このプロセスは、気温が低い夜間にガスの交換を可能にし、水蒸気の損失があります。

維管束植物の約10％が CAM光合成に適応しましたが、主に乾燥地域で生育した植物で見られます。 サボテンやユーフォルビアなどの植物がその例です。 ランやアナナスでも、不規則な水の供給のためにこの経路に適応しました。

昼間、 リンゴ酸は脱炭酸されて、閉じた気孔のベンソン-カルビンサイクルの固定にCO2を提供します。 CAM植物の主な特徴は、液胞に保存されているリンゴ酸への夜間のCO2の同化です。 PEPカルボキシラーゼは、リンゴ酸塩の生産において主要な役割を果たします。

C3、C4、CAMプラントの主な違い。

上記でこれらの異なるタイプのエネルギーを取得する手順について説明します。以下では、3つの主要な違いについて説明します。

1. C3経路またはC3植物は、太陽光からの炭素同化後の最初の生成物がエネルギー生産用の3炭素分子または3ホスホグリセリン酸である種類の植物として定義できます。 植物で最も一般的に使用されます。 熱帯地域の植物は 、太陽光エネルギーをC4炭素分子またはオキサロ酢酸に変換しますが、このサイクルはC3サイクルの前に行われ、酵素の助けを借りて栄養を得るさらなるプロセスを運び、C4植物と呼ばれ、経路と呼ばれますC4経路として。 この経路は、C3経路よりも効率的です。 一方、昼間は太陽からのエネルギーを蓄え、夜はそれをエネルギーに変換する植物は、 CAMまたはベンケイソウの酸代謝に従います。
2. C3経路に関与する細胞は葉肉細胞であり、C4経路の細胞には葉肉細胞、束鞘細胞がありますが、CAMは同じ葉肉細胞内でC3とC4の両方に従います。
3. C3 の例はひまわり、ほうれん草、豆、米、綿、C4植物の例はサトウキビ、ソルガム、トウモロコシであり、Cacti、蘭はCAM植物の例です。
4. C3はすべての光合成植物で見られますが、C4は熱帯植物、CAMは半乾燥植物です。
5. C3サイクルを使用する植物のタイプは 、中生植物、水生植物、乾生植物ですが、C4は中生植物で続き、乾生植物はCAMに従います。
6. 光呼吸はC4とCAMでは簡単に検出できないが、より高い割合で存在する。
7. C3サイクルで12個のNADPHと18個のATP。 C4には12個のNADPHと30個のATP、 グルコースの生成には12個のNADPHと39個のATPが必要です。
8. 3-ホスホグリセリン酸（3-PGA）は、C3経路の最初の安定生成物です。 C4経路のオキサロ酢酸（OAA）および夜間のオキサロ酢酸（OAA）、CAMの昼間の3 PGA。
9. C3での光合成の最適温度は15〜25°Cです。 C4プラントでは30〜40°C、CAMでは> 40°C
10. カルボキシル化酵素は、C3植物ではRuBPカルボキシラーゼですが、C4植物ではPEPカルボキシラーゼ（葉肉内）およびRuBPカルボキシラーゼ（束鞘）であり、CAMではPEPカルボキシラーゼ（暗所）およびRuBPカルボキシラーゼ（明所）です。
11. CO2：ATP：NADPH2比 C3で1：3：2、C4で1：5：2、CAMで1：6.5：2。
12. 最初のCO2アクセプターは、C3経路ではRibulose-1, 5-biphophate（RuBP）、C4およびCAMではPhosphoenolpyruvate（PEP）です。
13. クランツ解剖学はC4経路にのみ存在し、C3およびCAM植物には存在しません。
14. CO2補正ポイント（ppm）は、C3プラントでは30〜70です。 C4植物では6〜10、CAMでは暗闇で0〜5。

結論

私たちは皆、植物が光合成のプロセスによって食物を準備するという事実を知っています。 それらは、大気中の二酸化炭素を植物性食品またはエネルギー（グルコース）に変換します。 しかし、植物が異なる生息地で成長するにつれて、植物は異なる大気および気候条件を持ちます。 彼らはエネルギーを得るプロセスが異なります。

高温と乾燥地域の植物の生存のために、C4とCAM経路が自然選択によって生じた2つの適応である場合のように。 したがって、これらは植物がエネルギーを得るための3つの異なる生化学的方法であり、C3が最も一般的であると言えます。