光合成の最初のステップは、光依存反応です。このステップでは、クロロフィル分子が光子を吸収し、このエネルギーを使用してエネルギーを与えられた電子を放出します。電子は分子と酵素の鎖に渡され、分子と酵素はこの電子を使用して、エネルギーを運ぶATPとNADPHという２つの分子を作ります。

クロロフィルは失われた電子を置き換えるために水分子を分割し、電子を吸収して酸素ガスと水素イオンを放出します: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e–
その後、ATP と NADPH は、カルビン回路の光に依存しない反応(または「暗反応」）に加わります。

カルビン回路

カルビン回路は、明反応で生成されたエネルギーを運ぶ分子 (ATP および NADPH) を使用して、二酸化炭素を有機分子に「固定」する一連の循環反応です。

カルビン回路では、1つのCO2 分子が5つの炭素原子を持つ分子であるリブロース二リン酸(RuBP) と反応し、1つの炭素原子を追加して、それぞれが3つの炭素原子を持つグリセルアルデヒド三リン酸 (GA3P) の2つの分子を生成します。

カルビン回路で生成されるGA3Pの6つの分子のうち5つが、RuBPの再生産に使用されます。 GA3Pの5つの分子 (それぞれ 3 つの炭素原子を持っている) は、3つの分子のRuBP (それぞれ5 つの炭素原子を持っている) を作ります。 GA3Pの6番目の分子は、グルコースを作るために使用されます。2つのGA3P分子は、6つの炭素原子を持つグルコースの1つの分子を作成します。

エネルギーを運ぶ分子である ATP と NADPH は、一連の反応を促進させます。

カルビン回路: この図は、グルコースの生産における各成分がサイクルのどこで加わるかを示しています。

植物はグルコースをどのように利用していますか？
光合成中に作られたグルコースは、他の細胞プロセスにエネルギーを提供します。植物は、師部と呼ばれる第2の維管束組織を介して、必要な場所にグルコースを運ぶことができます。木部は光合成用に水とミネラルを葉まで運び、師部は植物の他の部分へグルコースを戻します。木部と師部は共に、植物の葉と茎の「静脈」を形成します。


呼吸
グルコースが細胞に到達すると、グルコースはエネルギーを放出するために使用され、呼吸として知られるプロセスで酸素を取り込み、二酸化炭素と水を放出します。
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O ↘ エネルギー (ATP + NADPH)
このプロセスは、ミトコンドリアと呼ばれる細胞小器官で行われます。ミトコンドリアは、植物と動物のほぼすべての細胞に見られます。呼吸は、エネルギーを運ぶ分子であるATPとNADPHをより多く生成し、その後、他の細胞反応を促進するために使用されます。

呼吸は光合成中に生成されたグルコースと酸素を消費し、二酸化炭素と水、エネルギーを放出するので、光合成の「反対」と考えることができます。


炭水化物の合成

植物は、呼吸に使用されるエネルギー源として機能するだけでなく、グルコースを使用して、デンプンやセルロースなどのより複雑な炭水化物や、その他のさまざまな分子を作り出すことができます。デンプンもセルロースも、長鎖のグルコース分子が結合してできています。

The Royal Photographic Societyによるこの画像では、顕微鏡でコーヒー豆の細胞の内部を見ることができます。細胞壁の青灰色の繊維はセルロースでできています。

セルロース: セルロースは、グルコース分子の長い直鎖状でできています。セルロースの鎖は結合して、長くて強い繊維を作ります。これらの繊維は、植物細胞を取り囲む細胞壁を形成し、植物細胞を硬く丈夫にします。動物はセルロースを消化できず、セルロースは食品の食物繊維の大部分を占めています。セルロースは焙煎中に炭化されますが、細胞壁の構造の多くは無傷のまま保たれます。この構造は、コーヒー豆がグラインドによって細かくなるなり方に影響します。コーヒー豆の個々の細胞が小さければ、その結果、豆はより硬く密度が高くなります。焙煎中に一部のセルロースも分解され、クエン酸が生成されます。 (T ナカバヤシ、1978)

デンプン: グルコース分子が異なる方法で結合すると、デンプンが形成されます。デンプンは、グルコース分子の分枝鎖で構成されています。各分岐の最後に、必要に応じてグルコース分子を追加または削除できます。つまり、デンプンはグルコースを貯蔵する分子として機能できるということです。デンプンはすべての植物細胞に蓄えられていますが、特に果実や種子、根茎、塊茎（かいけい）、枝の先端近くに蓄えられ、次の成長期に備えます。コーヒー豆にデンプンはほとんど含まれていません。 (I フラメント、2002)

タンパク質: 植物は、土壌からの硝酸塩と結合したグルコースを使用して、タンパク質の「構成要素」であるアミノ酸を生成します。したがって、土壌中の硝酸塩は植物の成長に不可欠です。硝酸塩は土壌中に自然に存在し、バクテリアや落雷によって作られるものです。有機物（堆肥）または化学肥料として土壌に硝酸塩を追加すると、植物の成長を大幅にスピードアップさせることができます。
タンパク質に含まれる硫黄原子は、コーヒーのアロマの原因となる多くの分子の重要な箇所です。たとえば、メルカプタンには、焙煎したコーヒーの特徴的な匂いがあります。

スクロース: グルコースはフルクトースに変換され、別のグルコース分子と結合してスクロースを生成します。スクロースは果物を甘くする糖であり、その熟した果物に動物を引きつけるようにし、動物はその果物を食べて成熟した種子を拡散させます。コーヒー種子のスクロースは焙煎中に分解され、カラメル化とメイラード反応に関与して、コーヒーの複雑なフレーバーの原因となる多くの分子を生成します。スクロースは、酢酸や乳酸などの有機酸の生成にも関与しています。

脂質: グルコースも脂質（脂肪）に変換されます。脂質は、植物種子内でエネルギーを濃縮して貯蔵する形態であり、苗木の成長をサポートします。コーヒーの脂質にはテルペンが含まれており、これは非常に望ましいフレーバー (リモネンなど) の原因であり、コーヒーの健康上の利点もあると考えられています。

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