カルビン回路の図ジェネレーター
ルビスコによる炭素固定、G3Pへの還元、3回転でのRuBP再生という光非依存反応に、光呼吸とC4・CAMも加えたラベル付きのカルビン回路の図を描きます。植物生物学で使われています。
カルビン回路の図の例
3回転分を全ラベルで描いたカルビン回路、ラベル5つの簡単な図、チラコイドの反応との対比、空欄版。いずれも表示のプロンプトの実際の生成結果で、クリックで読み込み編集できます。
ラベル付きのカルビン回路の図：3回転分で数える
CO₂が入る上端から始め、時計回りに進みます。数字は3回転分です。GAPがまるごと1分子回路から出ていく、最小の回転数です。
- 1
CO₂の固定
ルビスコが3分子のCO₂を3分子のRuBP（それぞれ炭素5個）に結合させ、6分子のPGAができます。
- 2
還元
6分子のATPと6分子のNADPHが、6分子のPGAを6分子のGAPに変えます。
- 3
GAPが1分子出ていく
グルコースなどの物質をつくるのに使われ、残りの5分子のGAPは回路にとどまります。
- 4
再生
さらに3分子のATPを使って5分子のGAP（炭素15個）を3分子のRuBP（炭素15個）につくり直し、次のCO₂に備えます。
かんたんな回路からC4・CAMまで：カルビン回路のいろいろな図
光合成の最初の授業にはラベルを減らした図、生化学には炭素の収支を細かく追う図、あるいは葉の中に置いた回路。指定する価値のある版は次のとおりです。
かんたんなカルビン回路の図
3つの段階を輪にし、ラベルは5つです。CO₂が入り、ATPとNADPHが回路を動かし、糖（GAP）が出て、RuBPがつくり直されます。数も酵素名も入れません。この形の線画なら手で写すのもかんたんです。「かんたんに、分子の数なし」と指定してください。
炭素の数で追うカルビン回路
すべての分子を炭素原子の鎖で描くので、合計を目で確かめられます。3 RuBP（15 C）+ 3 CO₂（3 C）= 6 PGA（18 C）= 6 GAP（18 C）で、そのうち1 GAP（3 C）が出ていき、5分子（15 C）が3 RuBPになります。グルコース1分子分のGAP 2分子にあたる6回転の図を2枚目に加えると、ATP 18分子とNADPH 12分子になります。
CO₂固定の図
最初の段階だけを描きます。ルビスコがCO₂をRuBPに結合させ、できた炭素6個の化合物は不安定で、すぐに2分子のPGAに分かれます。ルビスコの反応は遅く、1秒間に数分子のCO₂しか固定できないため、葉には大量のルビスコが含まれています。地球上で最も多いタンパク質と考えられています。
光合成のしくみの図：チラコイドの反応とカルビン回路
1つの葉緑体に両方の反応を描きます。チラコイド膜の光化学系IIと光化学系Iが水を分解してO₂を放出し、ATPとNADPHがストロマに渡って回路を動かし、ADPとNADP⁺が戻ります。多くの授業が求める「光を直接使わない反応」の図はこれで、「暗反応」も光に頼っていることがわかります。
光呼吸の図
ルビスコがCO₂の代わりにO₂を取り込む反応です。RuBPからPGA 1分子と炭素2個の2-ホスホグリコール酸1分子ができ、2-ホスホグリコール酸は葉緑体、ペルオキシソーム、ミトコンドリアを経て回収されます。その間にCO₂が放出され、ATPが使われ、糖は得られません。気孔が閉じて葉の中に酸素がたまる、暑く乾いた日に最も多くなります。
C3植物・C4植物・CAM植物の図
カルビン回路にCO₂を送る3つのやり方です。C3植物（コムギ、イネ）はルビスコで直接固定します。C4植物（トウモロコシ、サトウキビ）は、まず葉肉細胞でPEPカルボキシラーゼにより炭素4個の酸として固定し、それを維管束鞘細胞のルビスコのもとへ運びます。空間での分離です。CAM植物（サボテン、パイナップル）は夜に気孔を開いてCO₂をリンゴ酸としてため、昼にそれを回路へ渡します。時間での分離です。
カルビン回路の分子とそれぞれの役割
ラベル付きのカルビン回路の図に通常描かれる分子と酵素、それぞれが何で、回路でどんな役割をもつかをまとめました。短いセットを指定しない限り、これがデフォルトのラベルです。
| 分子 | 何か | 回路での役割 |
|---|---|---|
| 二酸化炭素（CO₂） | 炭素の供給源。気孔から空気中を取り込む | 第1段階でRuBPに固定される。1回転に1分子 |
| ルビスコ（RuBisCO） | 酵素リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ | CO₂をRuBPに結合させる固定反応を触媒する |
| RuBP（リブロース-1,5-ビスリン酸） | リン酸基を2つもつ炭素5個の糖 | CO₂を受け取る。第3段階で再生され、回路が続く |
| PGA（3-ホスホグリセリン酸） | リン酸基を1つもつ炭素3個の酸 | 最初の生成物。CO₂ 1分子の固定につき2分子できる |
| ATP | チラコイドの反応でつくられるエネルギーの運び手 | 還元（3回転で6分子）と再生（3回転で3分子）で使われる |
| NADPH | チラコイドの反応でつくられる電子の運び手 | PGAをGAPに還元する電子を渡す（3回転で6分子） |
| GAP（グリセルアルデヒド-3-リン酸） | 炭素3個のリン酸化された糖 | 生成物。6分子のうち1分子が回路を出てグルコースなどになり、5分子は再利用される |
| ADPとNADP⁺ | エネルギーを渡し終えた運び手 | チラコイド膜に戻り、チラコイドの反応で再び充電される |
どこまで描くかは学習段階で変わります。入門ではCO₂が入り、糖が出て、ATPとNADPHが回路を動かす流れで足りることが多く、高校の生物や大学ではルビスコ、RuBP、PGA、GAPの名前と、3回転分の分子の数まで加わります。必要なラベルを指定すれば、それだけが描かれます。
カルビン回路の図とは？
カルビン回路の図は、葉緑体が二酸化炭素から糖をつくる3つの段階を示す図です。ルビスコがCO₂をRuBPに固定し、ATPとNADPHが生成物をGAPに還元し、GAPの大部分がRuBPの再生に使われます。回路はストロマで進みます。
要点
- 回路は葉緑体のストロマで進みます。二酸化炭素は気孔から葉に入り、ストロマまで拡散します。ここで、光を直接使わない光合成の反応が起こります。
- 3回転で3分子のCO₂を固定し、1分子のGAPを送り出します。ルビスコが3分子のCO₂を3分子のRuBPに結合させて6分子のPGAができ、6分子のATPと6分子のNADPHがそれを6分子のGAPに還元します。1分子のGAPが回路を出て、残りの5分子が3分子のRuBPにつくり直されます。
- GAP 1分子にATP 9分子とNADPH 6分子が必要です。ATPのうち6分子が還元に、3分子がRuBPの再生に使われます。ADPとNADP⁺はチラコイドの反応に戻って再び充電されます。
- グルコース1分子には6回転が必要です。1回転で炭素原子を1個固定するので、6個の炭素からなるグルコース1分子（GAP 2分子分）をつくるには回路が6回まわります。
- 「暗反応」は誤解を招く呼び名です。光を直接使う段階はありませんが、回路はチラコイドでつくられたATPとNADPHで進み、これらは100万分の1秒ほどしかもちません。光と無関係ではなく、夜だけ進むわけでもありません。
チラコイドで起こる反応とカルビン回路の違い
チラコイド膜で起こる反応は光エネルギーを受け取り、水を分解して酸素を放出し、ATPとNADPHをつくります。カルビン回路はストロマでそのATPとNADPHを使い、二酸化炭素を固定して糖をつくります。前者が光を化学エネルギーに変え、後者がそれを炭素化合物にたくわえます。
| チラコイドで起こる反応 | カルビン回路 | |
|---|---|---|
| 場所 | チラコイド膜 | ストロマ |
| 光を直接使うか | 使う | 使わないが、チラコイドの反応のATPとNADPHが必要 |
| 取り込むもの | 光、水、ADP、NADP⁺ | CO₂、ATP、NADPH |
| 生じるもの | 酸素、ATP、NADPH | GAP、ADP、NADP⁺ |
| 主な構成要素 | 光化学系II、光化学系I、電子伝達系、ATP合成酵素 | ルビスコとRuBP |
| 炭素 | 固定されない | CO₂が有機物に取り込まれる |
| 別名 | 光化学反応 | カルビン・ベンソン回路、かつての「暗反応」 |
2つの反応を1つの葉緑体のつながった半分として描き、ATPとNADPHがチラコイドからストロマへ、ADPとNADP⁺が逆向きに戻るようにします。カルビン回路から酸素が出ている図や、チラコイドの反応がCO₂を取り込んでいる図は、まず疑うべきまちがいです。
カルビン回路の図についてよくある質問
ラベル付きのカルビン回路の図には何を描けばいいですか？
標準のセットは、CO₂の固定、還元、再生の3段階と、CO₂、ルビスコ、RuBP、PGA、ATP、ADP、NADPH、NADP⁺、GAP、回路を出ていくGAP、そして3回転分の分子の数です。これがデフォルトです。ラベルを減らすよう指定すれば、その分だけ描かれます。
光呼吸とは何ですか？
光呼吸は、ルビスコがRuBPにCO₂ではなくO₂を結合させたときに起こる反応です。できるのはPGA 1分子と2-ホスホグリコール酸1分子で、植物は2-ホスホグリコール酸をペルオキシソームとミトコンドリアで再利用しなければならず、その途中でCO₂を失い、ATPを使います。暑く乾いた天候で増え、C4植物とCAM植物はルビスコのまわりにCO₂を濃縮して光呼吸を抑えます。
カルビン回路の3つの段階は何ですか？
CO₂の固定、還元、再生です。固定ではルビスコがCO₂をRuBPに結合させてPGAができ、還元ではATPとNADPHがPGAをGAPに変え、再生ではGAPの大部分がATPを使ってRuBPにつくり直され、次のCO₂を受け取れるようになります。
カルビン回路は葉緑体のどこで起こりますか？
葉緑体のストロマ、つまりチラコイドのまわりの液体部分です。チラコイドの反応はチラコイド膜で起こるので、そこでつくられたATPとNADPHは回路が必要とするすぐそばで放出されます。
カルビン回路に入るものと出るものは何ですか？
3回転で、CO₂ 3分子、ATP 9分子、NADPH 6分子が入り、GAP 1分子、ADP 9分子、NADP⁺ 6分子が出ます。ADPとNADP⁺はチラコイドの反応に戻って再び充電され、GAPはグルコースなどの材料になります。
グルコース1分子をつくるのに、カルビン回路は何回まわりますか？
6回です。1回転で炭素原子を1個固定するので、3回転で炭素3個のGAPが1分子、6回転で炭素6個のグルコース1分子分のGAP 2分子ができます。必要なのはATP 18分子とNADPH 12分子です。
ルビスコは何をする酵素ですか？
炭素を固定する酵素で、CO₂をRuBPに結合させ、1回の反応で2分子のPGAをつくります。正式名はリブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼで、ストロマで、回路がたえず再生するRuBPに作用します。
カルビン回路はなぜ「暗反応」と呼ばれていたのですか？
光を直接使う段階がないからですが、実際には光に依存しています。回路はチラコイドの反応がつくるATPとNADPHで進み、これらは100万分の1秒ほどしかもちません。そのため「暗反応」という古い呼び名は誤解を招きます。回路は夜だけ進むわけではありません。
中学生向けのかんたんなカルビン回路の図もつくれますか？
つくれます。かんたんな全体図を指定すると、要点だけの図になります。入っていく二酸化炭素、回路を動かすATPとNADPH、出ていく糖、再生される最初の分子です。入門ならラベルは5つ以下で足ります。
カルビン回路の段階と分子の順序は、どうやって正しく保たれるのですか？
題材についての指示が組み込まれています。どの画像も教科書どおりの描き方（各段階を本来の順に閉じた輪の上に置き、出入りするものを示す矢印でつなぐ）に従い、各ラベルを正確な表記で描くよう指示されます。印刷前に教科書や授業の用語と照らし合わせてください。キャンバス上でどのラベルもその場で直せます。
ここで作ったカルビン回路の図は、授業や論文に使えますか？
使えます。生成したカルビン回路の図はあなたのものです。光合成のプリント、生化学のスライド、レポート、学位論文で使えます。モデルにもよりますが最大 4K で書き出せます。
