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光呼吸是植物中一种特殊的代谢途径。当光照强烈而二氧化碳浓度较低时，叶绿体中的关键酶RuBisCO会表现出加氧酶活性，与氧气结合而不是二氧化碳。这个过程消耗氧气并最终释放二氧化碳，被认为是一个降低光合作用效率的过程。
RuBisCO是光呼吸的关键酶，它具有双重功能。作为羧化酶时，它催化二氧化碳与核酮糖二磷酸结合，进行正常的光合作用。但当氧气浓度较高时，RuBisCO表现出加氧酶活性，与氧气结合而不是二氧化碳，这就启动了光呼吸过程。这种竞争性反应是光呼吸发生的根本原因。
光呼吸是一个复杂的跨细胞器过程，涉及叶绿体、过氧化物酶体和线粒体三个细胞器。首先在叶绿体中，RuBP与氧气反应产生磷酸乙醇酸。然后乙醇酸转移到过氧化物酶体，被氧化为甘氨酸。甘氨酸进入线粒体，在这里两个甘氨酸分子转化为一个丝氨酸，同时释放二氧化碳。最后产物返回叶绿体完成循环。
光呼吸的化学反应过程相当复杂。首先，RuBP与氧气反应生成3-磷酸甘油酸和磷酸乙醇酸。在线粒体中，两个甘氨酸分子转化为一个丝氨酸分子，同时释放二氧化碳和氨。整个过程消耗大量的ATP和NADPH，但不产生有用的糖类，因此被认为是一个能量浪费的过程，显著降低了植物的光合效率。
尽管光呼吸看似是一个浪费能量的过程，但它具有重要的生物学意义。首先，它起到保护作用，防止强光下的光氧化损伤。其次，光呼吸可能是植物在古代低氧环境中进化的遗留。为了减少光呼吸的负面影响，一些植物进化出了C4和CAM光合作用机制，通过浓缩二氧化碳或时间分离来避免光呼吸，从而提高光合效率。