7 태양에너지 포획: 광합성 1

그림 7-8 댐에서는 물 “기울기”에 저장된 에너지로 발전할 수 있다. 물이 아래로 흐르면 에너지가 방출된다. 이 에너지로 터빈을 돌린다. 터빈이 돌아가는 에너지로 전기를 생산한다. 3

잎 잎의 내부 구조 엽록체 엽록체가 있는 엽육세포 그림 7-1 광합성 구조에 대한 개요 큐티클 위표피 엽육세포 기공 아래표피 유관속초세포 외막 유관속(잎맥) 내막 잎의 내부 구조 틸라코이드 스트로마 엽록체 틸라코이드를 이어주는 통로 엽록체가 있는 엽육세포 4

그림 7-2 기공 열린 기공 단힌 기공 5

그림 7-3 명반응과 캘빈회로의 개요 6 H2O 6 CO2 빛에너지 ATP 캘빈 회로 NADPH 명반응 ADP NADP 틸라코이드 당 (스트로마) 엽록체 O2 C6H12O6 6

7.1 광합성이란 무엇인가? 잎과 엽록체는 광합성에 적합한 구조이다(계속) 광합성의 “광”이라는 말은 틸라코이드 막에서 햇빛을 포획하는 과정을 의미한다. 광합성의 “합성”이라는 말은 캘빈회로를 의미하며 명반응에서 ATP와 NADPH의 포획된 에너지로부터 당을 합성한다는 의미이다.

100 엽록소 b 80 카로티노이드 60 빛 흡수 (%) 엽록소 a 40 20 파장 (nm) 400 450 500 550 그림 7-4 빛과 엽록체의 색소 100 엽록소 b 80 카로티노이드 60 빛 흡수 (%) 엽록소 a 40 20 파장 (nm) 400 450 500 550 600 650 700 750 가시광선 마이 크로파 라디오 파 감마선 X-선 UV 적외선 높은 에너지 낮은 에너지 8

7.2 명반응: 빛에너지가 어떻게 화학에너지로 전환되는가? 엽록체의 색소가 빛을 포획한다(계속) 빛은 광자(photon)라는 에너지 묶음으로 이루어진다. 가시광선은 엽록소 a 같은 생물학적 색소 분자(pigment molecule)를 변화시키기에 충분히 강한 에너지를 가진 파장을 가진다. 엽록소 a는 엽록체에서 빛을 흡수하는주요 색소 분자이며 보라색, 파란색, 빨간색을 흡수한다. 하지만 녹색은 반사하므로 잎이 녹색을 띠게 된다.

그림 7-5 엽록소의 소실로 나타나는 카로티노이드 색소 10

명반응: 빛에너지를 화학에너지로 저장하는 과정 그림 7-6 에너지 전달과 광합성의 명반응 H2O CO2 광합성의 에너지 전달, ATP 명반응: 빛에너지를 화학에너지로 저장하는 과정 캘빈 회로 NADPH 명반응 ADP NADP 당 O2 C6H12O6 높음 e 전자 전달 사슬 I e e 1차전자 수용체 NADPH e NADP H e 전자의 에너지 준위 전자 전달 사슬 II 빛에너지 색소 분자 e ATP 반응중심 엽록소 a 분자 광계 I 광계 II e 낮음 H2O 2 H ½ O2 11

광합성의 부산물: 산소

7.2 명반응: 빛에너지가 어떻게 화학에너지로 전환되는가? 명반응은 틸라코이드 막과 연계되어 일어난다(계속) 각 광계는 서로 다른 인접한 전자전달사슬을 가진다. 이 전자전달사슬들(electron transport chains, ETC) 은 각각 틸라코이드 막에 삽입된 단백질인 일련의 전자전달 분자로 이루어진다. 틸라코이드 막에서 전자의 전체적인 경로는 다음과 같다: PS II  ETC II  PS I  ETC I  NADP

그림 7-7 틸라코이드 막 내부와 주변에서 일어나는 명반응 엽록체 (스트로마) CO2 빛에너지 H이 틸라코이드 공간으로 수송된다. H 캘빈 회로 전자전달사슬 II 전자전달 사슬 I NADP e H NADPH 당 e e e ATP 합성효소 C6H12O6 e ADP e 광계 II 광계 I Pi H H H ATP 2 H H H2O ½ H O2 H H H H이 농도 기울기를 따라 이동할 때 ATP를 합성한다. 틸라코이드 공간의 H 농도가 높아진다 틸라코이드 막 (틸라코이드 공간) 14

7.2 명반응: 빛에너지가 어떻게 화학에너지로 전환되는가? 화학삼투에 의해 수소이온 기울기로 ATP를 생성한다 틸라코이드 막을 통과하는 전자 에너지의 움직임은 수소이온(H) 기울기를 형성하여 화학삼투(chemiosmosis)라고 불리는 과정에서 ATP 합성을 이끈다.

그림 7-9 캘빈회로는 CO2로부터 탄소를 고정하여 단당류인 G3P를 생성한다. H2O CO2 ATP NADPH ADP NADP 캘빈 회로 명반응 당 O2 C6H12O6 3 루비스코 효소를 이용하여 CO2 3 분자와 RuBP 3 분자를 합쳐 탄소를 고정한다. 6 RuBP PGA 캘빈회로 G3P 5 포도당 1 ATP 에너지를 이용하여 6 분자의 G3P 가운데 5 분자가 RuBP 3 분자로 전환된다. ATP와 NADPH의 에너지를 이용하여 PGA 6 분자를 G3P 6 분자로 전환시킨다. G3P 1 분자가 회로에서 벗어난다. G3P 2 분자가 합쳐져 포도당을 비롯한 여러 분자를 형성한다. 캘빈회로: 화학에너지를 당 분자에 저장하는 과정 캘빈회로는 CO2로부터 탄소를 고정하여 G3P를 생성한다 16

7.3 캘빈회로: 화학에너지가 어떻게 당 분자에 저장되는가? 캘빈회로에서 이산화탄소를 포획한다(계속) 탄소 고정 탄소 고정(carbon fixation) 동안 CO2의 탄소는 더 큰 유기분자로 삽입되거나 “고정”된다. 루비스코(rubisco) 효소는 CO2 3 분자와 RuBP 3 분자를 결합시켜 6-탄소 분자를 만드는데, 이 분자는 불안정하므로 즉시 반으로 갈라진다. 6개의 3-탄소 분자인 포스포글리세르산(PGA)을 만든다. 3-탄소 PGA 분자의 생성을 C3 경로(C3 pathway)라고 한다.

7.3 캘빈회로: 화학에너지가 어떻게 당 분자에 저장되는가? 캘빈회로에서 이산화탄소를 포획한다(계속) 캘빈회로 3 단계: 탄소 고정 G3P 합성 리불로오스-2-인산(RuBP)의 재생

7.3 캘빈회로: 화학에너지가 어떻게 당 분자에 저장되는가? 캘빈회로에서 이산화탄소를 포획한다(계속) 왜 일부 식물은 탄소 고정에 대한 다른 경로를 사용하는가? 더운 환경에서 수분 증발을 막기 위해 식물의 기공이 닫힐 때 산소가 식물세포 내에서 쌓이며 광호흡(photorespiration)이라고 불리는 낭비적 과정에서 RuBP가 CO2보다 산소와 결합하게 된다.

7.3 캘빈회로: 화학에너지가 어떻게 당 분자에 저장되는가? 캘빈회로에서 이산화탄소를 포획한다(계속) 현화식물은 낭비적인 광호흡을 피하기 위하여 두 가지 다른 경로로 진화하였다. C4 경로 다육식물유기산대사(CAM)

그림 E7-1 C4 경로와 CAM 경로 21 CO2 밤 낮 엽육세포 CO2 PEP (3C) PEP 카복실화효소 엽육세포 피루브산 (3C) 옥살로아세트산 (4C) PEP (3C) 피루브산(3C) PEP 카복실화효소 말산malate (4C) 옥살로아세테이트 (4C) CO2 루비스코 피루브산 (3C) 말산malate (4C) 캘빈 회로 말산malate (4C) 말산malate (4C) CO2 당 루비스코 캘빈 회로 말산 malic acid (4C) 유관속 초세포 중심액포 당 C4 식물 CAM 식물 21

생물연료