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제 7 장 광합성
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광합성의 개관 광합성 (photosynthesis); 태양에너지가 특정 분자들의 결합에 의해 탄수화 물 ( 포도당 ) 의 생성에 이용되는 과정 6CO 2 + 12H 2 OC 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O (∆G = +686 kcal/mole)
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광합성 장소의 추적 : 잎 > 세포 > 엽록체 기공의 기능 : 이산화탄소 ( 유입 ), 산소와 물 ( 유출 ) 광합성 반응과 장소
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식물세포의 세포소기관과 구조. 식물세포
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광합성 반응 : 명반응 (light reaction) 과 암반응 (dark reaction) 최종산물 ( 예 ; 설탕, 녹말, 셀룰로오스 )
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adenosine monophosphate (AMP) adenosine adenosine diphosphate (ADP) adenosine triphosphate (ATP) ribose adenine ATP
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엽록체의 구조 : 이중막, 그라나 ( 각각의 층 ), 스트로마 ( 액체상태 ), 틸라코이드 ( 빛에너 지의 포획과 명반응이 수행되는 장소 ) 틸라코이드 : 빛을 포획하고 이용하는 구조인 광계 I 과 광계 II 각 광계에는 광수확안테나와 반응중심이 존재 광수확안테나는 빛을 포획하여 그 빛을 축적하는 일을 하는 엽록소 a, 엽록소 b, 카로티 노이드 등으로 구성 엽록체의 내부와 틸라코이드 루멘 (lumen)
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에너지원으로서의 태양빛 빛의 성질 : 광자 (photon, 입자 ) 로 구성됨. 전자기 에너지 다발 ( 파장, wavelength). 광자의 파장이 짧을수록 에너지가 크다. 파장 ~ 파동의 정점 사이의 거리. 가시광선은 빛의 전체 스펙트럼에서 극히 일부분을 차지한다. 인간의 눈은 가시 광선 파장을 색깔로 인식한다. 전자기 스펙트럼
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색소 (pigment): 특정 파장을 지닌 광자들을 흡수하는 분 자 집단. 엽록소 (Chlorophyll) a: 식물, 녹조류, 광독립영양 성 박테리아에 존재. 적색광 및 보라색광 흡수 엽록소 b: 추가 파장을 흡수하는 보조색소. 카로티노이드 (Carotenoid): 청자색과 청록색 빛을 흡수하는 보조색소 크산토필 (Xanthophyll): 노랑, 갈색, 자주, 청색을 띠는 보조색소 피코빌린 (Phycobilin): 적색 혹은 청록색 색소. 안토시아닌 (anthocyanin): 붉은 자주색의 색소. 엽록소 a : CH 3 엽록소 b : COO - 고리구조 : 빛의 포획. 마그네슘 원자를 가지는 헴 (heme) 기. 탄화수소 골격은 세포막내 이중층에 존재.
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봄과 여름에 존재하던 다량의 엽록소들이 분해되면, 보다 안정한 색소들인 카로 티노이드, 크산토필, 그리고 다른 보조색소들의 존재가 드러난다. 가을의 나뭇잎
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엽록소 a 와 b, 베타 카로틴, 피코빌린의 흡수 스펙트럼 작용스펙트럼 : 각 파장에서의 광합성 효율을 나타낸 것. 흡수스펙트럼 오렌지색 - 적색 (600~700 nm) 자주색 - 청색 (400~500 nm)
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광합성에서 생긴 자유 산소 때문에 몰려든 호기성 세균. 흡수 스펙트럼처럼 나타난다. 엥겔만의 실험 해캄
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광수확안테나와 반응중심 각각의 광수확안테나에는 수백 개의 엽록소와 카로티노이드 분자가 단백질과 결합되 어 있다. 이들 대부분은 에너지를 반응중심으로 보낸다. 반응중심은 에너지 수용부로 작용한다. 각각의 중심은 한 분자의 엽록소 a 와 단백질로 구성되어 있다. PSI 과 PSII 의 반응중심은 각각 700 nm 와 680 nm 파장을 흡수하므로 각각 P700 과 P680 으로 불린다.
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전자전달계 : 여러 개의 전자운반자로 구성. 두 가지 중요한 역할 ( ①양성자를 루멘에 농 축시켜 그 자유에너지를 ATP 생성에 사용, ② NADP + 를 NADPH 로 환원 ) CF 0 CF 1 복합체 : 틸라코이드막에 많이 존재. ATP 생성 과정에 중요한 역할을 함. CF 1 머 리 부위는 ATP 합성효소를 갖고 있다. 전자전달계와 CF 0 CF 1 복합체
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광합성의 명반응 전자순환 ! 전자의 비순환 ! – Z 형 구조 비순환적 광인산화 : 광계 II (P680 반응중심 ) 에서 시작. 물분자의 분해로 전자, 수소원자, 산소가 생성. P680 은 물에서 분리된 전자에 의해 보충, P700 은 P680 에서 떨어져 나온 전자로 보충된다. NADPH 와 ATP 를 생성 순환적 광인산화 : P700 에서 방출된 전자가 전자전달계를 거쳐 다시 P700 으로 돌아오 는 경로. ATP 만 생성. 광자에너지에 의해 전자를 잃음 광자에너지에 의해 전자를 잃음 전자전달계 사슬 내에서 분 자사이를 전자가 이동 수소이온을 막 안의 보냄 수소이온을 막 안의 보냄
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화학삼투적 인산화
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포도당은 엽록체의 스트로마에서 합성 Sugar factory: 캘빈 - 벤슨 회로. 루비스코에 의한 이산화탄소의 고정. 루비스코는 이산화탄소를 리블로오스 이인 산 (RuBp) 에 결합시켜 3 탄당의 인글리세르산 (PGA, 3PG) 형성 PGA 는 ATP 와 NADPH 를 이용해서 인글리세 르 알데히드 (PGAL, G3P) 형성시킴 G3P 에서 포도당으로 전환되거나 지방산, 글 리세롤, 혹은 아미노산의 합성에 이용될 수 있 음. 또한 미토콘드리아에서 ATP 생성에 이용 됨 포도당 한 분자를 합성하기 위해 캘빈회로는 6 번을 돈다. 암반응 ( 탄소고정반응 ) rubisco
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C3 식물 : 일반 광합성. 참피나무 (Tilia americana). 광호흡 : 이산화탄소의 농도가 최소 수준 이하로 떨어지 면 캘빈 - 벤슨 회로에서 산소가 이산화탄소를 대체하게 됨 덥고 건조하면 기공을 닫으므로 세포내 이산화탄소의 농 도는 낮고 산소 농도는 높아 광합성을 하지 못한다 ! 광호흡 - 캘빈 - 벤슨 회로의 문제점 3 탄소 화합물인 인글리세르산 (3PG) 가 최초 생성물이다. 루비스코가 리블로오스 이인산 (RuBP) 에 산소를 고정시킴 미토콘드리아에서 이산화탄소와 3PG 생성 이산화탄소는 방출되고 3PG 는 연료로 사용됨 포도당은 생성되지 않고 연료 만을 생성하게 됨
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C4 식물 : 4 탄소 화합물 ( 옥살로아세트산, OAA) 의 생성. 옥수 수 (Zea mays). 엽육세포 내의 산소농도에 관계없이 탄소를 고정 이산화탄소를 축적하는 경로를 가짐 캘빈 - 벤슨회로는 유관속초 세포에서 이루어진다. 이산화탄소는 낮은 농도에서도 효율적으로 작용하는 효소인 PEP 카르복시화효소와 결합 C4 식물
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옥살로아세트산에서 말산이 생성되고 말산은 3 탄소 화합물과 이산화탄소로 분해됨 C3 식물에 비해 ATP 가 많이 요구되지만 밝은 광조건에 사는 이 식물들은 충 분한 ATP 를 생성할 수 있음 열대지방과 사막에서 우세 C4 식물
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CAM 식물 : 밤에 이산화탄소 흡수, C4 회로 이용. 비버꼬리 선인장 (Opuntia basilaris). 사막식물 C4 경로를 사용하여 밤에 이산화탄소를 저장 낮 동안 기공을 닫음으로써 고온 건습한 사막 바람에 의한 수분 유출을 막는 동시에 광호흡을 저해함 C4 회로와 캘빈 회로가 동일한 장소 ( 엽육세포 ) 에서 일 어나지만 시간 차이가 있다.( 암반응이 낮에 기공을 닫은 상태에서 수행된다 ) CAM 식물
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탄소고정과정의 변이
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8 장 발표 1. 산소호흡과 무산소호흡의 차이점을 설명하시오. 2. 해당과정 중 과당인산키나아제의 역할을 설명하시오. 3. 세포 호흡과정의 3 단계를 설명하시오. 4. 세포 호흡과정 중 산소의 역할과 양성자의 역할을 설명하시오. 5. 산소호흡 과정에서의 총 ATP 생성과 순 ATP 생성을 자세히 설명하시오. 6. 포도당 이외에 지방과 단백질을 이용한 호흡과정을 설명하시오.
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