[Campbell] 7. Photosynthesis
Cellular respiration을 했으니 photosynthesis도 해야겠죠? 이번은 식물에게서 일어나는 광합성 입니다.
< The basic of Photosynthesis >
Photosynthesis(광합성)은 plants, algae(조류), protists(원생생물), certain bacteria에서 일어납니다. 빛 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 당의 결합에 저장하죠. 이렇게 스스로 무기물에서 그들의 유기물로 바꾸는 organisms을 autotrophs(독립영양생물)이라고 합니다.
< Chloroplasts > : Site of Photosynthesis
엽록체의 구조를 봐보도록 하겠습니다.
- stomata(기공) : CO2와 O2가 드나드는 작은 구멍
- Chloroplast(엽록체) : 이중막으로 둘러쌓여 있다.
- inner membrane(내막) : a thick fluid인 stroma로 채워져있다.
- thylakoid(틸라코이드) : 막성 주머니로 연결되어 있다.
- grana(그라나) : thylakoid의 집합
- chlorophyll(엽록소) : thylakoid membrane에서 빛에너지 흡수
< An Overview of Photosynthesis >
photosynthesis는 두 단계인 energy-carrying 과 electron-carrying molecules 로 연결되어 있습니다.
Light reaction(명반응)은 틸라코이드 막에 있는 엽록소가 태양 E를 흡수하여 ATP, NADPH를 생성합니다.
Calvin cycle(캘빈 회로)는 light reaction의 산물인 ATP, NADHP를 CO2로부터 당을 생성하는데 사용됩니다.
Carbon fixation(탄소 고정)은 대기 중 탄소가 유기물에 처음 결합하는 것입니다.
< Chloroplast Pigment and Photosystems >
광합성 색소인 chlorophyll(엽록소) 2가지를 알아보려 합니다.
Chlorophyll a : 엽록소 a는 명반응을 직접적으로 하는 중요한 요소 입니다.
Chlorophyll b : 엽록소 b는 명반응을 직접적으로 하진 않지만 모인 에너지를 엽록소 a로 전달합니다.
그리고 주황색, 노란색의 색소가 또 있는데요,
carotenoids(카로티노이드)는 엽록소가 흡수하지 못하는 빛의 파장을 흡수하여 넓은 범위에서 에너지를 흡수할 수 있도록 합니다.
에너지를 흡수하는 과정은 다음과 같습니다. 색소가 photon(광자)를 흡수하면 색소 한 분자가 에너지를 얻어 excited(들뜬) 상태가 됩니다. 틸라코이드 막에서 색소 분자는 다른 분자와 유기적으로 결합되어 photosystem을 형성하는데, 이 에너지를 전달하여 전자전달계로 이동시킵니다. 이때 Photosystem은 빛을 흡수한는 안테나로, 엽록소a, 엽록소b, 카로티노이드가 포합된 몇 백개의 색소 분자들의 무리 입니다.
< The Light Reactions of Photosynthesis >
이제 명반응의 과정을 알아보겠습니다.
2개의 photosystem이 light reaction에 참여합니다.
1) Photon이 첫번째 photosystem의 chlorophyll(PII)에 있는 전자를 들뜨게 만듭니다.
2) 에너지를 얻은 전자는 electron transport chain(전자전달계)를 타고 내려가 두번째 chlorophyll(PI)에 갑니다.
3) PI 에서 들뜬 전자를 NADP+로 만들고 NADPH로 바꿉니다.
더 간단한 그림을 그려보면 이렇습니다.
햇빛 에너지를 받으면 H2O가 분해되어 2H+, O2가 되고 2e- 가 나옵니다. 이것을 물의 광분해라고 하고 나온 전자는 광계2로 가서 전자전달계를 통해 광계1로 전달됩니다. 음 왜 2가 먼저 냐구요. 광계1을 먼저 발견해서 그렇대요. 광계에 있는 엽록소 a가 빛을 흡수하는데, 광계2는 흡수 파장대가 P680이고, 광계1은 P700이라고 합니다.
< The Thylakoid Membrane Converts Ligth E to Chemical E of ATP and NADPH >
Electron transport chain(전자전달계)는 두 photosystems를 연걸하고 전자를 H20에서 NADP+로 이동시켜 NADPH를 만듭니다. 음 엽록체의 ATP 생성 mechanism은 미토콘드리아와 비슷합니다. 전자전달계가 H+를 pumping하면 ATP synthases는 ATP를 만들기 위해 H+ 농도 기울기를 사용해서 에너지를 저장합니다.
Cellular respiration은 음식에서 고에너지 전자를 가져오는 반면, photosynthesis는 들뜬 전자를 전자전달계로 내려보냅니다.
< The Calvin Cycle> : Making Sugar from CO2
CO2의 C, ATP의 E, NADPH의 고에너지 전자를 사용해 G3P를 만듭니다. 그리고 식물은 이 G3P를 사용하여 glucose와 기타 유기물을 만들 수 있습니다.
Cavin cycle은 다음과 같은 과정으로 이루어집니다.
1) RuBP(Ribulose-1,5-bisphosphage : 5C)에 CO2가 첨가되어 3탄소 분자가 만들어집니다.
2) ATP의 에너지와 NADHP의 고에너지 전자를 사용해 G3P(Glyceraldehyde 3-phospate : 3C)를 만듭니다.
3) G3P 일부는 glucose가 되고 일부는 ATP를 사용해 다시 RuBP가 됩니다.
< Rubisco and C4 plants >
Rubisco는 RuBP caboxylase / oxygenase로 보통 RuBP에 CO2를 붙여 6C 분자를 만드는 역할을 합니다. 이것은 carbon fixation의 첫번째 과정입니다.
하지만 Rubisco는 [CO2]가 낮으면 비효율적으로 됩니다. Rubisco가 CO2 대신 O2와 결합하게 되면 탄소를 제공받지 못해 G3P를 만들지 못하게 됩니다. 오직 light reaction의 산물인 ATP와 NADHP만을 사용하게 되는 것이죠. 이것을 photorespiration(광호흡)이라 합니다.
- C4 plants는 고온건조한 기후에서 사는 식물들입니다. 그렇기 때문에 물을 잃지 않도록 기공을 C3 식물만큼 열지 않아 [CO2]는 낮아집니다. 이를 위해서 CO2와 높은 친화도를 갖는 새 효소가 진화 했고, CO2와 결합하여 C4 분자들을 만들 수 있도록 했습니다. 나중에 이 분자는 rubisco가 G3P를 만들기 위해 CO2를 제공하는 역할을 합니다. rubisco를 숨겨놓고 다른 효소를 쓴다고 해서 공간적 격리라고 부릅니다.
- CAM plants는 파인애플 같은 친구들 입니다. 이들도 고온 건조한 기후에서 사는데, CO2는 잘 들여오고 싶으니까 기공을 밤에 열도록 진화되었답니다. 이것을 시간적 격리라고 부릅니다.
광합성을 정리해보았는데요 짧으면서도 굉장히 많은 용어와 내용을 담고 있고 복잡하기 때문에 중요합니다. 이걸 여러번 보면서 반복해야겠어요.