광합성과 명반응

 

 

광합성은 식물, 조류, 일부 박테리아가 태양 에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 당과 산소로 전환하는 과정입니다. 이는 지구 생태계의 기본적인 에너지 공급원입니다. 광합성은 크게 명반응(빛 반응)과 암반응(캘빈 회로)으로 나뉩니다. 여기서는 광합성과 그중에서도 명반응에 대해 깊고 자세하게 설명하겠습니다.

 

광합성의 개요

기본 반응식

광합성의 기본 반응식은 다음과 같습니다:

이 반응은 두 단계로 나뉩니다:

1. 명반응: 태양 에너지를 화학 에너지(ATP와 NADPH)로 전환.
2. 암반응: ATP와 NADPH를 사용해 이산화탄소를 유기 화합물로 고정.

명반응 (Light Reactions)

명반응은 엽록체의 틸라코이드 막에서 일어납니다. 이 과정은 광계 II와 광계 I으로 나뉩니다.

1. 광계 II (Photosystem II)

• 광계 II의 역할: 빛 에너지를 흡수해 물을 분해하고 전자를 생성.
• 주요 과정:
  1. 빛이 엽록소 a의 P680 중심에너지 복합체에 흡수됨.
  2. 이 에너지는 전자를 흥분시켜 전자전달사슬로 전달.
  3. 물 분해(광분해)로 인해 O_2, H^+, 전자가 생성됨.

 

• 전자 전달사슬: 고에너지 전자는 플라스토퀴논(Plastoquinone, PQ), 시토크롬 복합체, 플라스토시아닌(Plastocyanin, PC)을 거쳐 광계 I으로 이동하며, 이 과정에서 H^+가 틸라코이드 내부로 펌핑되어 양성자 구배가 형성됩니다.

2. 광계 I (Photosystem I)

• 광계 I의 역할: 추가적인 빛 에너지를 흡수해 전자를 NADP^+에 전달해 NADPH를 생성.
• 주요 과정:
  1. 광계 II를 거쳐온 전자는 P700 중심에서 추가적인 빛 에너지를 받아 흥분.
  2. 전자는 페레독신(Ferredoxin)으로 전달되고, NADP^+ 환원효소에 의해 NADPH로 전환됨.

3. ATP 합성

• ATP 합성 과정: 틸라코이드 막을 가로지르는 H^+ 농도 구배를 이용해 ATP 합성효소가 ATP를 생성.
• 화학 삼투: 전자전달사슬을 통해 형성된 H^+ 구배가 ATP 합성효소를 통해 틸라코이드 막을 가로질러 이동하면서 ADP와 무기 인산이 결합해 ATP를 생성.

암반응 (Calvin Cycle)

암반응은 엽록체의 스트로마에서 일어납니다. 이 과정은 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 사용해 CO_2를 포도당과 같은 유기 화합물로 전환합니다.

주요 단계

1. 탄소 고정: 루비스코(Rubisco) 효소가 CO_2를 5탄당인 리불로스 1,5-이인산(RuBP)에 결합.
2. 환원: 3-포스포글리세르산(3-PGA)이 ATP와 NADPH를 사용해 G3P(글리세르알데하이드-3-인산)로 환원.
3. 재생: G3P의 일부는 포도당 합성에 사용되고, 나머지는 RuBP로 재생돼 다시 탄소 고정에 사용.

이와 같이, 광합성은 복잡하고 정교한 생물학적 과정이며, 생물학과 생화학의 기초를 이해하는 데 필수적인 주제입니다.