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광합성

last modified: 2015-04-09 12:57:48 by Contributors

Contents

1. 개요
2. 필요성
2.1. 생물 개체 차원에서
2.2. 생태계 차원에서
3. 엽록체
4. 광합성 과정
4.1. 에너지 획득
4.2. 캘빈-밴슨 회로
5. 광합성 생물의 역사 및 다양성
6. 그 외

Photosynthesis
光合成

1. 개요

물만 먹어도 살찌는 사람들이 하는 것 식량자원 해결의 핵심

$6CO_2+12H_2O\rightarrow C_6H_{12}O_6+6O_2+6H_2O$
일반적인 식물과 조류의 광합성 반응식. 물과 이산화탄소로 녹말,산소을 생성해 녹말(당)은 저장,산소는 배출

태양에너지를 이용하여 고에너지 분자를 합성하고, 여기서 만들어지는 고에너지 화합물로 탄소를 고정하여 당을 생산하는 일련의 과정. 흔히 말하는 이산화탄소를 마시고 산소를 뱉는다는 정의는 잘못된것이다.

2. 필요성

2.1. 생물 개체 차원에서

생물에게 에너지 확보는 매우 중요한 일이다. 생명을 유지하고 각종 생명 활동을 하기 위해서는 각종 에너지가 필요하며, 에너지가 없으면 생물은 생명력을 유지할 수 없게 되어 곧바로 죽는다. 따라서 생물들은 에너지를 확보하기 위해 다양한 방법들을 사용하는데, 그 중 식물들은[1] 태양에서 오는 빛에너지를 가공하여 스스로 쓸 수 있는 에너지로 만들어 사용한다. 즉, 태양의 빛을 이용하여 에너지를 만들어 사용한다.

그런데 에너지는 매우 쉽게 흩어지기 때문에 지속적으로 저장할 수 없다. 예를 들어, 땔감을 태워 난로를 피우면 따뜻해지는 것은 열에너지 때문인데, 열에너지도 매우 쉽게 흩어지므로 난로를 끄면 곧 다시 추워지게 된다. 그런데 앞에서도 말했듯 생물에게 에너지의 결핍은 곧 사망으로 이어지게 되므로 비상시를 대비하여 에너지를 저장해 두는 것은 반드시 필요하다. 그래서 식물들은 빛에너지로 얻은 에너지를 사용하여 당을 만들어 저장해 둔다. 당은 쉽게 소실되지 않으며, 필요할 때 쉽게 에너지로 다시 바꾸어 사용할 수 있으므로 에너지 저장에 적합한 물질이다.

이처럼, 식물들은 태양광을 이용하여 에너지를 만들고 또 만든 에너지를 당으로 저장하는 광합성 작용을 하여 안정적으로 생명을 유지한다. 말하자면 식물은 생물이라는 난로를 태우기 위한 땔감을 스스로 만드는 만능 엔지니어라고 할 수 있겠다.

2.2. 생태계 차원에서

또한 광합성은 생태계에 에너지를 공급해 주는 거의 유일무이한 수단으로, 지구에 생명이 등장한 이후 생태계의 에너지가 흐르기 시작하는 가장 첫단계이며, 지구의 거의 모든 생물들이[2] 이 광합성으로 저장한 태양 에너지로 생존하고 있는데, 이는 스스로 에너지를 만드는 식물뿐만 아니라 다른 생물들을 잡아먹는 동물들도 마찬가지이다. 왜냐하면 초식동물은 당연히 식물이 만든 당을 먹는 것이고 육식동물들도 초식동물을 잡아먹거나 초식동물을 잡아먹은 육식동물을 잡아먹는 것이기 때문이다. 이처럼, 광합성 생물은 생태계의 유지에 없어서는 안될 존재이다. 이를 어떤 사람은 엽록체[3]를 '전 세계를 먹여살리는 세포 소기관'이라고 칭하기도 했다.

3. 엽록체


엽록체는 광합성을 하는 기관인데, 간단하게 엽록체는 세 부분으로 나뉜다.판판한 원반처럼 보이는 틸라코이드(thylakoid), 그게 쌓인것처럼 보이는 그라나, 그리고 엽록체 막이다. 그리고 이 틸라코이드 내부에 엽록소가 존재한다.

식물이 녹색으로 보이는 이유는 엽록소 때문이다. 다만, 엽록소라 해서 꼭 녹색인것만은 아닌데, 황색이나 적색의 색소도 엄연히 존재한다. 이를 카로틴이라고 하며 가을철 단풍이 물드는 이유이기도 하다.[4] 이들은 녹색 색소가 흡수하지 못하는 빛을 흡수하여 광합성 효율을 높여준다.

사실 엽록소 하나만 해도 종류가 네다섯개는 되는데, 공통적인 구조는 긴 탄화수소 꼬리와, 마그네슘등의 금속이온을 포함한 킬레이트[5] 구조인것이 특징. 이 기다란 탄화수소 꼬리(그림에는 걍 문자로 써져있지만)은 단백질에 박혀있다.


4. 광합성 과정

두가지 과정에 따라서 에너지를 수확하고 저장한다
전자전달계 : ATP 생성
캘빈-밴슨 회로 : 만든 ATP로 당 생성.

4.1. 에너지 획득

실상 ATP,NADPH[6]+ H+ 합성에는 CO2는 필요없다. 이산화탄소는 오로지 당 합성을 위해서만 사용된다. 이를 탄소 고정이라고 한다.


P700이 광계I, P680이 광계II
보통 생물학 교재에 나온 그림은 반대로 그려져있다. 아래쪽이 스트로마, 위쪽이 틸라코이드강. 그림을 뒤집어놓았다고 생각하면 편하다.

고대의 엽록체의 매커니즘인 광계I의 경우 광합성에 산소를 발생시키지 않는다. 광자가 엽록소 P700[7] 을 들뜨게 하다 못해 전자를 토해내면 전자를 잃고, 페레독신이 전자를 받는다. 이 전자는 순차적으로 효소를 통해 전달되고, 틸라코이드 내부로 양성자(수소 이온)를 신나게 퍼나르게 된다. 그럼 틸라코이드 내부는 산성화되고, 스트로마(엽록체의 기질)는 염기성이 되어가는데. 그 차이를 견디지 못하고 양성자가 ATP synthase(ATP 합성 효소)를 물레방아 돌리듯 돌리면서 틸라코이드를 빠져나가 스트로마로 향하고 이 힘으로 다량의 ATP와 NADPH+H+를 합성해낸다. 즉 한마디로 말하면 전압차. 즉 전기에너지로 ATP를 합성하는것. 이 전자는 다시 P700으로 되돌아와서 사이클이 끝.


이를 모식적으로 나타내면 다음 그림과 같다. 그림의 광계I(PSI)에 빛(Light)이 들어와 P700을 자극하면 전자를 토해내어 페레독신(Fd)에 전자를 주고(①) 그 전자가 전자전달효소(cyt b6f)로 다시 전달된다.(②) 이 전자들은 전자전달효소를 통과하며 양성자를 틸라코이드(lumen)로 퍼나른다.(③) 이후 전자는 플라스토시아닌(PC)을 통해 다시 광계I으로 되돌아오며,(④) 운반한 양성자는 ATP 합성효소를 통해 틸라코이드에서 스트로마(stroma)로 확산되어 그 힘으로 ATP를 만들어 낸다(⑤).

현대의 매커니즘인 광계II는 페레독신을 사용하지 않고, 애먼 물을 분해를 해버린다. P680이 멀쩡히 있던 물분자의 전자를 뺏어서 그 물분자를 수소이온 2개와 산소 음이온 1개로 쪼개버리는것. 바로 이 과정에서 1개씩 튀어나온 산소 음이온끼리 반응,결합하여 산소분자가 발생하는거다. 산소를 분해해서 산소가 생기다니

이 도둑질한 전자로 H+ 차이를 만든뒤 ATP를 합성하고, 쓰다남은 전자는(지가 전자를 안 잃으니까) 광계I에 줘버린다. 이런식으로 고효율의 광합성이 가능해지는 것.광계1은 순환적 전자전달(순환적 광인산화) 광계2는 비순환적 전자전달(비순환적 광인산화)이라고 한다. 식물은 두개 다 가지고있다. 그래서 효율이 좋은것.

4.2. 캘빈-밴슨 회로

여기서 나오는 ATP로 캘빈-밴슨 회로를 돌려 이산화탄소를 당(정확히는 G3P)로 바꾼다. 재밌는건 중간에 형성되는 물질들이 세포호흡을 할때도 나오고, 회로를 반대방향으로 돌리면 세포호흡에 나타나는 반응들과 얼추 비슷해진다는것. CO2 + ATP <-> 당 이니까 어찌보면 당연한걸지도?

이산화탄소를 당으로 바꿀 때 어떤 경로로 돌리는 가에 따라 C3,C4,CAM 식물로 나뉘며 C3식물은 온대식물, C4식물은 열대식물, CAM은 선인장을 예로 들 수 있다.

5. 광합성 생물의 역사 및 다양성

광계1 만을 사용하는 단세포 녹조류의 경우 이산화탄소를 대사산물로 이용하지만, 광합성 산물로 산소를 내놓지 못한다. 이런 종류의 생물을 산소 미발생형 광합성생물이라고 한다.

고대의 녹조류의 대부분은 절대혐기성 생물이었으며, 대사산물로 산소를 발생시키기 시작한것은 광계II를 가지게 된 이후의 일이다.물론 이 친구가 지구를 산소로 꽉 채운건 사실이지만..그 당시쯔음에는 이미 진핵생물이 등장했고, 혐기성 원생생물들은 진핵생물들에게 사냥당하고 있었다. 이 과정에서 호기성 원생생물을 냠냠해서 미토콘드리아가, 지금 다루는 광합성 원생생물을 냠냠해서 엽록체가 된것.

물론 이때의 광합성은 상당히 기괴하게 원시적이며, 현존 식물들도 이 구조의 일부를 가지고 있다. 또한 지금 나오는 적철석은 대부분 이놈들이 만들었다. 이 친구들 없었으면 인류 문명도 사실상 없었다고 해도 될 정도다.

더불어 시멘트에 쓰이는 대부분의 석회암 또한 선캄브라아기 이 친구들의 시체다. 몸과 마음을 바쳐 인류에게 봉사하고 있는셈. 흔히 광합성 하면 못 움직이는 식물을 생각하는데. 안 그렇다. 개중에는 영양상태가 좋으면 동물이 되고 영양상태가 극도로 나빠지면 광합성하는 괴기스러운놈들도 많다.[8]

대부분 광합성이라 하면 산소를 생성하는 반응을 떠올리지만, 전 생물체 중 압도적인 비율을 차지하는 미생물들 중에는 온갖 엽기적인 광합성을 하는 종들도 있다[9].

6. 그 외

고3 등 평소에 햇빛을 보기 힘든 인종들이 가끔 무거운 몸을 일으켜 볕을 쐬러 나오면서 "광합성하러 간다"는 등의 드립을 치기도 한다. 실제로 가끔 볕 쬐는 게 몸에 좋으니 정 찌뿌둥 하면 낮에 쬐러 가는 게 좋다. 공부 한답시고 해 오래 안보면 인간이 천천히 망가진다[10] 비타민D는 햇빛을 쬐어야 몸에서 만들어지므로 사람이라고 광합성을 게을리 하지 말고 날 좋을 때는 나가서 돌아다니도록 하자.[11]

여담으로 프로토스는 피부로 수분흡수하고 별빛으로 광합성을 하기에 입이 없다(...) 그런데 얘들 엽록소는 뭘로 생겨먹은거냐 대체.

리시아가 광합성하면 참 예쁘다. 이 모습을 보려는 덕후들이 많다 이거 러시아로본사람 많을꺼다 너도 그리 봤구나

엘리시아 라는 달팽이류는 바우체리아라는 특정 식물을 먹고 엽록소를 흡수해 광합성을 할 수 있다.
이 동물은 물론 스스로 엽록체를 만들지 못하지만, 엽록소를 제외한 각종 광합성에 필요한 물질과 기관을 형성하는 유전자는 보유하고 있다. 해당 식물을 먹으면 엽록체를 소화관 옆의 기관으로 보내서 저장하고, 점차 녹색으로 변하면서 먹이를 먹지 않고도 식물의 엽록소를 몸에 지니면서, 자체적으로 광합성하여 에너지를 낼 수 있다. 바우체리아 조류의 유전자를 획득해서 광합성기능을 득템했다고 추정하고 있다. 엽록체를 분열하는 유전자는 없기 때문에 자손에게 엽록체를 넘겨주지 못한다.



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  • [1] 미생물이나 녹조류 같은 다른 생물들도 있지만 일단 넘어가자.
  • [2]전부가 아닌가 하면, 심해의 마그마로 인해 뜨거운 물이 뿜어져나오는 심해열수구 근처에 사는 생물들이 있기 때문이다. 이들은 광합성이 아니라 열수에 녹아 나오는 황화합물 등을 통해 에너지를 얻는다.
  • [3] 광합성을 하는 세포 기관
  • [4] 녹색을 띄는 엽록소가 추위에 파괴되고, 추위에 강한 황색 적색 엽록소는 추위에 약하지 않아 카로틴의 색깔이 눈에 비치게 된다
  • [5] 한개의 배위자가 금속이온과 두자리 이상의 배위결합을 한것
  • [6] Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate. 수소를 운반하는 역할을 한다.
  • [7] P는 Pigment의 약자. 700nm 의 광자를 가장 잘 받는다는 뜻이다.
  • [8] 정말이다 펄떡펄떡 뛰어다닌다
  • [9] 황산, 철, 질산, 암모니아 등등....
  • [10] 실제로 옛날, 감옥에 수감된 죄수들이 받을 수 있는 가장 최악의 형벌이 햇볕이 들지 않는 독방에 수감되는 형벌이였는데 이는 정신적으로 고통스럽지만 육체적으로도 보통 사람보다 고통이 예민하게 느껴진다고 한다.
  • [11] 물론 비타민 D 합성은(사실 합성도 아니고 유도지만) 광합성과는 완전 다른반응이다.

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