7급 공무원 및 기사시험 대비 생물학개론 핵심 요점 정리 7. 생화학경로 : 광합성

 

식물의 힘
 광합성을 통해 햇빛 에너지를 화학에너지로 전환시킴으로써 식물을 비롯한 광합
성 생명체들은 매년 1,600억 톤의 유기물질을 생산해 낸다.
- 우리가 소비하는 모든 음식물의 원천이 광합성 식물에서 유래되며, 영양물질 외
에도 우리가 생존에 필요한 많은 원재료를 제공한다.
- 태양 빛을 제외하고 인류에게 열, 빛 그리고 연료를 제공하는데 식물이 대부분을
차지하였고, 현재는 석탄, 가스, 석유 등의 화석연료로 대체되었다.
 화석연료보다 땔나무(식물)을 에너지원으로 사용하면 좋은 이유
- 나무에는 산성비를 초래하는 황 불순물이 거의 없고, 몇몇 식물은 성장속도가 빠
르기 때문에 반복 사용할 수 있는 자원으로 가치를 가진다.
- 야생서식지를 제공, 침식을 감소, 토양을 새롭게 하고 농업의 다양화를 돕는다.
- 어린 식물들이 대기 속의 이산화탄소를 대량으로 제거할 수 있다.
- 지구 온난화를 초래하는 기체들의 농도를 감소 시킬 수 있으며, 공해물질 배출이
낮은 자원으로 미래 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 중요한 자원이 될 수 있다.

 

광합성과 생명
 광합성
- 생물은 빛에너지를 이용하여 고에너지 유기분자를 합성한다.
- 식물, 조류와 일부 세균은 광합성을 할 수 있다.
• 빛을 이용하여 자신의 영양소를 만들어 광합성 독립 영양생물로 부른다.
 지구상에 사는 모든 생명의 99.9% 는 에너지를 얻기 위해 광합성에 의존한다.
- 종속 영양생물은 독립영양생물을 먹는다.
 광합성은 엽록체에서 일어나며, 빛의 에너지를 포획하는 색소를 갖고 있다
- 엽록소가 빛 에너지를 포획하며 틸라코이드 막에 있다
- 쌓인 틸라코이드의 덩어리를 그라나라 한다.
- 그라나는 스트로마 속에 부유한다.
 광합성이 일어나는 동안 빛의 에너지는 ATP 합성에 사용된다.
 ATP 의 에너지는 포도당 같은 유기분자를 합성하는데 사용된다.

 

광합성의 기본 원리
 대부분의 식물과 일부 원생동물 그리고 세균은 광합성을 통해 무기물질로부터 자
신이 필요로 하는 유기물질을 스스로 생산하는 광합성 독립영양생물이다.

 독립영양생물 중에서 광합성을 하는 생물로 엽록소를 가지는 식물이나 광합성세
균이 있다.
- 육지에서는 식물이 주요한 식량 생산자이고, 수생서식지에서는 광합성 생명체들
이 주요 생산자 역할을 한다.

 

엽록체: 광합성이 일어나는 장소
 엽록체의 구조
- 원형이나 타원형의 구조이며, 세포막이 외막과 내막의 이중막 구조로 되어 있다.
- 내막 안쪽에 틸라코이드가 층을 이루면서 쌓여 있는 그라나가 있으며 그 사이의
공간에는 광합성에 필요한 효소들이 들어있는 스트로마라는 기질이 있다.
- 틸라코이드는 한 겹으로 된 막의 납작한 주머니이며, 이 주머니들이 포개져서 층
을 구성하고 있는 것이 그라나이다.
 엽록체의 역할
- 물과 이산화탄소를 재료로 엽록체에 있는 그라나와 스트로마에서 태양에너지를
흡수하여 포도당과 같은 유기물이 만든다.
- 유기물은 식물이 살아가는 데 필요한 에너지원이 된다.
- 광합성 물질대사의 부산물로 나오는 산소는 인간을 포함한 동물들에게 있어 호흡
을 통한 물질대사를 가능하게 함으로써 생명을 이어가는 데에 중요한 역할을 한다.

 

광합성

 대부분의 엽록체는 잎에 존재하며 식물의 녹색 빛깔은 엽록체에 존재하는 엽록소
에서 비롯된다.
- 엽록소는 빛 에너지를 흡수하며, 엽록체는 이 에너지를 이용하여 유기물질을 합성
 엽록체는 잎 내부에 존재하는 엽육조직의
엽육세포에 밀집되어 존재한다.
- 원반을 쌓아놓은 듯한 구조는 광합성 반
응이 일어나는 표면적을 넓혀줌으로써 광
합성 반응을 만들어 낼 수 있다.
 기공을 통해 이산화탄소가 들어오고 산소
는 빠져 나간다.
 광합성을 하기 위해 필요한 무기물질로서,
물은 주로 식물의 뿌리를 통해 흡수되어
잎맥을 따라 잎으로 이동한다.

광합성의 전체 반응식
 광합성은 세포호흡과정의 반대 방향의 반응이 일어난다.
- 전자가 “거슬러 올라가” 이산화탄소에 덧붙어 당을 생성한다.
- 필요한 전자는 엽록체가 물 분자를 수소와 산소로 분해하여 얻는다.
- 물을 분해하여 생성된 산소는 기공을 통해 광합성의 부산물로 대기로 빠져나간다.
- 물은 매우 안정한 분자이기 때문에 분해할 때에 많은 에너지가 필요하며, 이 에너
지는 햇빛으로부터 제공된다.
 광합성은 세포호흡의 폐기물을 받아들여 식량
과 산소를 생산한다.
- 광합성의 반응물인 이산화탄소와 물은 세포호
흡의 폐기물(생성물)이이다.
- 광합성의 생성물인 포도당과 산소는 세포호흡
에 사용된다.

광합성 경로도
 광합성의 전체 반응식은 단순하게 요약되어 있으나, 광합성은 하나의 과정이 아니
라 두 개의 과정으로 이루어진다.
- 광합성 과정에는 명반응(광반응)과 캘빈회로(합성반응)라는 두 과정에 의해 이루
어진다.
 명반응(광반응) ; 태양 에너지를 ATP와 NADPH 분자의 화학에너지로 전환한다.
- ATP ; 세포가 수행하는 대부분의 일의 원동력이 되는 에너지
- NADPH ; Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phospate은 NAD와 함께 생물 세포 내
에 있는 주요한 조효소이며 NADP의 환원 형태이며 생체 내의 중요한 환원제이다.
- 세포호흡에서는 NADH가 음식물 분자에서 나온 전자를 운반하고 광합성에서는
물 분자에서 나온 전자를 NADPH가 운반한다.
- 명반응에서는 당을 생산하지 않고 빛 에너지를 화학 에너지로 전환한다.

 

 광합성의 화학 반응식: 빛 에너지 + 이산화탄소 + 물 → 포도당과 산소
 광합의 3 과정
• 빛을 포획하는 반응
- 엽록소는 빛의 특정 파장을 흡수하고 엽록소 전자의 일부는 들뜬 상태가 된다.
• 빛-의존 반응(명반응)
- 이 반응은 들뜬 전자의 에너지를 이용하여 ATP와 NADPH을 합성한다.
• 빛-비의존반응(암반응)
- 명반응에 의해 생산된 ATP 와 NADPH가 CO2을 환원하여 포도당을 만든다.

 

 캘빈회로(합성반응); 명반응에서 만들어진 ATP와 NADPH의 고에너지 전
자를 이용하여 이산화탄소를 포도당으로 환원한다.
- 캘빈회로는 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 공급받아야 하므로 간
접적으로 빛에 의존하고 있다.

광합성경로도

햇빛의 특성
 햇빛의 에너지는 전자기 에너지(전자기파)로 전기장과 자기장의 두 가지로 구성
된 파동으로, 공간을 광속으로 전파한다.
 전자기파는 파장에 따라 전파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등으로 나
뉜다. 인간의 눈에서 인지하는 빛은 가시광선(visible ray)이며, 가시광선을 비롯한
여러 파장의 빛은 전자기파의 일부이다.
 인접한 두 마루 사이 거리를 파동이라 하고 전체 전자기파 방사 영역을 전자기 전
자기 스펙트럼이라고 한다.
 가시광선은 전자기 스펙트럼 중에서 아주 좁은 부분으로 우리가 서로 다른 빛깔
로 구분할 수 있는 파장으로 이루어져 있다.
 태양광선 아래에서 하얀 색깔의 종이가 하얗게 보이는 이유는 일곱 가지 색을 모
두 반사하기 때문이고 파란색의 종이가 파란 것은 가시광선 중에서 파란색만을
반사하여 그 색깔만 눈에 감지되기 때문이다.

 

염록체의 색소들
 엽록소 ; 엽록체에서 빛에너지를 흡수하는 색소
- 육지에 있는 녹색식물들은 엽록소와 카로티노이드를 가지고 있고, 물속에서 광합
성을 하는 조류들은 남조소, 갈조소, 홍조소와 같은 색소를 가지고 있어서 광합성
을 한다.
- 엽록소는 클로로필(chlorophyll)이라고도 하며, 탄소, 산소, 수소, 질소, 마그네슘으
로 구성된 화합물로 엽록소a, b, c, d와 세균엽록소가 있다.
- 대부분 엽록소a가 광합성에서 중심이 되며 육상식
물에서는 엽록소b를, 규조와 갈조류는 엽록소c를,
그리고 홍조류는 엽록소d를 가지고 있다.
- 그라나의 막에 존재하는 엽록소는 초록색을 제외한
빛 부분을 흡수하여 초록색으로 보인다.

 

- 카로티노이드는 잔토필과 카로틴이라는 노랑-주황을 띠는 색소로서 주로 파랑-
초록 파장을 흡수한다.
- 이들은 엽록소가 흡수하지 못한 파장의 빛 에너지를 모아 엽록소에 전달해 주는
보조색소의 역할을 하며 엽록소를 보호해 준다.
- 가을철에 초록의 엽록소가 감소하면서 수명이 더 긴 카르티노이드가 드러나기 때
문에 단풍을 볼 수 있게 된다.

 

광반응의 개요

빛-의존 반응
 엽록소로부터 온 들뜬 전자
- 전자수송사슬을 통해 전달되고, 방출된 에너지는 농도기울기를 형성하도록 양성자를 펌프한다.
- 양성자가 ATP 생성효소를 통해 확산할 때 ATP가 합성된다.
 들뜬 전자가 NADP+ 에 전달되어 NADPH 을 만든다
 물분자가 쪼개진다
- 공여된 전자를 대체하기 위해 전자가 엽록소에 공여되고 산소가 생산된다.
 틸라코이드 막에서 일어난다
- ATP 와 NADPH 가 스트로마로 이동하여 암반응에 사용된다.

 

빛-비의존 반응
 빛-의존 반응에 의해 생긴 ATP 와 NADPH
- CO2로부터 당합성에 필요한 에너지와 전자를 공급한다
 CO2 는 RuBisCO 효소에의해 포획된다
- CO2 는 리불로오스(5-탄소)와 결합하여 6개의 탄소로 된 분자를 형성한다
- 이는 곧 2개의 3-탄소 분자로 분리된다.
 NADPH 는 이 분자들을 환원하는데 사용된다.
 글리세르알데하이드-3-인산(3-탄속)이 형성된다.
- 당, 당백질, 또는 지방을 합성하는데 쓰인다.

 

광계의 빛 에너지 흡수
 빛은 파동의 특성을 가지며 광자라는 분리된 에너지 묶음으로 행동한다.
 색소분자가 광자를 흡수하면 색소의 전자가 에너지를 얻어 안정상태에서 들뜬 상
태로 올라간다.
 들뜬 상태는 매우 불안정하여 곧바로 전자의 과잉에너지를 잃고 다시 안정상태로
돌아간다.
 대부분 색소는 들뜬 전자가 다시 안정상태로 돌아갈 때 단지 열에너지만 방출한다.
 엽록체에서 분리된 엽록소를 비롯한 일부 색소는 광자를 흡수한 후 열과 함께 빛도 낸다.

광계의 빛 에너지 흡수

 빛에 의해 들뜬 엽록소는 엽록체 안에 원래대로 있을 때에는 분리되었을 때와 매
우 다르게 행동한다.
 틸라코이드 막에서 엽록소는 다른 분자들과 함께 광계를 이루고 있으며, 각 광계
는 엽록소 a와 b 그리고 카르티노이드 등 수백 개의 색소 분자가 덩어리를 이루고
있으며 이들이 빛을 모으는 안테나 역할을 수행한다.
 광자가 색소 분자를 때리면 이 에너지는 색소에서 색소로 옮겨가 최종적으로 광계
의 반응 중심에 이르게 된다.
 반응 중심에는 일차전자수용체 분자와 엽록소 a 한 분자로 이루어져 있다.
 틸라코이드 막에 있는 또 다른 분자들이 이 에너지를 받아 ATP와 NADPH를 생산
하는데 이용된다.

명반응에서 ATP와 NADPH의 생성
 명반응에서는 두 종류의 광계가 서로
협력하고 있다.
1) 광계 II (PSII); 물-분해 광계로 물에
서 전자를 추출하는 일에 빛 에너지
를 사용하며, 들뜬 전자를 전자수송
사슬에 전달하며, 주어진 전자를 대
체하기 위해 물 분자를 쪼개어 광합
성의 부산물로서 산소가 생성된다.
[광합성의 명반응]
2) NADPH-생성 광계로 빛에 의해 들뜬 전자를 NADP+로 전달하여 NADPH
를 생산하고 NADPH가 스트로마에 방출된다.
 광계 I 과 II 는 틸라코이드 막에 있으며, 두 광계를 연결하는 전자전달 사
슬에서 내놓은 에너지는 ATP를 생산하는데 사용된다.

 

 

 

 명반응에서 ATP를 생성하는 방법은 세포호흡과 매우 유사하며 두 경우 모두 전자
전달 사슬이 수소 이온(H+)을 막을 가로질러 뿜어내고 ATP 합성 효소가 H+ 농도 기
울기를 이용하여 ATP를 만들어낸다.
- 주요한 차이는 고 에너지 전자 제공 원동력이 세포호흡에서는 영양물질인데 반해
광합성에서는 햇빛이 고 에너지 전자 제공 원동력이다.
 당은 명반응에서 생성되지 않으며, 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 소비하여
캘빈회로에서 당이 생성된다.

 

 

캘빈 회로(합성반응)
- 크랩스 회로와 같이 한 번 회전할 때 마다 개시물이 생성된다.
- CO
2의 탄소와 ATP의 에너지, NADPH의 고 에너지 전자를 이용하여 캘빈회로는
에너지가 풍부한 당 분자를 만들어낸다.
- 식물세포는 G3P를 자신이 필요로 하는 포도당이나 그 밖의 유기분자를 만드는 원
재료로 이용할 수 있다.
 엽록체의 스트로마에서 일어난다.
 대기의 CO2와 빛-비의존 반응으로부터
생성된 ATP 와 NADPH, 재순환하는 리불
로오스를 사용한다.
 암반응, 캘빈회로이라고도 부른다
 캘빈회로는 엽록체 안에 있는 당-생산 공장이다.

 

캘빈 회로
 탄소 고정(카르복실화 단계)
- RuBP(ribulose 1,5-bisphosphate)
- rubisco에 의해 RuBP에 CO2를 고정한다.
 G3P 합성(환원단계)
- 3-PGA(3-phosphoglyceric acid)
- G3P(glyceraldehyde-3-phosphate, PGAL, GAP)
- ATP의 탈인산화와 NADPH의 탈수소화 반응
으로 생성된 3-PGA가 G3P로 전환된다.
 RuBP 재생단계
- G3P는 과당, 포도당 같은 탄수화물을 생산하고 RuBP를 재형성한다.

 CO2 형태로 들어간 3개의 탄소는
하나의 G3P 분자를 생성한다.
1) 3개의 CO2가 회로에 들어가서 3
분자 RuBP가 6개의 3-PGA 탄소화
합물로 전환된다.
2) 명반응에서 제공되는 ATP 에너지
와 NADPH의 환원반응에 의해 3-
PGA가 G3P로 전환된다.
3) 1분자의 G3P분자는 회로에서 빠
져나가 포도당이나 다른 유기화합
물로 만들어짐.
4) 5분자의 G3P분자는 ATP와 효소
들에 의해 재배열되어 캘빈회로의
개시물질인 3분자의 RuBP로 재생
되며 탄소 수는 15개를 유지한다.

 

글리세르알데하이드-3-인산: 인산의 사용
 글리세르알데하이드-3-인산은 많은 생체물질 합성에 쓰일 수 있다.
- 포도당 합성
- 캘빈회로의 리불로오스의 재순환
- 당, ATP, DNA, 와 RNA 합성
- 지질 합성
- 단백질 합성에 필요한 아미노산
- 해당과정에서 분해되어 Acetyl-CoA 형성

식물대사의 다른 특성
 식물세포는 다음과 같은 물질들을 만들기위해 광합성에서 생산된 유기분자들을 사
용할 수 있다
- 지방, 단백질과 다른 탄수화물
- 보호를 위한 독소
• 많은 독소는 유용한 약이다.
• 일부는 자연 살충제로 사용될 수 있다.
- 비타민
• 우리가 만들 수 없는 분자이지만 우리가 필요로 하는 분자

 

독립영양생물과 종속영양생물의 상호 관계
 독립영양생물은 빛 에너지를 사용하여 식품을 만든다.
- 독립영양생물은 세포호흡에서 만든 식품을 사용한다.
• 식물은 자기가 만든 당을 사용한다.
• 식물은 자기가 만든 산소를 사용한다.
 종속 영양생물은 독립영양생물을 먹는다.
- 세포호흡의 에너지 충전을 위해 독립영양생성물로부터 온 식품을 사용한다
- 독립영양생물에 의해 방출된 과잉의 O2을 이용한다.
 모든 생물은 호흡한다.
 생명의 주기:
- 동물은 식물로부터 당, O2, 아미노산, 지방과 비타민을 얻는다.
- 식물은 동물로부터 CO2, H2O 와 질소을 얻는다.

 

광합성과 호기성 세포호흡의 상호의존성

 

C4와 CAM 식물의 물 절약적응
 C3 식물; CO2로 가장 먼저 생성되는 유기화합물이 3탄소 화합물(3-PGA)이다.
- 가장 일반적이고 널리 분포하며 건조하면 광합성의 저하로 수확량이 감소된다.
- 건조할 때는 기공을 막아 수분 손실을 줄이지만 적은 CO2 흡수로 당 생산이 멈춘다
 C4 식물; 광합성을 멈추지 않고도 물을 보존할 수 있으며, 가장 먼저 생성되는 4탄소
유기화합물이 생성된다.
- CO2 가 부족한 환경에서도 광합성의 캔빈회로를 계속 유지할 수 있는 식물이다.
- Rubisco보다 강력한 CO2고정효소인 PEP carboxylase를 이용해 탄소고정을 계속 한
다.
 CAM 식물; 물을 보존하며 광합성을 한다.
- 잎으로 들어온 CO2는 C4 식물과 마찬가지로 4-탄소 화합물로 전환되는데, 밤 동안
CO2로 C4를 저장했다가 낮에 캘빈회로로 전달한다.
- 낮에 기공을 닫더라도 광합성이 가능해진다.

 

C3식물에서 C4와 CAM 식물로 진화

 rubisco는 건조한 낮에 수분 손실을 막기위해 기공을 닫으면 잎 내에 산소농도가
높아져서 빛에 의한 산소소모(광호흡)가 일어난다.
 광호흡은 캘빈회로에 비해 PGAL생성량이 적고 에너지소모가 많다.
 최초의 식물이 출현할 당시 대기의 상태는 산소가 희박하여 rubisco의 기능은 이
산화탄소 고정으로 한정되었지만, 점차 대기 중의 산소농도가 높아지면서 rubisco
의 기능인 광호흡(O2에 의한 탄소소모)이 나타난 것으로 예상된다.
 rubisco에 의한 광호흡을 막기 위해 새로운 대사과정을 추가하고 식물체 내부구조
를 변형시켜 C3식물에서 C4식물, CAM 식물이 진화과정에서 등장한 것으로 보고
있다.

광합성이 환경에 미치는 영향
 광합성의 장점
1.광합성은 종속영양생물이 유기물질을 에너지원으로 흡수할 수 있도록 한다.
2.광합성은 유기물질을 생산하면서, 또한 CO2를 O2와 교환함으로써 대기에 큰영
향을 끼치고 있다.
3.O2는 모든 생명체의 세포호흡을 가능하게 한다.
4.식물에 의한 기체교환은 지구의 기온을 따뜻하게 유지하는 데 도움이 된다.
 지구 온난화에 대한 광합성의 영향
- CO
2에 의해 따뜻해지는 것을 온실효과라 하는데, 과다한 화석연료의 사용으로
온실효과 기체의 증가는 지구 온난화의 주요 원인으로 보고 있다.
- 거대한 나무가 CO2를 제거할 수 있으나 어린 묘목은 그 크기와 무게에 비해 거대
한 나무 보다 광합성 효과가 크기 때문에 거대 나무를 벌목하고 어린 묘목을 심는
것이 필요하다고 주장하기도 한다.
- 수 년 내에 거대 나무의 벌목은 결국 대기로 돌아갈 새로운 CO2를 만들어내는 과정이 된다.