식물의 물질대사

엽록체의 구조

2중막으로 둘러싸여 있고, 그 안에 얇은 막이 여러 층으로 포개져 있는 막상구조를 이루고 있다. 엽록체 속에는 엽록소가 들어 있어 녹색을 띠는데, 엽록소는 엽록체 속에 골고루 퍼져 있지 않고 틸라코이드라는 막구조물에 자리잡고 있다. 틸라코이드는 촘촘히 쌓여 기둥 모양의 그라나를 이루고 있다. 엽록체에서 그라나와 틸라코이드를 둘러싸고 있는 기질을 스트로마라고 하는데, 스트로마에는 광합성에 관련된 여러가지 효소들이 들어 있으며 엽록소가 없고 무색이다.

광합성에 영향을 미치는 요인

• 빛의 세기

  온도와 CO2의 농도가 일정할 때 빛의 세기에 따른 광합성량의 변화를 보면 빛의 세기가 증가함에 따라 광합성량도 어느 한계까지는 증가한다. 이 때 광합성량이 더 이상 증가하지 않는 빛의 세기를 광포화점이라고 한다.

  빛의 세기가 광포화점에 이르렀을 때 온도를 증가시키면 광합성량은 다시 증가한다. 즉. 빛의 세기가 약할 때는 빛의 세기에 따라 광합성량이 증가하고, 빛의 세기가 어느 정도 강해지면 광합성량이 증가하고, 빛의 세기가 어느 정도 강해지면 광합성량은 온도가 올라감에 따라 증가한다. 이처럼 광합성에 영향을 주는 여러 가지 환경요인 중 광합성량을 제한하는 환경요인을 한정 요인이라 한다.

• CO2 농도

  온도와 빛의 세기가 일정하고 CO2의 농도를 변화시키면 빛이 약한 경우에는 대기중의 CO2 농도인 0.03%정도에서 광합성 속도가 바로 포화에 도달하지만, 빛이 강할 때에는 CO2 농도가 증가함에 따라 광합성 속도가 증가한다. 그러나 CO2의 농도가 증가함에 따라 광합성 속도가 증가한다. 그러나, CO2의 농도가 어느 한계에 도달하면 광합성 속도는 더 이상 증가하지 않는다.

• 온도

  빛이 강할 때 온도가 35℃까지 10℃씩 올라갈 때마다 광합성 속도가 2배씩 올가지만, 그 이상의 온도가 되면 광합성 속도가 급격히 떨어진다.

명반응이란?

빛이 없으면 CO2가 있어도 광합성이 일어나지 않지만 빛을 먼저 쬐어 준 다음 CO2를 공급하면 빛이 없어도 잠시 동안 광합성이 일어난다. 이러한 사실을 통해 광합성은 명반응이 일어난 후에 암반응이 일어난 다는 것을 알 수 있다. 또한 CO2는 암반응에서만 필요한 물질임을 짐작할 수 있다. 명반응이 계속 일어나지 않으면 암반응도 지속되지 못하는 것은 명반응에서 빛에 의해 생긴 어떤 물질이 암반응에 공급되어야 암반응이 진행된다고 볼 수 있다.

순환적 광인산화와 비순환적 광인산화

틸라코이드 막에는 엽록소가 여러 가지 보조 색소 및 전자 수용체와 함께 빛에너지를 흡수하는 특수한 단위체를 이루고 있는데 이를 광계라고 한다. 광계는 광계I과 광계II의 두 종류가 있다. 광계I은 파장 700nm인 빛을 잘 흡수 할는 P700이라는 엽록소a가 중김이고, 광계II는 파장 680nm인 빛을 잘 흡수하는 P680이라는 엽록소a가 중심이다. 광계에 존재하는 나머지 색소들은 대부분 빛 에너지를 반응 중심색소로 전달하는 안테나 역할을 한다.

틸라코이드 막에서 이루어지는 명반응은 순환적 광인산화 반응과 비순환적 광인산화 반응으로 구분되는데 순환적 광인산화 반응은 광계I만 이용하여 ATP를 생성하고, 비순환적 광인산화 반응은 광계I과 광계II를 모두 사용하여 ATP와 NADPH2를 생성한다.

순환적 광인산화 반응에서는 빛을 받은 광계I의 P700으로부터 고에너지 전자가 방출되어 전자전달계를 거친후 다시 P700으로 돌아온다. 비순환적 광인산화 반응에서는 광계I의 P700으로부터 방출된 고에너지 전자가 NADP에 수용되고 P700은 광계II의 P680으로부터 전자를 보충받는다. 빛을 흡수한 P680으로부터 방출된 고에너지 전자는 전자전달계를 거쳐 ATP를 생성하고 에너지를 잃은 전자는 P700의 전자를 보충한다. 결과를 전자를 잃은 P680은 물분자로부터 전자를 얻어 전자를 보충한다. 즉, 물이 수소이온(H+)과 산소원자로 광분해되고 그 결과 방출된 전자가 P680에 공급된다. 수소이온은 NADP로 전달되어 NADPH2형성에 사용되고 산소원자는 산소기체(O2)가 되어 방출된다.

암반응

명반응이 엽록체라고 하는 포도당 공장에 에너지를 공급하는 과정이라면 암반응은 이 공장에서 CO2를 원료로 포도당을 생산하는 과정이다.칼빈은 암반응 경로를 추적하여 칼빈회로를 밝혀냈다.

칼빈회로의 발견

미국의 칼빈과 그의 동료들은 클로렐라에 방사성 동위원소로 표지된 14CO2를 공급하고 빛을 쪼여 주는 시간을 늘려가면서 클로렐라의 추출액을 분석하는 방법을 통해 14C의 전환과정을 추적하였다. 칼빈회로는 CO2를 고정하는 반응으로 명반응에서 만들어진 NADPH2와 ATP를 이용하여 CO2를 환원시켜 포도당을 만드는 과정이다. 이 반응은 엽록체의 스트로마에서 일어나고, 많은 효소들이 반응을 촉매하므로 온도의 영향을 받는다.

광합성이 진행된 시간에 따라 식물에서 생성된 물질을 조사하면 CO2가 어떤 물질을 거쳐 포도당으로 합성되는지 칼빈회로의 경로를 알 수 있다. 그 결과 밝혀진 칼빈 회로의 첫 번° 반응은 이산화탄소가 리불로오스이인산(RuBP)과 결합하여 인글리세르산(PGA)이 되는 과정이다. 따라서 암반응에서 최초로 생성되는 물질은 PGA라고 할 수 있다.

두 번째 반응은 PGA가 이인글리세르산(DPGA)이 되는 과정이며 이 단계에서 ATP가 이용된다. 세 번째 반응은 DPGA가 인글리세르알데히드(PGAL)가 되는 반응이며, 이 단계에서는 NADPH2가 이용된다. ATP와 NADPH2는 모두 명반응을 통해 공급된 것이다.

PGAL의 일부는 포도당 또는 다른 유기물을 생성하고, 일부는 여러 단계를 거치면서 RuBP로 재생된다. 재생된 RuBP는 다시 CO2와 결합하는 반응을 반복하게 된다.

칼빈회로에 들어간 6분자의 CO2는 1분자의 포도당(C6H12O6)으로 고정된다. 탄소 수는 각 단계에 따라 증가하였다가 포도당으로 합성되는 단계에서 감소하여 회로 전체의 탄소 수를 일정하게 유지한다.

호흡

사람, 나무와 같은 다세포 생물에서부터 육안으로 볼 수 없는 미생물까지 지구상의 다양한 생물의 공통적인 특¡은 살아가는 데 에너지를 필요로 한다는 것이다. 생물은 이 에너지를 식물이 광합성으로 만든 유기물로부터 얻는다. 생물은 섭취한 유기물을 세포호흡을 통해 분해함으로써 유기물에 저장되어 있는 에너지를 방출하여 이용한다.