광합성(photosynthesis)

1. 광합성이란 : 식물의 광합성은 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 태양에너지를 이용하여 탄수화물로 합성하는 물질대사이다.

빛

6CO2  +  6H2O  →   C6H12O6  +  6O2

2. 광합성의 기관의 구조와 조성

광합성 관련 색소

① 엽록소 : 고등식물에는 엽록소 a와 b가 주된 색소

② 카르티노이드계 색소

• 광에너지를 흡수하여 엽록소a에 전이하는 역할 - 안테나 색소체

• 엽록소의 광산화를 방지하는 역할 - 강한 빛에서는 광합성이 활발히         일어나 산소가 과도하게 발생하므로 엽록소가 산화되어 파괴될 수          있는데 카로티노이드는 빛을 분산시켜 엽록소를 보호한다.

* 광합성에 직접 이용되는 태양광선은 파장 380~750nm 사이의 가시광선

-  광합성에 가장효과적인 광은 적색과 청색광이라 할 수 있다.

3. 광합성과정 요약

4. 광합성의 명반응

명반응은 광조건에서 일어나는 반응으로 엽록체 안에서 엽록소를 간직하고 있는 그라나의 틸라코이드막에서 일어난다. 물의 광분해로 O₂, H⁺,  2e⁻가 방출되며, O₂는 기공을 통해 방출되고, 2e⁻는 엽록소에 보충된다. 반응중심엽록소에서 들떠 방출된 전자는 전자전달계를 거치면서 ATP를 생산하고, 전자는 최종적으로 NADP에 포착되어 물에서 유래한 수소 이온과 결합하여 NADPH를 생산한다.

* 광계 : 색소복합체의 안테나복합체와 반응중심(엽록소a)을 합쳐 광계라 하며 광계Ⅰ(P700), 광계Ⅱ(P680)가 있다.

* 광합성의 전자전달계 (Z 모형)

5. 광합성의 암반응

암반응은 스트로마에서 일어난다. 이 스트로마는 광과는 관계없이 명반응에서 생성된 ATP, NADPH를 이용하여 CO2를 당으로 고정하는 과정으로 캘빈회로(Calvin cycle)라고 부른다.

① 탄소 고정단계 : CO2가 5탄당인 RuBP와 반응하여 3-PGA로 고정.

탄소고정의 첫산물이 3탄소의 PGA이므로 이 대사경로를 C₃경로라 한다.

* Rubisco(Ribulose bisphospate carboxylase-oxygenase)가 효소로          작용함. 이 효소는 CO2와 결합하는 carboxylase작용을 갖는 동시에

O₂와 결합하는 oxygenase 작용도 갖는다.

② G3P 합성 : 3-PGA는 NADPH, ATP를 사용하여 환원됨으로써 G3P가 되며 이것이 최초의 광합성산물이다. G3P는 포도당, 설탕, 전분, 아미노산등 유기화합물 합성의 출발물질이 된다.

③ RuBP 재생 : G3P는 여러단계를 거치면서 최종적으로 RuBP를 재생  산하여 하나의 순환적 회로를 완성한다.

6. 광합성산물

설탕 (disaccharide) -광합성의 산물로 세포질에서 합성, 가용성이며, 체관을 통해 비광합성 부위로 수송

전분 (polysaccharide) -저장 다당류로 엽록체에서 합성, 불용성으로 저  장, 축적됨

7. 광호흡(photorespiration)

날씨가 덥고 건조할 때 식물은 수분손실을 줄이기 위해 기공을 닫는다. 그 결과 잎 안에 이산화탄소농도는 낮아지고 명반응에서 발생한 산소의 농도가 높아지며, 이때 rubisco효소가 이산화탄소보다 산소와 결합하게 되어 PG(phosphoglycolate)를 생성하여 퍼옥시솜과 미토콘드리아를 거쳐 1분자의 CO2와 PGA가 되어 캘빈회로로 들어가게 된다. 광호흡은 당이 합성되지 않고 ATP를 생성하지도 않아 광합성효율이 떨어져 탄소고정량이 감소한다.

8. C₄광합성회로(Hatch-Slack 회로)

덥고 건조한 지역에 자라는 열대성초본식물들은 C₄광합성을 하는데 최초의 광합성 산물이 4개의 탄소로된 OAA이므로 C₄식물이라 한다.

C₄광합성은 CO2가 엽육세포에 들어가서 PEP와 반응하여 OAA가 되고 다시 말산으로 전환된 다음 유관속초세포로 이동한다. 유관속초세포의 세포질에서 말산은 CO2와 피루브산으로 분해되고 CO2는 엽록체에 들어가서 캘빈회로에 참여한다. C₄광합성이 이루어질 때 유관속초세포의 CO2농도는 높게 유지되어 광호흡이 거의 이루어지지 않고 CO2고정 능력이 높아 광합성능률이 높다.  C₄식물은 옥수수, 수수, 기장, 사탕수수 등.

9. CAM(Crassulacean acid metabolism)

사막과 같은 건조한 지역에 서식하는 식물은 수분손실을 막기 위해 낮에 기공을 닫고 밤에 기공을 열어 대기중의 CO2를 받아들여 OAA로 고정한 다음 말산으로 전환시켜 액포에 저장된다. 액포에 축적된 말산은 햇빛이 비치면서 액포밖으로 나와 CO2와 피루브산으로 분해되어 CO2는 엽록체에서 캘빈회로에 참여하여 당으로 고정된다. 이러한 광합성을 하는 식물을 CAM식물이라 한다. 예로는 산세베리아, 돌나물, 칼랑코에 등이 있다.

10.  C3식물, C4식물 그리고 CAM식물의 광합성 특성

구 분	C3	C4	CAM식물
잎의 내부구조 및 해부 형태 Carboxylase CO2 : ATP: NAPDH 증 산 율 엽록소 a/b율 Na+요구도 CO2보상점(ppm) 광 호 흡 광합성 적정온도 건물생산량(ton/ha/년)	유관속초세포 또는 그 안에 엽록체가 없다 RuBP 1:3:2 450~950 2.8±0.4 없음 30~70 있음 15~25℃ 22±0.3	유관속초세포 또는 그 안에 엽록체가 있다 PEP, RuBP 1:5:2 250~350 3.9±0.6 있음 0~10 유관속초세포만 있음 30~47℃ 39±17	책상조직이 없고, 큰 액포가 발달한다. PEP, RuBP 1:6.5:2 18~125 2.5~3.0 있음 0~5(암소) 정오 후에 측정 ≃35℃ 낮고 변이가 큼

11. 광합성과 환경

1) 빛

.1일 생물권에 도달량: 100-800 cal/cm2/day (1.3 kW/m2)

.5% 정도가 잎에서 탄수화물을 합성하는데 이용.

빛의 증가 -> 광합성의 증가 -> 포화광

.CO2 순교환량이 0일 때 빛의 세기 -> 광보상점

.음지 -> 엽록소 ↑, 엽록소 a/b의 비가 양지보다 높고, 잎이 얇음

양지 -> 가용성 단백질과 rubisco의 농도 ↑

2) 이산화탄소

.이산화탄소 증가 -> 광합성의 증가

.광합성에 의한 이산화탄소 고정이 호흡에 의한 상실과 균형

-> 이때의 이산화탄소의 농도 -> CO2 보상점

.C4식물 - CO2 보상점이 낮다

C3식물 - CO2 보상점이 높다

3) 온도

.남극의 지의류-> 0℃에서 최적, -18℃에서 광합성 가능

.건조지대 -> 50℃, 온천의 조류 80℃에서 가능

.온도가 증가하면 rubisco의 활성을 증가하나 이산화탄소에 대한 친화도의 감소