제 22장. 광합성1994. 5. 24

제 22장. 광합성

1. 빛의 기본적 특성

빛이란 전자기적 방사(electromagnetic radiation)의 한 형태로서 넓은 범위의 파장(에너지와 빈도)으로 구성되어 있다. 두 극단적인 파장이 radio wave(10^-1 m)와 감마선(10^-11 m)이다. 전자기방사는 서로 직각방향의 자기(magnetic)와 전기(electric)의 파장으로 구성된 파장운동의 형태로 간주된다.

Energy of a photon: Ε=hν

1 mole of photon = Einstein (Ε) = N_ε= Nhν = Nh(v/λ)

2. 빛은 분자를 들뜬 상태로 만들며 들뜬(excited) 상태의 분자가 바닥(ground) 상태로 되돌아가면서 에너지를 방출한다. 이때 에너지를 방출하는데는 여러가지 방법이 있다.

(1) 형광 (fluorescence)과 열

(2) 열

(3) 공명에너지 전달: antenna complex 간의 에너지 전달에서 진행

(4) 전자의 전달

3. 빛은 전자전달 반응을 야기시킨다.

여기상태는 chlorophyll이나 bacteriochlorophyll 분자로 하여금 전자를 방출하게 한다. 따라서 chlorophyll 분자는 산화되면서 다른 분자를 환원시킨다. 생성된 산화상태의 chlorophyll은 비교적 강한 산화제로서 제3의 분자로 부터 전자를 빼았을 수 있게된다.

4. 광합성

지표상의 식물체(2/3)과 바다의 미생물(주로 cyanobacteria, 1/3)이 매년 10¹⁰ 톤의 탄소를 축적한다.

일반적인 반응은 CO₂ + 2H₂O → (CH₂O) + O₂ + H₂O

Van Niel은 산소의 근원은 물이라는 사실을 green sulfur bacteria를 사용하여 증명하였다.

이 박테리아에서 관찰된 것은, CO₂ + 2H₂S → (CH₂O) + 2S + H₂O

방사능동위원소를 사용하면, CO₂ + 2H₂¹⁸O → (CH₂O) + ¹⁸O₂ + H₂O

광합성 기구

엽록체의 구조: Thylakoid membrane들은 energy-transducing machinery를 가지고 있다. Stroma는 NADPH, ATP를 이용하여 이산화탄소를 당으로 전환시키는 soluble enzyme 을 포함하고 있다.

광합성 단위

1932년 Robert Emerson과 William Arnold는 빛의 강도와 빛을 쪼여주는 시간간격에 대한 광합성속도를 조사하였다. 그 결과 빛의 강도와 시간간격에 따라 광합성 속도가 증가하긴 하지만 일정 수준에서 더 이상의 증가는 없다는 사실을 발견하였다. 빛의 강도에 관한 실험에서는 명반응과 암반응의 존재를 구분하였고, 시간간격에 관한 실험에서는 산화와 환원 상태로의 전환에 필요한 시간이 있음을 제사하였다.

이 결과를 놓고 Hans Gaffran은 빛이 수백개의 엽록소에 의해 흡수되어 그 활성화에너지는 화학반응이 일어나는 곳으로 전달된다고 제안하였다. 즉, 광합성 단위는 antenna system과 reaction center로 구분된다. Antenna system에서는 2500개 정도의 엽록소들이 빛을 수용하고, 이 에너지는 광반응중심 (reaction center)로 전달된다. 이 에너지 전달은 resonance energy transfer로 설명된다.

1939년 Robert Hill은 광합성 기작을 규명하는데 지표가 되는 중요한 발견을 하였다. 그는 분리된 엽록체가 빛을 쬐어주었을 때 3가 철이온을 2가 철이온으로 환원시킨다는 것을 발견하였다.

2H₂O + 4 Fe³⁺ → O₂ + 4H⁺ + 4Fe²⁺

이것은 광합성이 광반응과 암반응으로 분리될 수 있다는 것을 보여준 것으로, 광반응은 NADPH와 ATP의 생성에 관여하고, 암반응은 이산화탄소의 고정에 관여한다는 것이다. 또한 산소가 물분자로부터 발생한다는 것도 보여준다. 마지막으로 광합성의 초기 사건은 하나의 기질로부터 전자가 빛에 의해 활성화되어 화학적 전위를 거슬러 전달된다고 하는 것이다.

두 개의 광반응

처음에는 광효율 (산소발생)이 파장과는 무관할 것으로 기대되었었다. 그러나 680 nm보다 긴 파장에서 광효율이 급격히 감소하고, 600 nm와 700 nm 파장의 빛을 동시에 주면 따로따로 주었을 때의 합보다 광효율이 증가한다는 것이 관찰되었다. 이러한 현상은 red drop and enhancement phenomenon이라 불린다. 이에 대한 해석은 두 개의 광반응이 필요한다는 것으로 하나는 700 nm의 빛을 이용하고, 다른 하나는 680 nm 이하의 빛을 이용한다는 것이다.

Duysens는 이를 발전시켜 광화학계 I과 II를 제안하였다. 광화학계 I (PSI)은 좀더 긴 파장의 빛을 흡수하는 엽록소들에 의존하되 산소발생에는 관여하지 않고, 광화학계 II (PSII)는 산소발생 기능을 하며 좀더 짧은 파장의 빛을 필요로 한다는 것이다.

그 후 정확한 분광광도 측정을 통해 PSI에는 P700이, PSII에는 P680이 반응중심을 구성하고 있다는 사실이 밝혀지게 되었다. P700과 P680은 특별한 단백질 복합체 내에 존재하는 엽록소 a의 이량체들이다.

엽록체의 막에는 엽록소-단백질 복합체들이 존재하며, 이들은 광수확복합체 (LHC), PSI 복합체, PSII 복합체로서의 역할을 가진다. 이들은 엽록소 a와 b의 상대적인 조성, β-carotine과 같은 보조색소의 존재, 단백질 구성을 달리한다.

광합성 전자이동의 Z 모식도

PSI과 PSII의 전자전달계를 통한 전자전달 경로는 문자 Z와 유사한 모양을 형성하며 물로부터 NADP⁺까지의 단계적인 전자이동을 중계한다.

Mn 복합체: 망간을 함유하는 산소발생 복합체

D: Mn 복합체로부터의 전자받개로서 직접 P680⁺에 전자를 제공한다.

Pheo: pheophytin으로 엽록소 a와 유사하다. 다만 중심에 Mg²⁺ 대신 2H⁺가 자리잡고 있다.

Q_A와 Q_B: 특수한 plastoquinone 분자이다.

PQ: plastoquinone pool을 나타낸다.

PC: 구리원자를 포함하는 plastocyanin 단백질로서 P700⁺에 전자를 제공한다.

Fd: 수용성 ferredoxin으로서 페레독신-NADP⁺ 환원효소인 플라보단백질 Fp에 전자를 제공한다.

(Cyt b6)n, (Cyt b6)p: 순환적 광인산화 동안에 F_A/F_B로부터 P700⁺로 전자를 되돌려 이동시키는 기능을 하는 Cyt b6 부분을 가리킨다.

산소발생

어두운 곳에 방치하였다가 분리된 엽록체에 짧은 섬광을 쬐이면 산소발생은 세 번째에서 최고점에 도달하고, 그 후 매 네 번째마다 정점을 나타낸다. 이러한 결과는 P680 반응중심 복합체가 다섯 개의 상이한 산화단계 (S₀-S₄)를 통하여 순환함을 의미한다. 각 단계에서 하나의 전자가 방출되고, S4에 도달하면 하나의 산소분자가 방출되면서 S₀로 되돌아간다.

전자전달

물로부터 PSII: 물로부터 Mn 복합체를 통한 P680+로의 전자전달은 D라고 명명된 특수한 단백질의 tyrosine 잔기를 통해 이루어진다. D의 산화된 형태는 tyrosyl radical인 D·⁺이다. 빛에너지에 의해 활성화된 P680^*으로부터 P680⁺가 생기면서 pheophytin을 환원시킨다. 이것은 다시 막유동성을 가진 plastoquinone를 환원시켜 cyt b6/cyt f complex에 전자를 전달케 한다. Plastoquinone은 hydroquinone으로의 산화환원과정에 두 개의 양성자를 전달할 수 있도록 한다.

Cyt b6/cyt f complex: 이것은 두 개의 헴을 함유하는 전자전달단백질을 포함하는 것으로 PSII으로부터 PSI으로의 전달전달을 중개한다. 시토크롬 f는 c-type의 시토크롬으로 553 nm에서 알파밴드를 가지고 +0.365 V의 환원전위를 가진다. 시토크롬 b6는 559 nm의 알파밴드와 -0.06 V의 환원전위를 가지는 것으로 Z 경로보다는 cyclic 경로에 관여하는 것으로 추정되고 있다.

Cyt b6/cyt f complex로부터 PSI: PC가 전자전달자로서 막의 내외에서 신속한 확산에 의한 이동을 수행한다. 이것은 분자량 10.4 kD의 구리단백질로서 Cu⁺와 Cu²⁺ 사이의 산화환원을 통해 전자전달에 관여한다. PSI의 특수한 엽록소 a의 이량체인 P700은 빛에 의해 활성화되어 전자를 아직까지 확인되지 않은 특수한 엽록소 a (A₀)에 전달한다. 전자를 주고 난 P700⁺는 PC로부터 전자를 얻는다. A₀는 다시 전자를 특수한 퀴논 A₁에 전달하고 이것은 다시 막에 결합된 일련의 ferredoxin들에 전자를 전달한다. 전자는 이들 막결합된 Fd를 거쳐 수용성의 Fd_s에 전달되고, 최종적으로 NADP+의 환원을 촉매하는 플라보단백질 Fp에 전달된다.

***P680에서 Q, 그리고 P700에서 Fd로의 전자전달은 pico-micro sec 범위의 빠른 속도로 진행된다. 이것은 인접한 이들 분자들 간에 일어날 수 있는 재결합을 방지하기 위한 것이다.

5. 광합성의 양자수율

광합성의 양자수율이란 흡수된 양자당 고정된 이산화탄소나 방출된 산소의 비율로 표현된다.

각각의 반응중심에서 하나의 광자는 하나의 전자를 생성한다. 그리고 틸라코이드 소낭으로 이동되는 H⁺의 경우도 하나의 광자당 하나씩이 이동된다. 광반응중심마다 두 개의 광자는 한 쌍의 전자를 물로부터 NADP⁺로 이동시키면서 하나의 NADPH와 1/2의 산소를 발생시킬 것이다. 3개의 양성자당 하나의 ATP가 생성된다면 1과 1/3의 ATP가 생길 것이다 (왜냐하면 2개의 전자전달과정에서 들어오는 2개의 양성자와 물분자에서 방출되는 두 개의 양성자를 포함하여 도합 4개의 양성자). 결과적으로 중심당 4개의 광자 (모두 8 광자)가 하나의 산소, 2분자의 NADPH, 2와 2/3의 ATP를 생성할 것이다.

6. 순환적 광인산화 반응

암반응에서는 한 분자의 이산화탄소를 (CH₂O)로 고정시키는데 2분자의 NADPH와 3분자의 ATP가 필요하다. 이러한 조건에서는 명반응과 암반응 사이의 불균형이 야기되기 때문에 이때는 NADPH의 생성이 없이 ATP만 합성되는 반응이 일어나게 된다. 이것이 순환적 광인산화 반응이다. 이 과정에서 전자는 PSI의 F_B로부터 시토크롬을 매개로 하여 시토크롬 b6/f complex로 돌려져 전자는 계속적으로 순환된다. 이때는 양성자의 유입은 계속되기 때문에 ATP의 합성 만이 일어난다 (교과서에는 양성자의 방출이 전자가 PQ에서 시토크롬 b6/f complex로 전달되는 과정에 일어나는 것으로만 단순하게 표시되어 있다. 실제로는 순환경로에서 전자가 시토크롬 b6/f complex로 바로 전달되면서 PQ와 연관된 Q 회로에 의한 전자전달이 일어난다. 앞서 전자전달계의 Q 회로를 상기하라. 이 과정에서 양성자의 방출이 일어난다). 그리고 PSII는 개입되지 않으므로 산소는 발생하지 않는다.

7. CO₂ 고정

¹⁴CO₂ 방사능 동위원소를 사용한 실험에서 가장 먼저 표지되는 생성물은 3-phosphoglycerate로 밝혀졌다. 이것은 CO₂ 수용체가 2-탄소 화합물 임을 제시하게 하였으나, 그 후 연구된 결과 사실은 하나의 5탄당 화합물 (ribulose-1,5-bisphosphate, RuBP)에 CO₂가 첨가됨을 알게 되었다. 이 반응을 촉매하는 효소는 ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco)로서 엽록체 스트로마에 존재하는 단백질의 15% 이상을 차지하고 있다. 이 효소는 α8β8의 다량체로서 550 kD의 분자량을 가진다 (α는 55 kD, β는 15 kD). α는 촉매단위이고, β는 조절단위로서 kcat를 100 배 이상 증가시킨다.

이 효소는 특이하게 이산화탄소와 산소를 선택적으로 촉매한다. 이산화탄소에 대한 Km 값은 10-20 uM이고, 산소에 대해서는 200 uM이다. 생체내에서 두가지 효소작용의 비는 3-4:1 정도이다. 따라서 이산화탄소의 농도가 낮아지면 산소가 이용되는 경우가 광호흡으로 RuBP는 소모적으로 분해된다.

C4 cycle

열대지역에서는 높은 온도 때문에 물의 방출을 막기 위해 기공을 닫는 일이 일어난다. 광합성의 결과로 산소는 증가하고 기공은 닫혀 이산화탄소와 산소의 교환이 일어나지 않으면 결과적으로 세포내의 산소농도는 증가하고 이산화탄소 농도는 감소한다. 따라서 이 문제를 해결할 수 있는 방법은 Rubisco가 oxygenase로서의 활성을 낮추는 방법이 있는데 실질적으로는 거의 차이가 없는 것으로 알려져 있다. 이 방법의 대안으로 사용되고 있는 것이 C4 cycle로서 열대식물들은 잎의 표면에 특수한 형태의 mesophyll 세포를 가지고 이산화탄소를 공급해주는 일을 하고 있다. C4 cycle에서는 이산화탄소의 전달과 함께 NADPH의 전달도 이루어진다. 또 한가지 특이한 점은 pyruvate가 phosphoenolpyruvate로 전환되는데 pyruvate phosphate dikinase라는 효소가 관여하여 oxaloacetate를 거치지 않고 직접 phosphoenol pyruvate로의 전환이 일어난다는 것이다.