광합성은 빛 에너지를 설탕에 저장된 화학 에너지로 전환하는 생물학적 과정입니다. 내셔널 지오그래픽 교육에 따르면, 식물은 햇빛, 물, 이산화탄소를 사용하여 산소와 설탕 형태의 에너지를 생성합니다. 이산화탄소와 물을 흡수하고 산소를 방출하면서 포도당 분자에 에너지를 저장합니다.
어디서 일어나는가: 엽록체 내부
내셔널 지오그래픽 교육에 따르면, 이 과정은 식물 세포와 조류 세포에서 발견되는 소기관인 엽록체 내에서 일어납니다. bio.libretexts.org의 생물학 참고자료에 따르면, 엽록체는 두 가지 핵심 영역을 포함합니다. 광에 의존하는 반응이 일어나는 타일라코이드 막과 캘빈 회로의 광에 독립적인 반응이 일어나는 유동 공간인 스트로마입니다.
타일라코이드 막에 들어있는 녹색 색소인 엽록소는 주로 파란색과 빨간색 빛 파장에서 에너지를 흡수하고 녹색 빛을 반사합니다. 이것이 대부분의 잎이 녹색으로 보이는 이유입니다. 내셔널 지오그래픽 교육이 지적합니다.
단계 1: 광에 의존하는 반응
bio.libretexts.org에 따르면, 타일라코이드 막에서, 광계 II라는 구조의 엽록소에 의해 흡수된 빛 에너지는 물 분자를 분할하는 데 사용됩니다. 그 분할은 2개의 전자, 2개의 수소 원자, 1개의 산소 원자를 방출합니다. 산소는 부산물로 방출되며, 이것은 식물이 방출하는 산소의 공급원입니다.
해방된 전자는 광계 II에서 전자 수송 사슬을 통해 세토크롬 b6f라고 불리는 복합체를 거쳐 광계 I로 이동합니다. 이동하는 동안 에너지를 잃고 광계 I에서 흡수된 빛에 의해 재에너지화됩니다. bio.libretexts.org에 따르면. 전자가 세토크롬 b6f를 통해 이동할 때, 수소 이온은 타일라코이드 막을 가로질러 펌프되어 농도 기울기를 형성합니다. 이 기울기는 화학 삼투를 구동하며, ATP 신타제는 인산염 기를 ADP에 추가하여 ATP를 형성합니다. 광계 I에서, 고에너지 전자는 궁극적으로 NADP+를 NADPH로 변환하는 데 사용됩니다.
bio.libretexts.org에 의해 요약된, 이 단계의 순 결과는 반응식입니다: 2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP. 여기서 생성된 ATP와 NADPH는 화학 에너지를 두 번째 단계로 운반합니다.
단계 2: 캘빈 회로
bio.libretexts.org에 따르면, 캘빈 회로는 스트로마에서 일어나며 직접적으로 빛을 필요로 하지 않습니다. 3개의 단계로 실행됩니다. 첫째, 탄소 고정에서, RuBisCO라는 효소가 이산화탄소와 RuBP라고 불리는 5탄소 분자를 결합하여 고정된 각 CO2에 대해 3-포스포글리세르산(3-PGA)의 2개 분자를 생성합니다.
둘째, 감소 단계에서, 광에 의존하는 반응 중에 만들어진 ATP와 NADPH가 3-PGA를 글리세르알데히드 3-인산(G3P)으로 변환합니다. G3P는 식물이 포도당과 다른 탄수화물을 만드는 데 사용하는 구성 요소입니다. 셋째, 재생에서, 생성된 G3P의 대부분이 RuBP를 재구성하는 데 사용됩니다. 회로가 계속될 수 있도록 추가 ATP를 사용하여. bio.libretexts.org에 따르면.
G3P 1분자를 생성하려면 회로의 3회전이 필요하며, CO2 3개 분자, ATP 9개 분자, NADPH 6개 분자를 소비합니다. 포도당 1분자를 구축하려면 회로의 6회전이 필요합니다. bio.libretexts.org에 따르면.
왜 광합성이 식물을 넘어 중요한가
내셔널 지오그래픽 교육에 따르면, 지구상의 대부분의 생명은 광합성에 의존합니다. 초식동물은 식물을 먹음으로써 에너지를 얻고, 육식동물은 초식동물을 먹음으로써 간접적으로 에너지를 얻습니다. 광합성은 대부분의 먹이 사슬로의 진입점입니다. 이 과정은 또한 대기 산소의 주요 공급원입니다.
지구의 산소 공급에 중요한 것은 육지 식물만이 아닙니다. NOAA의 국립 해양청에 따르면, 지구 산소의 약 절반은 해양에서 발생하며, 표류하는 식물, 조류, 광합성이 가능한 일부 박테리아인 식물 플랑크톤에 의해 생성됩니다. NOAA는 지구상에서 가장 작은 광합성 유기체로 설명된 프로클로로코쿠스를 강조하며, 이 종만이 전체 생물권의 산소의 최대 20%를 생성하여 모든 열대 우림을 합친 것보다 많이 생성합니다.
NOAA는 또한 중요한 경고를 지적합니다. 해양에서 광합성에 의해 생성되는 산소는 호흡과 분해를 통해 해양 생명에 의해 소비되는 산소와 대략 같은 양이므로, 해양은 대기에 대한 순 이득보다는 균형 잡힌 산소 사이클로 기능합니다.
2개 단계 한눈에 보기
광에 의존하는 반응 대 캘빈 회로| 특징 | 광에 의존하는 반응 | 캘빈 회로 |
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| 엽록체의 위치 | 타일라코이드 막 | 스트로마 |
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| 직접 빛이 필요한가? | 예 | 아니오 |
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| 주요 입력 | 빛, 물(H2O) | CO2, ATP, NADPH |
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| 주요 출력 | ATP, NADPH, O2 | G3P(포도당의 구성 요소), ADP, NADP+ |
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| 핵심 분자/효소 | 엽록소, 광계 I & II | RuBisCO |
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