[생화학] 19.1 : 광합성(photosynthesis) - 1

 

 

 

이번 포스트부터는 광합성(photosynthesis)에 대해 알아보자.

 

 

 

photosynthesis, 그 중에서도 photophosphorylation을 통해서는 light energy가 chemical energy로 change되며, 이 때 생성된 energy는 CO2의 carbon fixation을 위해 쓰임.

 

 

 

 

 

위 그림은 photophosphorylation, 그리고 dark cycle(Calvin cycle)의 모식도임. 보면 water가 electron의 source로 작용하며, 물에 의해 water가 O2로 바뀌는 과정에서 전자가 튀어나옴. 이 전자는 electron transfer에 의해 결과적으로 NADP+로 전달되어 NADPH가 생성될 수 있음. 한편, 이 과정에서 proton gradient도 형성되고, 결과적으로 ATP도 생산됨. 이렇게 생산된 NADPH와 ATP는 carbon-assimilation reaction에 쓰이게 되며 결과적으로 Calvin cycle을 통해 CO2가 triose phosphate으로 전환됨.

 

 

 

 

 

위 그림 왼쪽은 mitochondria에서의 chemiosmosis를, 오른쪽은 chloroplast에서의 chemiosmosis를 나타내 보여주고 있음. 이 때, thylakoid membrane에 electron carrier chain이 형성되어 있으며, 이들에 전자가 relay로 전달되는 과정에서 proton이 pumping되는 것은 mitochondria에서와 유사함. 그러나 이들의 경우 proton이 thylakoid 내부 공간으로 pumped in된다는 것이 다름. 한편 이렇게 농축된 proton은 ATP synthase를 통해 다시 thylakoid 외 공간으로 나가는 과정에서 ATP 생산에 기여하게 됨.

 

 

 

 

 

위 그림은 plant가 가지는 chloroplast의 구조를 나타내 보여주고 있음. chloroplast의 경우에도 outer membrane, inner membrane이 있으며, 그 안에 또 다른 막구조가 존재함. 이 층층히 쌓인 막구조를 Grana(granal thylakoid)라고 부르며, 이들 사이사이를 연결해주는, 층층히 쌓여있지 않은 구조를 stromal thylakoid라 부름. 한편 thylakoid 외부의 chloroplast space를 stroma라 불러줌. 참고로 thylakoid membrane이 초록색을 내기에 chloroplast가 초록색을 띄고, 결과적으로 plant가 초록색을 띄는 것임.

 

 

 

 

 

 

본격적으로 광합성에 대해 알아보기 전에, light source 그 자체에 대해서부터 알아보자. 일반적으로 식물이 이용하는 빛은 380-750nm 가량의 visible light임.

 

 

 

 

 

한편 Planck-Einstein equation에 따르면 photon이 가지는 energy E는 hν로 계산할 수 있음. (이 때 ν는 vibration frequency로 c/λ와 동일한 의미를 가짐) 이 식을 이용할 시, 위 그림 가운데에 나타나 있는 것처럼 red light의 photon 1개가 가지는 energy E를 계산할 수 있음. 그리고 이 photon이 1mol만큼 가해질 때의 energy인 einstein energy E도 위 그림 맨 아래와 같이 계산할 수 있음.

 

 

 

 

 

위 그림에는 light energy를 harvest할 수 있는 다양한 pigment들이 나타나 있음. 우선 (a)에 나타나 있는 chlorophyll의 경우 phytol side chain을 가지고 있으며, Mg가 중심에 있는 heme structure도 가지고 있음. 이 때 heme group 주변의 side chain에 따라 흡수, 방출하는 빛의 파장대가 달라지게 되며, 이에 따라 종류도 달라지게 됨. 다음으로 (b)에는 phycoerythrobillin이, (c)에는 β-carotene이, (d)에는 lutein(xanthophyll)이 나타나 있음. 특별히 β-carotene, lutein 등의 경우 가운데에 long C chain을 가지고 있으며, 이 chain 내에 single bond와 double bond가 번갈아가며 나타나고 있음을 알 수 있음.

 

 

이들 pigment의 구조를 보면, 모두 공통적으로 single bond, double bond가 번갈아가며 나타나는 구조를 가짐. 이런 구조에 의해 이들은 resonance structure를 가질 수 있고, 이 덕분에 적은 양의 photon도 민감하게 흡수할 수 있음.

 

 

 

 

chlorophyll a의 구조는 위와 같음. 이 때 붉게 표시된 부분이 실제로 빛을 흡수하는 part임. 이 때 planar한 heme structure 주변에 어떤 side chain이 있는지에 따라 chlorophyll a, chlorophyll b, bacteriochlorophyll이 될 수 있음.

 

 

 

 

 

다음으로 phycobilin의 구조는 위와 같음. 이 때 붉게 표시된 부분이 실제로 빛을 흡수하는 part임. 이 때 특정 bond가 saturation되었는지 unsaturation되었는지에 따라 phycoerythrobilin이 될수도, phycocyanobilin이 될수도 있음. 참고로 이 때 phycoerythrobilin은 red 계열의 색을 띄고, phycocyanobilin은 cyan(blue 계열) 계열의 색을 띔. (이들 둘은 모두 일종의 tetra-pyrole임)

 

 

 

 

 

위 그림에 나타나 있는 것은 carotenoid 계열에 포함되는 β-carotene, lutein임. 이 경우에도 붉게 표시된 부분이 실제로 빛을 흡수하는 part임.

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.