[생화학] 19.1 : 광합성(photosynthesis) - 2

 

 

 

이제 지난 포스트에서 살펴봤던 다양한 pigment들이 실제로 어떤 파장대의 빛을 흡수하는지에 대해 살펴보자.

 

 

 

 

 

위 spectrum은 pigment 각각이 흡수하는 파장대를 나타내주고 있음. 이 때 검은색 선은 earth로 도달하는 sunlight의 파장대 전부를 의미함. 몇 가지를 살펴보면, phycoerythrin의 경우 주로 500-600nm 사이의 빛을 흡수하므로, 흡수하고 남은 색에 해당하는 red 계열의 색을 띄게 됨. 한편 chlorophyll a의 경우 붉은색, 푸른색 계열 색을 흡수하므로 초록색의 색을 띄게 됨. 마지막으로 β-carotene의 경우 400-500nm 사이의 빛을 흡수하므로 주황색 계열의 색을 띄게 됨.

 

 

 

 

 

위 그림은 이와 관련된 traditional한 실험 결과를 나타내 보여주고 있음. 보면 (a)와 같이 가로로 길게 algae를 쭉 나열해놓은 후, 각 위치에 각 파장대의 빛을 비춰줌. 그럴 시 algae 각각은 자신에게 비춰진 만큼의 빛에 해당하는 효율로만 광합성을 수행할 것이고, 그 결과 생성되는 O2의 양도 달라질 것임. 이를 visualize하기 위해 O2를 소비하는 호기성 bacteria를 넣어줘봄. 그랬더니 위 그림과 같이 흡수 spectrum과 거의 동일한 양상으로 호기성 bacteria가 distribute한다는 것을 확인함. 이를 통해 파란색, 그리고 빨간색 빛 하에서 가장 광합성이 효율적으로 일어난다는 것을 알 수 있었음.

 

 

 

 

위 그림은 chlorophyll a, bacteriochlorophyll a의 구조 차이, 그리고 이에 따른 흡광 spectrum 차이를 보여주고 있으므로 참고할 것.

 

 

이제 본격적으로 chloroplast(엽록체) 내에 있는 light-absorbing molecule들에 대해 살펴보자.

 

 

 

 

 

thylakoid(틸라코이드) 막에는 위 그림 아래와 같이 light harvesting complex들이 antenna 구조로 질서정연하게 박혀있음.

 

 

 

 

이 때 각각의 light harvesting complex들은 위와 같이 단백질 내에 pigment들을 함유하고 있는 모양새임. (위 경우 chlorophyll a, lutein, chlorophyll b를 함유하고 있음. 그 밖에 앞서 그림에서 주황색으로 나타나 있는, carotenoid 계열을 비롯한 accessory pigment들을 주로 함유하고 있는 녀석들도 있음) 한편 각각의 light harvesting complex들이 모든 빛에너지는 relay로 전달되고 그 결과 reaction center로 모이게 됨. 다시 말해, 하나하나로 보면 적은 energy를 reaction center로 모아서 H2O를 깨줄 수 있을 만큼 큰 energy를 생성시키는 것임.

 

 

 

한편 cyanobacteria의 경우 위와 같은 phycobilisome을 가지고 있음. 이 녀석의 구조를 보면 thylakoid membrane상에 light harvesting complex가 있는 것이 아니라, 위 그림 위쪽처럼 peripheral complex의 형태로 antenna molecule들이 위치하고 있음. 물론 이들이 relay로 전자를 전달한 결과 thylakoid membrane에 있는 chlorophyll a reaction center로 energy가 모이는 것은 동일함.

 

 

 

그렇다면 어떻게 한 light harvesting complex에서 다른 complex로 energy가 전달될 수 있을까. (다시 말해 어떻게 solid state의 photo-electron transfer가 일어날 수 있을까)

 

 

 

 

 

이와 관련된 흥미로운 모식도가 위 그림상에 나타나 있음. 보면 우선 충분히 가까이에 이웃한 antenna molecule들간에 energy transfer가 일어나면서 전자의 energy 준위가 변화함. 그리고 이 energy가 다시금 reaction center로 이동하게 됨. 이 때 우선 위 그림상에서 3에 나타나 있는 것처럼 중간에 해당하는 전자가 위쪽 준위로 이동하게 되고, 이어서 4와 같이 이 전자가 맨 위 전자와 같은 energy level로 이동하게 됨. 그럴 시 중간에 empty hole이 생기게 되고, 이 empty hole에 의해 맨 아래쪽의 전자가 한칸 위로 끌려올라가게 됨. 결과적으로 위 그림 오른쪽 맨 아래에 나타나 있는 것처럼 위쪽은 -, 아래쪽은 +가 되고, electrical current가 생기게 됨.

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.