광합성: 명반응과 암반응

개요

광합성(Photosynthesis)은 태양 에너지를 이용하여 화학 에너지를 생성하는 생물학적 과정입니다. 식물, 조류, 시아노박테리아 같은 광합성 생물은 이 과정을 통해 대기 중의 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)을 이용하여 포도당(C₆H₁₂O₆)과 산소(O₂)를 생산합니다. 광합성은 크게 **명반응(Light-dependent reaction)**과 **암반응(Light-independent reaction, Calvin cycle)**으로 나뉘며, 두 과정은 서로 협력하여 식물의 생장과 에너지 저장을 가능하게 합니다. 이번 글에서는 광합성의 단계별 과정과 생물학적 중요성을 심층적으로 탐구하겠습니다.

---

1. 광합성의 기본 개념

광합성은 아래와 같은 총괄 반응식으로 나타낼 수 있습니다:

6CO₂ + 6H₂O + 빛 에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

이 과정은 크게 명반응과 암반응으로 구분됩니다:

• 명반응: 태양광을 이용하여 ATP와 NADPH를 생성하는 과정
• 암반응: 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 CO₂를 고정하여 포도당을 합성하는 과정

광합성 세포

---

2. 명반응(Light-dependent reaction)

2.1 명반응이란?

명반응은 엽록체(Chloroplast)의 틸라코이드 막(Thylakoid membrane)에서 일어나며, 빛 에너지를 이용하여 ATP와 NADPH를 합성하는 과정입니다. 이 과정에서 물이 광분해되어 산소(O₂)가 발생합니다.

명반응 과정

2.2 명반응의 상세 과정 및 화학 반응식

1. 광계 II (PSII, Photosystem II) 활성화
   • 태양광이 엽록소(Chlorophyll)로 흡수됨
   • 흥분된 전자(e⁻)가 방출되고 전자전달계(ETC)로 이동
   • 물 분자가 광분해되어 다음과 같은 반응이 발생함: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂
   • 방출된 산소는 대기 중으로 확산됨
2. 전자전달계(Electron Transport Chain, ETC) 작동
   • PSII에서 방출된 전자가 전자전달계를 따라 이동하면서 에너지를 잃음
   • 이 과정에서 틸라코이드 내강(lumen)으로 H⁺이 펌핑되어 수소이온 농도 기울기 형성
3. 광계 I (PSI, Photosystem I) 활성화
   • 전자는 광계 I으로 전달되며, 태양광을 추가로 흡수하여 다시 여기(excited)됨
   • NADP⁺가 전자를 받아 다음과 같이 NADPH로 전환됨: NADP⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADPH (환원 반응)
4. ATP 합성 (Chemiosmosis, 광인산화, Photophosphorylation)
   • H⁺ 농도 기울기에 의해 ATP 합성효소(ATP synthase)를 통해 다음 반응이 일어남: ADP + Pi → ATP

2.3 명반응의 최종 생성물

• ATP 생성: ADP + Pi → ATP (화학 에너지 저장)
• NADPH 생성: NADP⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADPH (환원력 제공)
• 산소 방출: 물의 광분해에 의해 O₂ 생성

단계	반응식
광계 II (PSII)에서 물의 광분해	2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂
전자 전달 및 H⁺ 펌핑	4e⁻ → 전자전달계(ETC) → H⁺ 펌핑 (틸라코이드 내강으로)
광계 I (PSI)에서 전자 여기	e⁻ + 빛 에너지 → e⁻ (고에너지 상태)
NADPH 합성	NADP⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADPH
ATP 합성 (광인산화, Photophosphorylation)	ADP + Pi → ATP

---

3. 암반응(Light-independent reaction, Calvin cycle)

3.1 암반응이란?

암반응은 빛이 필요하지 않으며, 엽록체의 기질(Stroma)에서 진행됩니다. 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 CO₂를 고정하고 포도당을 합성하는 과정입니다.

암반응 과정

3.2 암반응의 상세 과정 및 화학 반응식

1. 탄소 고정(Carbon fixation)
   • 대기 중 CO₂가 5탄당인 루비스코(RuBP, Ribulose-1,5-bisphosphate)와 결합하여 3탄당 PGA(3-phosphoglycerate) 형성
   • 촉매 효소: 루비스코(Rubisco, Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase)
   • 반응식: 3CO₂ + 3RuBP → 6PGA
2. 환원 단계(Reduction)
   • ATP와 NADPH를 사용하여 PGA가 G3P(Glyceraldehyde-3-phosphate)로 전환됨
   • 반응식: 6PGA + 6ATP + 6NADPH → 6G3P + 6ADP + 6NADP⁺
   • 일부 G3P는 포도당 합성을 위해 사용됨
3. 재생 단계(Regeneration)
   • 나머지 G3P가 ATP를 사용하여 RuBP로 재생됨
   • 반응식: 5G3P + 3ATP → 3RuBP + 3ADP
   • 다시 CO₂와 결합하여 탄소 고정 과정이 반복됨

3.3 암반응의 최종 생성물

• 포도당 합성: 6회 회전 시 G3P 2분자가 생성되며, 이는 포도당 형성에 사용됨
• RuBP 재생: 캘빈 회로가 지속적으로 작동할 수 있도록 5탄당이 재생됨

단계	반응식
탄소 고정(Carbon fixation)	3CO₂ + 3RuBP → 6PGA
환원 단계(Reduction)	6PGA + 6ATP + 6NADPH → 6G3P + 6ADP + 6NADP⁺
재생 단계(Regeneration)	5G3P + 3ATP → 3RuBP + 3ADP
포도당 합성(Glucose Formation)	2G3P → C₆H₁₂O₆

---

4. 명반응과 암반응 비교

비교 항목	명반응	암반응
발생 장소	틸라코이드 막	엽록체 기질
필요한 요소	빛, 물	CO₂, ATP, NADPH
생성물	ATP, NADPH, O₂	포도당(G3P), ADP, NADP⁺
주요 효소	광계 I, 광계 II, ATP 합성효소	루비스코(Rubisco)
작용 방식	빛을 이용한 전자 전달과 ATP 합성	ATP와 NADPH를 이용한 탄소 고정

---

5. 심화 문제 (객관식)

1. 명반응에서 ATP와 NADPH가 생성되는 주요 장소는 어디인가?
   • (A) 엽록체 기질
   • (B) 틸라코이드 막
   • (C) 세포질
   • (D) 미토콘드리아
   • 정답: (B)
2. 캘빈 회로에서 탄소 고정 과정에 관여하는 효소는 무엇인가?
   • (A) ATP 합성효소
   • (B) 루비스코
   • (C) 시트르산 합성효소
   • (D) 피루브산 키나아제
   • 정답: (B)
3. 광합성 과정에서 산소가 생성되는 반응은?
   • (A) 명반응에서 물의 광분해
   • (B) 암반응에서 CO₂ 고정
   • (C) ATP 합성
   • (D) NADPH의 산화
   • 정답: (A)

---

결론

광합성은 생명체가 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하는 필수적인 과정으로, 명반응과 암반응이 유기적으로 작용하여 ATP와 NADPH를 생성하고 포도당을 합성합니다. 이 과정은 지구 생태계 유지에 필수적이며, 현대 생명과학 및 환경 연구에서도 중요한 역할을 합니다.