엽록체의 구조 및 광합성 색소, 광합성 과정의 특징

◎ 엽록체의 구조

엽록체는 식물 잎의 엽육 세포와 공변세포, 어린 줄기의 표피에 있습니다. 즉, 식물체에서 햇빛을 잘 받을 수 있는 부위에 있다는 말입니다. 특히 녹색으로 보이는 부분은 무조건 엽록체가 존재한다고 생각하면 됩니다. 엽록체는 녹색광을 잘 반사하거나 투과시키는 엽록소를 가지고 있기 때문입니다.

엽록체는 보통 타원형으로 생겼습니다. 상당히 큰 세포 내 소기관으로 두께 2.5㎛, 길이 5㎛정도이며, 전자 현미경으로 자세히 관찰해 보면 외막과 내막의 이중막으로 둘러싸여 있다는 것을 알 수 있습니다. 또 그 안에는 틸라코이드라는 막상 구조가 여러 개 포개져 있습니다. 특히 틸라코이드막이 겹쳐져 마치 동전을 쌓아 놓은 것과 같이 생긴 구조물을 그라나라고 합니다. 그리고 그라나와 그라나 사이는 틸라코이드가 다리처럼 연결하고 있습니다. 이렇게 여러 개의 틸라코이드막이 평행으로 뻗어 층상구조를 이루는 것을 라멜라 구조라고 합니다. 그리고 엽록체의 기질 부분을 스트로마라고 합니다.

엽록체에서 색깔을 띠는 성분인 엽록소는 그라나에만 존재합니다. 전자 현미경으로 자세히 살펴보면 엽록소가 틸라코이드막에 붙어 있다는 것을 알 수 있습니다. 이 엽록소는 빛을 받아서 광합성 과정이 시작되는 곳입니다. 한편 스트로마에는 광합성에 관련된 여러 가지 효소들이 들어 있습니다. 엽록소가 없기 때문에 색을 띠고 있지는 않습니다.

 

◎ 광합성 색소

식물의 잎은 여름에는 녹색을 띠다가 가을이 되면서 찬바람이 불고 밤이 길어지면 단풍이 들어 노란색이나 붉은색으로 변합니다. 그 이유는 광합성 색소 때문입니다.

광합성 색소는 물에 잘 녹지는 않지만 알코올과 같은 유기 용매에 잘 녹습니다. 이러한 특성을 이용하면 광합성 색소를 식물의 잎으로부터 쉽게 분리할 수 있습니다. 과거에 과학자들이 식물의 잎을 갈아서 알코올에 푹 적신 다음 광합성 색소들의 종류를 분류해 보았습니다. 그 결과 광합성 색소에는 엽록소 a, 엽록소 b, 카로틴, 크산토필 등이 있다는 것을 알 수 있었습니다. 계속된 연구로 광합성 색소 중에서 엽록소가 광합성을 하는데 아주 중요하다는 것을 알게 되었습니다. 광합성 색소는 그라나의 틸라코이드막에 있는 단백질에 고정되어 있는데, 특히 이 중에서 중심 역할을 하고 있는 것은 엽록소 a입니다. 엽록소 a를 제외한 나머지 색소들은 안테나와 같이 빛에너지를 모아 중심 색소에 전달해 주는 보조적인 역할을 하고 있습니다. 그래서 이를 안테나 색소라고도 합니다.

엽록소는 다른 색소들보다 저온에 민감합니다. 그래서 조금만 추워지기 시작하면 엽록소가 파괴되어 잎이 누렇게 변하거나 붉게 변합니다. 단풍이 노란색을 띠는 이유는 녹색을 띠는 엽록소가 파괴되면서 상대적으로 누런 색깔을 띠는 카로틴과 크산토필의 색깔이 나타나기 때문입니다.

 

◎ 광합성 과정의 특징

식물에 빛을 계속 비추어 줄 때보다 일정한 시간 간격으로 빛을 비추고 가려주는 것을 반복할 때 포도당이 더 많이 합성됩니다. 즉 광합성은 빛에 의해 일어나는 과정과 빛이 없을 때 일어나는 과정으로 구성되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 여기서 빛을 필요로 하는 과정을 명반응이라고 하고, 빛이 필요 없는 과정을 암반응이라고 합니다.

광합성은 이산화탄소와 물을 원료로 포도당과 산소를 합성하는 대표적인 동화 과정입니다. 다시 말해서 광합성은 탄소(C)와 산소(O)로 구성된 화합물인 이산화탄소에 수소(H)가 첨가되어 탄소(C), 수소(H), 산소(O)로 구성된 화합물을 만들어내는 과정이라고 말할 수 있습니다. 이때, 특징적인 것은 포도당 분자에 포함되어 있는 수소(H)를 공급하는 물질이 바로 물(H2O)이라는 것입니다.

광합성 과정은 크게 빛을 필요로 하는 명반응과 빛을 필요로 하지 않는 암반응으로 구성되어 있습니다. 명반응이 빛을 필요로 한다는 것은 빛에너지를 이용한다는 말입니다. 빛 에너지를 이용하기 위해서는 광합성 색소를 이용해야 하는데, 이 광합성 색소는 그라나의 틸라코이드막에 존재한다고 했으므로, 명반응이 일어나는 장소는 그라나의 틸라코이드막이라고 볼 수 있습니다. 그리고 암반응은 여러 가지 광합성 효소들이 많이 포함되어 있는 스트로마에서 일어납니다.

1949년 벤슨이라는 과학자가 실험을 통해 명반응과 암반응의 관계를 밝혔습니다. 이 실험은 실험실에서 식물에 빛과 이산화탄소를 따로 주거나 같이 주는 실험을 하여 광합성 속도를 측정한 것입니다. 실험 결과를 보면 밝은 상태에서 어두운 상태로 들어서면서 이산화탄소를 공급하면, 광합성이 아주 잠깐만 일어나지만, 이산화탄소를 공급하면서 빛을 지속적으로 쬐어 주면 광합성이 계속 일어나는 것을 알 수 있습니다. 이러한 벤슨의 실험을 통해 암반응이 일어나려면 명반응이 먼저 일어나야 한다는 사실을 추리해 낼 수 있습니다. 또한, 이산화탄소는 암반응에서 광합성이 지속되기 위해 필요한 물질임을 알 수 있습니다. 그리고 명반응이 계속 일어나지 않으면 암반응도 지속되지 못합니다. 이는 명반응에서 빛에 의해 생긴 어떤 물질이 암반응에 공급되어야 한다는 사실을 통해 추론할 수 있습니다.