암반응, 광합성에 영향을 미치는 조건(1)

◎ 암반응

1948년 칼빈(M. Calvin)과 벤슨(A. A. Benson)은 단세포 녹조류인 클로렐라의 배양액에 방사성 동위 원소로 표지 된 14CO2를 넣어 주고 이산화탄소가 포도당으로 합성되기까지의 과정을 밝혔습니다. 칼빈은 녹조류에 방사성 동위 원소인 14C를 함유한 14CO2를 주어 일정한 시간 동안 광합성을 시켰습니다. 거기에다 끓인 알코올을 넣어 일단 반응을 중지시킨 다음 종이 크로마토그래피라는 방법으로 14C가 녹조류의 세포 속의 어느 물질에 들어 있는지를 조사했습니다. 그 결과 광합성이 시작된 초기에는 14C를 포함하는 물질이 적으나 시간이 지남에 따라 여러 가지 복잡한 화합물에 점차 14C가 포함되는 것을 알아냈습니다. 즉, 클로렐라에 오랜 시간 14CO2를 주면 모든 중간 생성물에 14C가 골고루 들어가게 되지만 14CO2를 약 5초 동안 주면 최초의 생성물에만 14C가 들어가게 할 수 있습니다. 이와 같은 실험을 통하여 방사성 동위 원소인 14C를 가지는 가장 최초의 생성물이 인글리세르산(PGA)인 것을 확인했습니다. 그리고 14CO2에 노출되는 시간을 조금 더 길게 하여 제2단계의 물질을 밝혀내고, 이러한 과정을 거쳐서 암반응의 전반적인 과정을 발겨했습니다. 그리하여 포도당을 합성하는 모든 과정이 순환하는 회로로 나타난다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 암반응의 과정을 칼빈 회로라고 합니다.

칼빈 회로는 크게 3단계로 이루어져 있다고 볼 수 있습니다. 첫 단계는 CO2 고정입니다. 이 단계에서는 6CO2가 3탄당인 인글리세르산(PGA)으로 합성됩니다. 즉, 6개의 리불로오스이인산(RuBP)이 6 분자의 CO2를 받아들여서 12 분자의 PGA가 합성됩니다. 다음 단계는 환원 단계입니다. 여기서 환원이라는 말은 NADPH2의 수소 이온(H+)에 의해서 12분자의 PGA가 12 분자의 인글리세르알데히드(PGAL)로 합성된다는 말입니다. 이때, 명반응에서 합성된 ATP 12 분자가 사용되고, NADPH2도 12 분자가 사용됩니다. 마지막 단계는 재생 단계입니다. 환원 단계에서 합성된 12분자의 PGAL 중에서 2 분자는 포도당으로 합성되고, 나머지 10 분자는 6 분자의 RuBP로 합성되는 단계입니다. PGAL은 탄소가 3개인 3탄당이므로 이것이 2개 모여야만 6탄당인 포도당이 1개 만들어질 수 있습니다. 그리고 1-분자의 PGAL이 6 분자의 RuBP로 됩니다. RuBP는 5탄당이기 때문입니다. 이때, 명반응에서 합성된 18개의 ATP 중 환원 단계에서 사용한 12개를 제외한 6개의 ATP가 사용됩니다. 그리고 최종적으로 만들어지는 RuBP는 CO2를 받아들여서 또다시 PGA를 만들어냅니다. 이처럼 칼빈 회로가 한 바퀴 돌면 포도당이 1개 만들어집니다.

◎ 광합성에 영향을 미치는 조건

① 빛의 파장

식물이 흡수하여 이요하는 빛의 파장은 인간이 눈으로 느낄 수 있는 가시광선의 파장입니다. 가시광선 중에서도 잘 이용하는 파장과 그렇지 않은 파장으로 구별됩니다.

한 실험이 있습니다. 이 실험은 바닷말의 일종인 해캄과 호기성 세균을 재로로 가시광선을 프리즘으로 분광하여 해캄에 비추는 실험입니다. 호기성 세균이 주로 청색광과 적색광 주변에 많이 모여 있는 것을 알 수 있습니다. 호기성 세균은 산소가 많이 있는 환경을 좋아하므로 해캄이 청색광과 적색광에서 광합성을 더 많이 하여 다른 파장의 빛에서보다 산소를 더 많이 방출하였다고 볼 수 있는 것입니다. 그러므로 식물은 청색광과 적색광을 광합성에 더 잘 이용한다고 볼 수 있습니다. 식물이 녹색으로 보이는 이유도 여기에 있습니다. 녹색광은 광합성에 잘 이용하지 않으므로 반사되거나 투과되어서 식물이 녹색으로 보이는 것입니다.

엽록소에 프리즘으로 분광시킨 빛을 각각 비추어 보면 청색 계통의 빛과 적색 계통의 빛이 가장 많이 흡수됩니다. 또한, 잎에 여러 파장의 빛을 비추어 파장에 따른 광합성의 속도를 측정할 수 있는데, 이것을 작용 스펙트럼이라고 합니다. 광합성의 속도는 청색 계통의 빛( 450~500mm)과 적색 계통의 빛(650~700mm)에서 가장 높게 나타나는데, 이 작용 스펙트럼을 앞서 측정한 흡수 스펙트럼과 비교하면 식물이 주로 엽록소에서 흡수한 청색광과 적색광을 이용하여 광합성을 한다는 사실을 알 수 있습니다.