녹색식물의 탄소동화작용

녹색식물의 탄소동화작용 [기고] 최승일 강원철원고 교사

녹색식물의 엽록체에서 이산화탄소, 물, 빛에너지가 작용하여 포도당이 만들어지는 반응을 광합성이라고 한다. 녹색식물은 광합성으로 만들어진 포도당을 그대로 또는 이당류의 설탕/엿당으로 일부 저장하고 대부분은 다당류의 녹말로 바꾸어 저장한다.     이렇게 저장된 녹말 덩어리들이 바로 쌀, 밀, 고구마, 감자, 옥수수 등이고, 사람을 비롯한 모든 동물들은 녹색식물이 만들어 놓은 탄수화물을 섭취하여 살아간다. 녹색식물의 광합성은 엽록체의 그라나에서 12분자의 물이 빛에너지에 의해 분해되어 6분자의 산소와 18분자의 ATP 그리고 12분자의 NADPH2가 생성되는 명반응과, 엽록체의 스트로마에서 이산화탄소가 환원되어 포도당이 합성되는 암반응의 두 단계로 이루어져 있다. 이산화탄소가 포도당으로 되는 일련의 암반응을 캘빈회로라고 한다. 캘빈회로 속에서 이산화탄소 6분자는 엽록체에 있는 5탄당 물질인 RUBP 6개와 반응하여 3탄당 물질인 PGA 12개로 고정된다. 12개의 PGA는 명반응에서 넘어온 12개의 ATP로부터 고에너지 인산을 받아 3탄당 물질인 DPGA 12개로 되고, 12개의 DPGA는 명반응에서 넘어 온 12개의 NADPH2로부터 수소를 공급받아 3탄당 물질인 PGAL 12개로 된다. 2개의 PGAL은 6탄당 물질인 과당이인산을 거쳐 포도당으로 합성되고, 나머지 10개의 PGAL은 다시 5탄당 물질인 6개의 RUMP로 된다. 6개의 RUMP는 명반응에서 넘어온 6개의 ATP로부터 고에너지 인산을 받아 6개의 RUBP로 재합성되어 이산화탄소를 고정시키는 반응을 반복한다. 녹색식물의 광합성 반응식은 [6CO2 + 12H2O + 빛에너지→ C6H12O6 + 6H2O + 6O2]로 정리된다. </STYLE> 홍색세균, 홍색황세균, 녹색황세균 등도 세균엽록소(엽록체에 막이 없음)에서 광합성을 한다. 이들은 이산화탄소를 고정시키기 위한 환원제로 물 대신에 H2S(홍색황세균, 녹색황세균 : 6CO2 + 12H2s → C6H12O6 + 6H2O + 12S), H2(홍색세균 : 6CO2 + 12H2 → C6H12O6 + 6H2O)를 사용한다. 따라서 홍색황세균과 녹색황세균의 경우에는 산소 대신에 황이 발생되고, 홍색세균의 경우에는 산소 대신에 발생되는 물질이 없다. 그러므로 빛에너지를 이용하는 광합성의 반응식은 [CO2 + 2H2A + 빛에너지 → C(H2O) + H2O + A]로 정리된다. 철세균, 아질산균, 질산균, 황세균 등은 빛에너지 대신에 무기물을 산화시킬 때 나오는 화학에너지를 이용하여 포도당을 만든다. 이를 화학합성이라고 하며, 반응식은 [6CO2 + 12H2O + 화학에너지→ C6H12O6 + 6H2O + 6O2]로 정리된다. 철세균은 [4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 화학에너지) 반응으로, 아질산균은 [2NH3 + 3O2 → 2HNO2 → 2H2O + 화학에너지) 반응으로, 질산균은 [2HNO2 + O2 → 2HNO3 + 화학에너지] 반응으로, 황세균은 [2H2S + O2 → 2S + 2H2O + 화학에너지] 반응으로 화학에너지를 얻는다. 따라서 이산화탄소와 물로부터 탄수화물인 포도당이 만들어지는 광합성과 화학합성을 합하여 상위 개념으로 탄소동화작용이라고 한다. 녹색식물은 탄소동화작용으로 생성된 탄수화물에 토양 속의 무기질소화합물을 결합시켜 아미노산 등의 유기질소화합물을 합성하는데. 이를 질소동화작용이라고 한다. 질소동화작용은 질산의 환원, 아미노산 생성, 단백질 합성의 3단계로 일어난다. 토양 속에는 무기질소화합물로 암모늄염과 질산염이 있는데, 이들은 암모늄이온(NH4+)이나 질산이온(NO3-)으로 존재한다. 질산이온(NH4+)은 암모늄이온(NO3-)으로 환원된 다음에 아미노산으로 합성되며, 질산이온의 환원작용에 광합성의 명반응에서 생긴 NADPH2와 호흡 반응에서 생성된 NADH2의 수소가 사용된다. 암모늄이온은 식물에 흡수된 후 바로 호흡 반응에서 생성된 중간 산물인 α-케토글루타르산과 결합하여 글루탐산이 된다. 글루탐산은 질소동화작용에서 만들어지는 최초의 아미노산이다. </STYLE> ▲ 아미노산의 구조- NH2 : 아미노기,COOH : 가르복시기,R : 곁가지(20종류)  ⓒ 글루탐산은 아미노기전이효소의 작용으로 아미노기(-NH2)를 떨구고 자신은 α-케토글루타르산으로 되며, 이 때 떨어져 나온 아미노기는 호흡 반응에서 만들어지는 여러 가지 중간 산물의 유기산들과 결합하여 여러 종류의 아미노산이 된다. 아미노산들은 DNA의 유전적 명령에 따라 여러 가지 조합을 구성하면서 펩티드결합을 하여 단백질로 합성된다. 이렇게 합성된 단백질들은 효소나 호르몬 등으로 작용하기도 하고, 적혈구나 근육과 같은 몸의 구성 재료가 되기도 한다. 탄소동화작용으로 만들어진 포도당은 호흡 반응에 이용되어 에너지로 전환되어 생명 활동에 힘을 불어 넣어주고, 또한 광합성과 호흡 반응에서 만들어진 중간 산물들은 단백질을 합성하는 질소동화작용에 중요한 재료로 이용된다. 따라서 탄소동화작용은 생물의 생명 활동에 가장 기본적이고 기초적인 화학 반응이라고 할 수 있다. 대기 중의 이산화탄소 농도는 0.03%이다. 이 0.03이라는 수치에 따라 탄소동화작용이 이루어지고, 탄소동화작용의 산물에 따라 호흡이 이루어지며, 탄소동화작용과 호흡반응의 중간 산물에 따라 질소동화작용이 이루어진다. 따라서 지구상의 생물들은 0.03이라는 이산화탄소 농도 수치에 그 생명이 달려있다고 해도 지나친 말이 아닐 것이다.

[출처] 녹색식물의 탄소동화작용ː|작성자 빵돌이