광합성(光合成, photosynthesis)

광합성(光合成, photosynthesis)

 

출처 : 다음 지식 (KYU HUI PARK)

 

 

지구상의 생물은 태양에서 얻은 에너지에 의존하여 생활한다. 녹색 식물이나 광합성 세균이 태양 에너지를 흡수하여 생물계가 사용할 수 있는 에너지로 바꾸어 주는 과정을 광합성(photosynthesis)이라 한다. 현재 지구상의 생물은 광합성 과정에서 생성되는 산소와 탄수화물에 직접 의존하여 살아가고 있으며, 광합성으로 축적된 목재 와 화석연료의 에너지를 필요로 한다.

호흡과정의 산화반응과 마찬가지로 광합성은 산화환원 반응을 수반한다. 전반적인 과정은 물의 산화(전자를 잃는 산화반응, 부산물로 O₂가 방출된다)와 더불어 CO₂의 환원에 의하여 탄수화물과 같은 유기 화합물을 생성하는 과정이다. 이 반응의 역반응, 즉, 탄수화물과 가솔린의 산화와 연소, 미토콘드리아의 호흡과정은 CO₂와 H₂O를 생성함과 동시에 에너지를 방출하는 자발적인 과정이다. 그러나, 광합성은 빛 에너지의 유입이 없이는 일어날 수 없는 비자발적 과정이다. 연소와 호흡의 경우, 탄수화합물로부터 이탈된 전자는 에너지 준위가 낮은 방향으로 이동되어 H⁺와 함께 강한 전자수용체인 O₂와 걸합하여 안정된 H₂O를 형성한다. 반대로, 광합성에서는 H₂O로부터 비교적 약한 전자수용체인 CO₂로 전자를 이동하게 하기 위하여는 높은 에너지 준위로 전자를 움직여야 하므로 여기에 빛 에너지를 사용한다.

 

 

 

 

차례

 

1. 광합성과 엽록체

2. 광합성과 빛에너지

 3. 광수확 안테나 색소계의 구성

4. 광합성의 전자 전달계

5. 광인산화 반응

6. 형광 유도과정과 광합성 연구

7. 제초제와 광합성

 

 

  

 

 

1. 광합성과 엽록체

 

 

 

1.1. 광합성 연구배경

네덜란드의 잉겐하우즈(Ingenhouz, 1779년)가 광합성에서 빛의 역할이 필수적임을 제시한 이래 많은 다른 연구자들에 의하여 광합성을 위하여는 CO₂와 H₂O가 필수적이며, 광합성 결과 유기물 특히 탄수화물이 산소와 함께 만들어진다는 것을 알게 되었다. 19C말에 광합성에 관한 전체 반응을 다음과 같이 쓸 수 있게 되었다.

 

빛, 식물체

6CO₂ + 6H₂O -------------→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂

 

여기에서 C₆H₁₂O₆은 포도당과 같은 단당류를 의미하나, 포도당이 암반응의 실질적인 산물은 아니다. 상기 반응의 실질적인 화학반응 기작은 적어도 50 여개의 중간단계로 구성되어 있고 아직 발견되지 않은 것도 있다. 광합성의 화학반응 기작의 특성에 대한 연구는 1920년대에 반 닐(van Niel)의 크로마티움(Chromatium vinosum)과 같은 광합성 세균을 이용한 연구로부터 비롯되었다. 이 생물은 아래의 식에 나타난 바와 같이 유기산 및 환원된 황화합물을 환원제로 이용한다.

 

빛,_, 세균

CO₂ + 2H₂A -------------------→ (CH₂O) + 2A + H₂O

 

여기에서 H₂A는 H₂S와 같은 환원된 화합물을 뜻한다. 위의 식에서 환원된 화합물은 산화되고 CO₂는 환원되어 탄수화물이 되므로 반 닐은 광합성이 산화환원 반응이라는 결론을 얻었다. 따라서, 고등식물의 광합성 반응도

 

빛, 식물체

CO₂ + 2H₂O -----------------→ (CH₂O) + O₂ + H₂O

와 같이 일어날 것이라고 생각하였다. 이 반응에서 물이 환원제로 쓰이며 방출되는 산소분자는 물 분자에서 유래된다.

한편, 힐(Hill, 1937년)은 분리한 엽록체에서 철의 염과 같은 화합물이 빛에 의하여 환원되는 것을 발견하였다. 이 화합물들은 CO₂ 대신 산화제로 작용한다.

4Fe³⁺ + 2H₂O ----→ 4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺

 

이와 같이 분리 엽록체에 적당한 인위적인 전자수용체를 공급하면 탄수화물의 생성없이도 물의 산화에 의하여 전자수용체가 환원되면서 산소가 발생되는 반응을 힐(Hill) 반응이라 하는데, 광합성에서 발생하는 산소는 물에서 유래된다는 반 닐의 가설에 대한 실험적인 증거가 될 수 있다.

실제로, 고등식물의 광합성계에서는 물의 분해 결과 생긴 전자를 NADP가 받아 NADPH로 됨이 알려졌다. ATP도 물로부터 NADP로 전자가 전달되는 동안 형성되어 NADPH와 합께 탄소환원반응에 사용된다. 물이 산소로 산화되고 NADP가 환원되는 것과 함께 ATP가 형성되는 화학반응을 일반적으로 명반응이라 하고, 탄소환원반응을 암반응이라 한다.

명반응과 암반응은 빛의 요구 유무에 따라 구분된 것이지만, 반응이 일어나는 장소도 뚜렷히 구분된다. 분리엽록체의 틸라코이드만 가지고도 힐(Hill) 반응을 일으킬 수 있으므로, 물의 광분해에서 NADP의 환원에 이르기까지 거의 모든 반응들이 틸라코이드에서 일어남을 알 수 있다. 탄소환원반응은 엽록체의 수용성 부분인 스트로마에서 일어난다. 명반응은 빛을 요구하는 반응이고 암반응은 빛이 요구되지 않는 반응이라고 흔히 말하지만, 암반응에 수반된 많은 효소반응들이 일어나기 위하여는 빛이 필요하므로 그 명칭이 바르게 붙여진 것은 아니다. 또, 대부분의 탄소환원반응 뿐아니라 명반응의 전자전달 반응은 실제로 빛을 요구하지 않는다. 그러나, 명반응 암반응 모두 광화학반응을 수행할 때 저장된 에너지를 사용하므로 광합성이 일어나기 위하여는 빛이 있어야만 한다.

 

 

1.2. 엽록체

엽록체의 구조에 대한 모식도가 그림 1에 나타나 있다. 엽록체는 지질 이중층으로 구성된 두 개의 분리된 막, 즉 이중막에 의하여 둘러싸여 있으며, 이중막 내부에 내부에 넓게 뻗혀있는 막상 구조를 틸라코이드(thylakoid)라고 부른다. 틸라코이드는 주머니 모양으로 내부에 공간이 있는데 이를 루멘(lumen) 또는 틸라코이드 내부공간이라고 한다. 루멘은 일정지역에 닫힌 공간이 아니라 전체 라멜라 구조를 통하여 연결된 공간이라고 생각된다.

광합성을 수행하는데 필수적인 다양한 단백질들은 틸라코이드막에 파묻혀 있으며, 많은 경우 막을 관통하여 양쪽 수용액계에 노출되어 있다. 이러한 내재성 막단백질(integral membrane protein)은 많은 소수성 아미노산을 함유하고 있어서 막의 탄화수소 부분과 같은 비수용성 매질에 매우 안정되게 위치한다. 반응중심, 안테나색소 단백질 복합체 및 대부분의 전자전달 효소는 모두 내재성 막단백질이다. 엽록체의 알려진 모든 내재성 틸라코이드 막단백질은 일부분이 스트로마에 노출되어 있고 다른 부분은 루멘의 수용성 지역으로 뻗혀있다. 틸라코이드막의 엽록소와 보조 광수확색소는 항상 막단백질과 비공유결합적으로 엽록소-단백질 복합체(chlorophyll- protein complex 또는 CP 복합체)를 형성한다. 이들은 정교한 기하학적인 배열을 통하여 안테나 CP 복합체로부터 반응중심으로의 에너지 전달과정과 반응중심내의 전자전달 과정이 매우 효율적으로 일어날 수 있도록 최적화되어 있다.

 

 

그림1

 

 

 

 

 

 

 

2. 광합성과 빛에너지

 

 

2.1. 빛의 성질

빛은 입자성과 파동성 두 가지 성질을 가진다. 빛의 어떤 성질은 질량과 부피를 가지는 입자로서 설명이 가능하지만 어떤 성질은 소리와 같은 파동으로 묘사되기도 한다. 빛이 파동성을 가질 때, 전기장이 파동을 이루면서 진행하고, 동시에 수직방향으로 자기장이 유도되어 진행하기 때문에 전자기파(electromagnetic wave)라고 부른다(그림 2). 입자로서의 빛을 광자(photon)라고 한다. 각 광자의 에너지(E)는 다음의 플랑크(Planck)의 법칙에 따라 진동수에 의존하는 불연속적인 값을 가진다.

 

E = hν

여기에서 h는 플랑크 상수(6.626 x 10^-34 J·s), ?는 빛의 파장, c는 빛의 속도(3.0 x 10⁸ m s^-1), ν는 주파수를 나타낸다. 이러한 불연속적인 값을 가지는 것을 양자(quantum)라고 한다.

 

 

 

 

그림2

 

 

 

 

 

2.2. 광합성 색소와 빛의 흡수

2.2.1. 광합성 색소

광합성을 위하여 빛에너지를 흡수하는 모든 색소는 엽록체에 존재하며, 표 7.1은 다양한 광합성 생물에서 나타나는 색소들의 분포를 나타낸 것이다. 모든 광합성 생물들은 기본적으로 엽록소(chlorophyll, chl) 또는 박테리오클로로필(bacteriochlorophyll)을 가짐과 아울러 다른 보조색소(accessary pigment)들도 가지고 있다.

 

표 1. 엽록소와 다른 광합성 색소의 분포

 

생 물	엽 록 소				카로티노이드	피코빌린 단백질
	a	b	c	d
선태류, 양치류						-
종자식물	+	+	-	-	+	-
녹조류	+	+	-	-	+	-
유글레나	+	-	-	-	+	-
규조류	+	-	+	-	+	-
와편모조류	+	-	+	-	+	-
갈조류	+	-	+	-	+	-
홍조류	+	-	-	+	+	+

 

광합성 색소들의 구조와 흡수 스펙트럼은 그림 3, 4와 같다. 엽록소 a, b, c, d들은 모두 헤모글로빈과 시토크롬에서 발견되는 포르피린(porphyrin)과 같은 복잡한 고리 구조를 가지고 있으며 이 고리구조에 탄화수소 꼬리가 붙어있다(그림 3). 이 소수성 꼬리가 틸라코이드 이중막 내부의 소수성 부분에 위치하여 엽록소가 막에 고정되고 친수성 고리구조는 외부에 노출되어 있게 된다. 고리구조에서 탄소원자와 탄소원자간의 결합은 이중결합과 단일결합이 교대로 나타나는 구조를 이루고 있기 때문에 가시광선에 의하여 엽록소 분자가 들뜬상태로 전이될 수 있으며, 또한, 광합성 초기반응에서 산화환원 반응이 쉽게 일어나게 된다.

 

 

그림3a ChlorophyII

 

그림3b Cartenoid  

 

고등식물의 엽록소는 지구에 도달하는 태양광의 가시광선 중 적색과 청색 부위를 흡수하며, 엽록소가 잘 흡수하지 못하는 영역은 카로티노이드와 같은 보조색소들이 흡수한다. 광합성 생물에서 발견되는 카로티노이드는 이중결합과 단일결합이 교대로 나타나는 긴 직선형 분자들이다(그림 3). 그림 4와 같이 카로티노이드는 400∼500nm 지역의 흡수대를 가지며, 오렌지색을 띤다. 당근의 색은beta-카로텐에 기인한 것이다. 한편, 박테리아 엽록소는 엽록소를 가진 광합성 생물들이 흡수하지 못하는 파장의 빛을 흡수한다. 이는 숲속의 울창한 나뭇잎으로 인하여 햇빛이 가리워진 연못에서 생활하는 광합성 세균들이 불리한 빛 환경에 적응하기 위한 생존전략이라고도 볼 수 있다.

 

그림 4

 

 

 

 

 

 

2.2.2. 빛에너지의 흡수

에너지가 가장 낮은 안정된 상태, 즉 바닥상태(ground stae)에 있는 엽록소 분자는 빛을 흡수하면 들뜬상태(excited state)의 분자(chl^*)로 전이된다.

 

chl + hv → chl^*

 

들뜬상태는 그 에너지 수준에 따라서 에너지 수준이 낮은 것부터 1차 들뜬상태, 2차 들뜬상태, 3차 들뜬 상태라고 한다. 즉, 엽록소 분자가 적색광을 흡수하면 기저상태로부터 1차 들뜬상태로 전이를 일으키지만, 보다 에너지가 많은 청색광을 흡수하면 보다 높은 에너지 수준의 2차 들뜬상태가 된다(그림 5). 청색광을 흡수한 경우와 같이, 1차 들뜬상태 보다 높은 에너지 수준의 들뜬상태로 전이된 엽록소 분자는 매우 불안정하기 때문에, 신속히 에너지의 일부를 열로 소실시키고 1차 들뜬상태로 돌아옴으로서 몇 nanosecond(10^-9s) 동안 안정된 상태에 머물게 된다. 이 상태에서 들뜬상태의 엽록소가 가지고 있는 에너지는 크게 네가지 경로로 소실된다. 첫째, 에너지가 광자의 형태로 재방출되어 바닥상태로 되돌아오는 경로이다. 이 때, 재방출되는 빛을 형광(fluorescence)이라 한다. 형광 스펙트럼은 적색 부위가 거의 항상 약 10 nm 정도 장파장쪽으로 이동되어 나타난다. 이를 스토크스의 전이(Stokes shift)라 하는데, 이는 1차 들뜬상태에 있을 때의 에너지중 일부가 형광의 광자로 방출되기 이전에 열로 전환되었기 때문이다. 둘째 경로는 들뜬 엽록소의 에너지가 광자의 방출 없이 직접 열로 전환되어 바닥상태로 되돌아가는 방법이다. 세번째 경로는 뜰뜬에너지가 인광의 형태로 방출되는 것인데, 이를 위하여는 스핀 다중도(spin multiplicity)를 이해할 필요가 있다. 전자의 스핀 양자수는 1/2 또는 -1/2의 값을 갖는데, 분자의 전체 스핀값의 합의 절대값을 S라 할 때 스핀 다중도는 2S + 1로 정의된다. 즉, 전자궤도가 모두 채워져 있을 때 S는 0이 되고 스핀 다중도는 1이 되는데, 분자의 이러한 상태를 단일항(singlet) 상태라 한다. 전자궤도의 최외각 전자가 보다 높은 궤도로 전이되어도 여전히 단일항 상태이다(그림 6). 그러나, 매우 드물게 전자의 스핀상태가 바뀌게 되면 S는 1이되고 스핀 다중도는 3이되는데 이 때의 분자상태를 삼중항(triplet) 상태라 한다. 단일항의 들뜬상태의 분자가 삼중항의 들뜬상태로 될 확률은 낮다. 그러나, 일단 삼중항 들뜬상태로 되면 다시 바닥상태로 내려오는 것은 아주 천천히 일어난다. 이 때 방출되는 빛을 인광이라 부르며 인광의 수명은 길게는 수초 정도로 매우 길다.

들뜬 엽록소를 탈활성화시키는 네번째 경로로서 들뜬상태의 에너지가 광화학반응을 일으키는데 쓰이는 경로가 있다. 광합성에 의한 에너지 저장과정에서 가장 초기단계의 반응은 10^-12초(피코초) 수준에서 일어나는 반응으로 알려진 광화학반응 중 가장 빠른 것에 속한다. 이와 같이 빨리 일어나는 것은 엽록소 분자가 들뜬상태에 머무르는 시간이 불과 몇 nanosecond(10^-9초)에 불과하기 때문이다.

 

       

그림5

 

 

 

 

2.3. 광합성의 작용스펙트럼

1800년대 말 엥겔만(Engelmann)은 태양광을 프리즘으로 무지개처럼 분산시켜 사상체 수생 조류인 스피로기라(Spirogyra)에 비추었을 때, 특정한 빛의 색깔이 비친 부분에 호기성 박테리아가 모이는 것을 관찰하였다. 즉, 적색과 청색광이 비추인 부분에서 광합성으로 인한 산소발생이 많기 때문에 호기성 박테리아가 모임을 알 수 있었다(그림 7). 단색광을 얻을 수 있는 필터나 대형 모노크로메이터(monochromater)를 통하여 단파장의 빛을 스피로기라에게 주게 되면, 흡수된 광자수와 이 때 발생한 산소의 양을 측정할 수 있게 된다.

 

그림7

 

이와 같이 각기 다른 파장의 단색광을 사용하여 광생물학적 반응을 일으키고 각 파장별로 나타난 반응의 크기를 도시한 것을 작용스펙트럼(action spectrum)이라고 한다. 어떤 광생물학적 반응의 광수용체를 알아 보려면, 먼저 작용 스펙트럼을 작성하고, 이것과 유사한흡수 스펙트럼을 갖는 색소에는 어떤 것들이 있는지를 조사하는 것이다. 흡수 스펙트럼이란 어떤 물질이 빛을 흡수한 정도를 빛의 파장의 함수로 나타낸 것을 말한다. 그림 8의 작용 스펙트럼은 엽록소의 흡수 스펙트럼과 유사하므로 광합성의 산소발생과 관련된 색소는 엽록소일 것이라고 생각할 수 있다. 그림 8에서 두 개의 파장 영역에서 이들 스펙트럼간에 차이가 있는데, 원적색(far-red)광 영역에서 작용 스펙트럼이 낮게 나오는 것은 적색저하(red drop) 현상 때문이며, 450∼550 nm 지역이 상이한 것은 카로티노이드가 흡수한 빛이 엽록소가 흡수한 빛보다 광합성 기구로의 전달이 비효율적임을 의미한다.

 

 

 

 

2.4. 양자수율

들뜬에너지가 소실되는 경로는 양자수율(quantum yield,Φ)에 의하여 정량적으로 나타낼 수가 있다. 광화학 반응에 대한 양자수율, Φ_광화학은 다음과 같이 정의된다.

 

                              광화학 반응으로 사용된 양자수

Φ_{광화학     =       ----------------------------}

                                     흡수된 전체 양자수

                                      

형광이나 열과 같은 다른 경로에 대한 양자수율도 유사하게 정의할 수 있으며, 어떤 경로에 대한 Φ는 0(그 경로를 통하여 들뜬에너지가 소멸되지 않을 때)과 1.0(모든 들뜬에너지가 그 경로로만 소멸될 때) 사이의 값을 가진다. 또한, 전체의 가능한 경로에 대한 양자수율의 합은 1.0이다. 건강한 잎에서 분리한 엽록체에 약한 광을 쪼이면, 광화학의 양자수율은 약 0.95이고, 형광의 양자수율은 0.05 정도이거나 이보다 낮으며, 기타 과정의 양자수율은 무시할 정도로 적다. 그러므로, 들뜬 엽록소 분자가 빛을 흡수하여 얻은 에너지는 거의 대부분이 광화학반응을 수행하는데 사용된다.

에머슨(Emerson, 1939년)은 단세포 녹조인 클로렐라를 이용하여 1 분자의 CO₂를 고정하는데 몇 개의 광자가 필요한가를 조사하였다. 그 결과, 요구되는 양자수는 8∼10개임을 알았다. 이것을 양자요구수라 한다. 양자요구수의 역수를 취하면 광자 한개당 몇 분자의 CO₂를 고정하였는가를 알 수 있다. 광합성반응의 양자수율을 산소발생의 관점에서 구하면, 아래와 같이 표시된다.

 

                                               생성된 산소 분자수

Φ_{광합성 산소발생       =         ------------------}

                                               흡수된 전체 양자수

 

산소발생에 대한 양자수율의 최대값은 약 0.1로서, 산소 한 분자를 방출하기 위하여 10개의 양자가 흡수됨을 의미한다. 그러므로, O₂ 방출을 위한 최소 양자요구수는 10이다.

 

 

2.5. 빛 에너지의 전달

엽록소와 다른 색소에 의해 흡수된 빛 에너지의 일부는 포도당에서 볼 수 있는 탄소 원자간의 결합 형태의 화학 에너지로 바뀌어 저장된다. 광합성에 의한 에너지의 전환의 초기과정은 많은 색소분자들과 일련의 전자전달 단백질간의 협력으로 이루어진 복잡한 과정이다. 대부분의 색소 분자들은 빛 에너지를 수확해서 모은 후 반응중심에 전달하는 안테나 구실을 한다(그림 9).

그림9

일단의 복잡한 광합성 기구가 효율적으로 일을 수행하기 위하여 반응중심을 둘러싸고 많은 색소분자가 위치한다. 각각의 색소분자는 빛 에너지를 흡수하여 들뜬상태가 되고, 그 에너지를 대단히 효율적으로 인접한 색소분자에 전달한다. 그러면, 이들 색소분자들은 빛 에너지를 반응중심에게 모아 보냄으로서 반응중심을 들뜨게 한다.

1932년 에머슨(Emerson)과 아놀드(Arnold)는 녹조인 클로렐라(Chlorella pyrenoidosa)의 현탁액에 매우 짧은 시간 동안(10^-5s) 섬광을 준 후 이 때 생성된 산소의 양을 측정함으로써 에너지 전환과정에 많은 엽록소 분자들이 서로 협력하고 있음을 밝혔다. 섬광과 다음 섬광 사이에는 효소 반응이 일어나기에 충분한 시간인 약 0.1초의 간격을 주었다. 이들 연구자들은 섬광의 에너지를 다양하게 변화시키면서 행한 실험에서 포화광 이상의 강력한 섬광을 주더라도 산소생성은 어느 일정한 값 이상으로 증가하지 않음을 알게 되었다(그림 10). 또, 포화광 조건에서 현탁액의 엽록소 분자의 수와 생성되는 산소 분자의 수를 계산한 결과, 산소 한 분자는 약 2,400개의 엽록소 분자로부터 생성됨을 알았다. 각 반응중심에서 한 분자의 산소를 생성하기 위하여는 약 4번의 섬광을 비추어야 하는 것을 고려하면, 반응중심당 일정한 수의 색소분자들이 모여있는 광합성 단위(photosynthetic unit)가 존재한다고 생각하게 되었다. 이와 같은 반응 중심당 색소분자의 수를 광합성의 단위 크기(unit size)라고 불렀다. 이 단위 크기는 광합성 생물의 종류와 생육 환경에 따라 다르다. 반응중심들은 안테나 색소들을 공유하고 있으며, 한 반응중심이 들뜬상태에 있으면 빛 에너지를 전달받지 못하므로 안테나색소의 에너지를 인접 반응중심이 사용하게 된다.

 

그림10

 

 

 

 

2.6. 두 개의 광계

1950년대 말까지 광합성 연구자들이 쉽게 설명할 수 없는 실험 결과들이 있었는데, 그 중 하나는 광합성의 양자수율을 여러 파장에서 측정하였을 때 관찰되는 적색저하(red drop) 현상이었다(그림 11). 클로렐라를 이용하여 엽록소가 흡수하는 빛의 파장 범위에서 양자수율을 측정하면 거의 모든 파장영역에서 일정한 값을 보여 주었다. 즉, 엽록소와 다른 색소들이 흡수하는 광량자는 비슷한 효율로 광합성에 이용됨을 의미한다. 그러나, 680 nm 이상의 원적색광에서의 양자수율은 급격히 떨어졌다. 이와 같이 680 nm 보다 긴 파장의 빛은 엽록소 a가 충분히 흡수하는 파장임에도 불구하고 보다 짧은 파장의 빛에 비하여 양자수율이 훨씬 떨어지는 현상을 적색저하라 한다.

그러나, 700 nm의 빛을 줌과 동시에 약간 단파장의 빛, 650 nm의 빛을 함께 주면(홍조인 경우에는 575nm), 적색저하 현상이 보이지 않게 된다. 즉, 원적색광(〉680nm)과 보다 짧은 적색광을 동시에 조사하면 양자수율은 두 파장을 각각 독립적으로 조사하여 얻은 개개의 광합성율의 합보다 더 높아진다. 이를 에머슨의 상승효과(enhancement effect)라 한다.

이들 현상들은 두이젠스(Duysens)의 실험으로 설명할 수 있다. 엽록체에는 중간 전자운반체로서 철함유 단백질인 시토크롬이 존재하는데, 두이젠스는 홍조류에 긴 파장의 빛을 쪼이면 시토크롬이 많이 산화되고, 보다 짧은 파장의 빛을 함께 쪼이면 그 산화효과가 부분적으로 저하됨을 발견하였다(그림 7.12). 이와 같은 길항효과를 설명하기 위하여 1960년 힐(Hill)과 벤달(Bendall)은 광합성계에는 시토크롬을 산화시키는 경향이 있는 광화학반응과 시토크롬을 환원시키는 경향이 있는 광화학반응이 있다고 제안하였다. 이들 두 개의 광화학반응을 수행하는 틸라코이드막의 구성성분을 광계 I(photsystem I, PS I)과 광계 II(photsystem II, PS II)라고 부른다. 광계 Ⅰ은 680 nm 이상의 원적색광 파장의 빛을 잘 흡수하는 반면에, 광계 II는 680 nm의 적색광을 잘 흡수하는 대신 원적색광 파장을 사용하는 광화학반응을 잘 수행하지 못한다. 이와 같은 파장에 의존한 두 광계의 광화학반응으로 에머슨의 상승효과와 적색저하 현상을 설명할 수 있다. 두 광계의 다른 차이점으로는 그림13의 모식도에서와 같이 광계 Ⅰ은 NADP를 환원시킬 수 있는 강한 환원제와 약한 산화제를 생성하며, 광계 II는 물을 산화시킬 수 있는 강한 산화제와, 광계 I에 의하여 생성된 약한 환원제를 생성한다는 점이다. 이 차이점으로 그림 12의 길항효과를 설명할 수 있다.

 

 그림11

 

두 개의 광계는 각각의 안테나색소와 광화학 반응중심을 가지며, 두 광계는 전자전달계에 의하여 서로 연결되어 있다. 두 광계의 공간적 배치를 보면, 광계 II는 주로 그라나 라멜라의 중첩부위(appressed region)에 위치하며, 광계 I과 ATP 합성을 촉매하는 짝지음 인자(coupling factor)는 거의 스트로마에 면한 틸라코이드 부분인 비중첩부위(nonappressed region)에 위치한다. 또, 두 광계를 이어주는 시토크롬 b₆-f 복합체는 두 지역에 고루 분포되어있다(그림14). 이와 같이 두 광계는 공간적으로 분리되어 있다. 따라서, 이 모델에 따르면 그림 13의 Z-모형에서 두 개의 광계 사이에 전자를 전달하는 전자운반체는 이동성을 가져야 하며, 광계 II의 물분해로 생긴 양성자는 짝지음 인자가 위치하는 비중첩부위까지 확산되어야 한다. 공간적으로 분리된 광계 I과 II, 시토크롬 b₆-f 복합체 사이를 이동하는 전자운반체는 지용성인 퀴논 분자들과 수용성인 플라스토시아닌이다. 광계 II에서 전자를 받아 환원된 퀴논 분자들은 막지질내를 확산으로 이동하여 시토크롬 b₆-f 복합체에 전자를 전달시킬 수 있으며, 시토크롬 b₆-f 복합체에서 전자를 받은 플라스토시아닌은 루멘의 수용액에서 확산되어 광계 I로 전자를 전달할 수 있다. 이렇게 두 광계가 공간적으로 분리되어 있는 것은 아직 명확히 설명할 수는 없지만, 두 광계 사이에서 빛에너지의 분배의 조절과 관련되어 있을 것이라고 생각되고 있다.

광계Ⅰ과 II가 공간적으로 분리되어 있다는 것은 이전의 연구에서 기대하였던과 같이 두 광계가 1:1의 화학양론적 비율로 존재하는 것이 아님을 의미한다. 즉, 특정한 광계 II에서 특정한 광계 I로 전자가 전달되는 것이 아니라, 광계 II의 반응중심에서 이탈된 전자는 다수의이동성 전자운반체들을 환원시키는데 사용되고, 광계 I은 이동성 전자운반체(플라스토시아닌) 집단에서 전자를 받는 것으로 생각된다. 실제로, 광계Ⅰ과 II의 상대적인 양을 측정하여 보면 대부분의 경우 광계 II가 과다하게 존재함을 보여주며, 많은 경우, 광계 II/광계 Ⅰ의 비율은 약 1.5:1의 값을 갖지만, 빛의 세기 등이 다른 조건하에서 생장한 식물은 다른 값을 보여준다.

 

 

 

 그림13

 

 

 

 

 

 

 

3. 광수확 안테나 색소계의 구성

 

안테나계는 반응중심으로 에너지를 효율적으로 보내주는 역할을 한다. 안테나계의 크기는 생물 종에 따라 매우 다양하다. 광합성 세균의 경우, 반응중심당 적어도 20∼30 분자의 세균엽록소가 있고, 고등식물의 경우 200∼300 분자의 엽록소가 있으나, 일부 조류나 세균은 수천 개의 색소를 갖고 있다.

 

3.1. 안테나색소 복합체

빛에너지는 흡수 극대가 짧은 파장의 안테나계의 색소에서 보다 장파장의 색소로 전달되어 반응중심으로 모이게 된다. 그림 15의 모식도는 어느 색소가 흡수한 빛이라도 반응중심으로 전달되는 현상을 보여주고 있다. 안테나계가 반응중심에 가까울수록 그 흡수극대는 보다 적색 파장 쪽에 위치함을 볼 수 있는데 이것은 반응중심 근처에서 들뜬상태의 에너지가 다소 낮음을 의미한다. 예를들어 650 nm의 흡수극대를 갖는 엽록소 b분자에서 670 nm의 흡수극대를 갖는 엽록소 a 분자로 들뜬 에너지가 전달될때, 이들 두 들뜬 엽록소 분자 사이의 에너지 차이는 열로써 주위로 소실된다.

빛을 흡수한 엽록소로부터 반응중심으로 들뜬에너지가 전달되는 기작은 공명전달(resonance transfer)에 의할 것으로 생각하고 있다. 따라서 엽록소 분자간의 뜰뜬에너지의 전달 효율은 엽록소 분자간의 거리와 포르피린 고리의 배향, 흡수 및 형광 스펙트럼의 중첩도 등에 의존한다. 공명전달 효율은 두 색소간의 거리의 6승에 반비례한다. 이론적으로는 색소분자간의 거리가 가까울수록 효율이 높으나 실제로는 8∼10 nm이상의 거리여야 공명전달 이론이 잘 적용된다. X-선 결정구조에 의하면 박테리아 엽록소간의 거리는 2 nm 이하이므로 공명전달 이론으로 설명하기 보다는 게르마늄 결정체에서 들뜬전자가 매우 빠르게 전달되는 들뜬전자 전이모델로 설명하는 것이 더 좋다고 보는 사람도 있다. 그러나 반응중심 주위의 안테나 엽록소를 게르마늄 결정과 같은 결정구조라고 보기가 어렵고 동일한 색소분자가 모여진 결정과는 다를 것이므로 유사한 형태의 들뜬에너지의 전달이 일어날 것으로 보고 있다.

어느 모델이 보다 적합한지 확실치 않으나, 실제로 안테나 색소가 흡수한 광자 에너지의 약 95∼99%가 효율적으로 반응중심에 전달되어 광화학적인 일에 이용된다. 안테나 색소계로부터 반응중심까지의 광수확과정은 10^-12초 수준에서 일어나는 물리적 현상이며 그 결과 반응중심의 특별한 짝 엽록소가 들뜬상태로 된다. 그 후에 인접한 전자 수용체에게로 전자이동이 일어나는데 이것은 화학적 현상으로 이것을 초기 광화학반응이라 하고 이것은 엽록소의 들뜬에너지가 형광으로 방출되기 이전에 빛에너지를 화학에너지로 전환하는 반응으로 수 피코초 이내에 일어나는 반응이다.

광합성 색소는 단백질과 복합체를 이루고 있는데, 이 가운데서 안테나계의 색소들과 단백질의 복합체를 광수확복합체(light harvesting complex, LHC)라고 한다. 틸라코이드막을 분리하여 계면활성제를 낮은 농도로 처리하면 막단백질들이 들어 있는 용액을 얻을 수 있고, 이들로부터 광수확복합체뿐 아니라 반응중심을 포함한 핵심복합체(core complex, CC)들을 전기영동법으로 분리할 수 있다. 광계 I과 광계 II는 각각 핵심복합체들과 광수확복합체를 가지는데, 광계 I은 CC I과 LHC I으로 구성되고 광계 II는 CC II와 LHC II로 구성된다고 말할 수 있다. CC에는 엽록소 b가 거의 없고 주로 엽록소 a를 가지며 LHC는 상대적으로 많은 양의 엽록소 b를 가진다. 따라서 LHC는 엽록소 a/b 안테나 단백질(chlorophyll a/b antenna protein)이라고도 불린다. 그런데, 전기영동에 의하여 분리된 LHC는 한 가지 종류가 아니며 광계의 흡수 스펙트럼도 여러 개의 LHC가 존재함을 보여주고 있다. 이는 광수확 복합체가 모두 같은 종류의 카로티노이드, 엽록소 a, b를 가지지만 엽록소 주위의 단백질이 엽록소 분자들의 들뜬에너지를 조금씩 차이가 나게 하여 광수확 과정에서 에너지 손실을 최소화 하고 있음을 의미한다.

 

 

3.2. 카로티노이드의 기능

카로티노이드는 안테나계의 색소-단백질 복함체로 존재하는 보조색소이다. 그러나, 카로티노이드로부터 엽록소로 전달되는 에너지 효율은 일반적으로 엽록소로부터 엽록소로 전달되는 것보다 낮다.

카로티노이드는 보조색소의 기능과 아울러 광합성계에 매우 중요한 광보호(photoprotection) 기능을 담당한다. 광합성 색소들이 광화학 반응으로 처리할 수 있는 양 보다 더 많은 빛 에너지를 흡수하면 과도한 빛에너지가 광합성막을 쉽게 손상시킨다. 과도한 빛 에너지로 인하여 엽록소의 들뜬상태를 빨리 해소하지 못하면, 들뜬 엽록소(¹chl^*)의 일부가 삼중항 엽록소(³chl^*)로 바뀐다. 이것은 바닥상태의 삼중항 산소(triplet oxygen, ³O₂)와 반응하여 들뜬상태의 단일항 산소(singlet oxygen, ¹O₂^*)가 되는데, 이것은 반응성이 매우 높아서 세포의 구성성분, 특히 지질이나 엽록소를 손상시킨다. 이것을 방지하기 위하여 카로티노이드는 자신이 삼중항의 뜰뜬 상태(³car^*)가 됨으로서 삼중항 엽록소를 바닥상태로 만든다. 한편, 들뜬상태의 삼중항 카로티노이드는 단일항 산소의 형성에 필요한 충분한 에너지를 가지지 못하기 때문에, 열로 에너지를 소실하고 바닥상태로 되돌아오게 된다.

단일항 산소를 제거하는 카로티노이드의 보호기작은 3 종류의 크산토필(xanthophyll)이 참여하는데, 이것은 아래의 크산토필 회로를 통하여 이루어지는 것으로 생각된다. 전자전달이 일어남에 따라 루멘의 산성화가 일어날 때 제아크산틴(zeaxanthin) 형성이 촉진되며 광계 II를 과도한 에너지의 손상으로부터 보호하는 기능이 있다고 알려져 있다.

제아크산틴 ↔ 안테라크산틴 (antheraxanthin) ↔ 비올라크산틴 (violaxanthin)

 

 

 

3.3. 광계간의 에너지 분배

고등식물이 광합성을 효율적으로 수행하기 위하여는 광계 I과 광계 II가 서로 협력하여야 한다. 만약 광계Ⅰ과 II의 에너지 분배가 서로 다르다면 빛이 약할 때는 에너지를 적게 분배받는 쪽이 전체의 전자전달 속도를 결정할 것이다. 하루 중 시간에 따라 빛의 세기나 빛의 파장별 특성이 어느 한 광계에 유리할 수 있기 때문에, 환경조건에 따라 광계 사이의 에너지 분배를 조절할 수 있는 기작이 있어야 한다. 또, 이러한 에너지 분배를 통하여 광계를 광저해(photo inhibition)로부터 보호할 수 있다. 광저해는 강한 빛으로 인한 과다한 들뜬 에너지가 광합성 활성을 억제하는 것을 의미하며 주로 광계 II가 불활성화된다. 따라서, 들뜬 에너지의 분배를 효율적으로 조절함으로서 광저해로부터 광계를 보호하고 광수확의 효율을 향상시킬 수 있다.

틸라코이드막에는 LHC II 표면에 특이한 트레오닌(threonine) 잔기를 인산화시킬수 있는 단백질 키나아제가 있다. 이 효소는 환원형 플라스토퀴논에 의하여 활성화된다. 에너지가 광계 II로 많이 분배될 때는 환원형 플라스토퀴논이 증가하므로 단백질 키나아제도 활성화되어 광계 II와 느슨하게 결합된 LHC II 단백질이 인산화된다. 인산화된 LHC II는 음전하를 띠어 인접한 막의 음전하와 상호 반발하므로 틸라코이드막의 중첩부위에 머무를 수 없고 비중첩부위로 이동한다. 이와 같이 LHC II가 측면 이동하면 비중첩부위에 위치한 광계 Ⅰ로 에너지가 많이 분배되도록 하며, 반대로 그라나의 중첩부위에 있는 광계 II로의 에너지 분배는 적어진다(그림 16). 이러한 상태를 상태 2(state 2)라 부른다.

반대로, 에너지가 광계 I에 많이 분배되거나 혹은 광계 I이 선호하는 빛을 비추면, 플라스토퀴논이 광계 I에 의하여 산화되므로 단백질 키나제는 불활성화되고 인산화된 LHC II는 포스파타아제에 의하여 탈인산화된다. 이에 따라, 비중첩부위에 있던 LHC II가 중첩부위로 돌아오는데, 이렇게 되면 그라나의 중첩도가 커져서 빛에너지가 보다 효율적으로 광계 II에 전달된다(그림 16). 이 상태를 상태 1(state 1)이라고 한다. 상태 1과 2사이의 전환을 상태전이(state transition)이라고 하며, 이러한 광계 사이의 에너지 분배의 조절은 다양한 환경조건에서 식물체가 가용한 빛에너지를 효율적으로 이용하려는 적응기작의 하나라고 볼 수 있다.

 

 

 

 

 

4. 광합성의 전자 전달계

 

그림 17은 H₂O로부터 NADP로 전자가 전달되는데 참여하는 전자운반체들을 산화환원 퍼텐셜(redox potential)에 따라 배열한 Z-모형이다. 명반응에서 일어나는 거의 모든 화학적 과정은 4개의 주된 단백질 복합체(광계 II, 시토크롬 b₆-f 복합체, 광계 I 및 ATP 합성효소)에 의해 이루어진다. 물은 틸라코이드 내부공간 즉 루멘에서 O₂로 산화되고, 막의 스트로마 부위에서 NADP가 NADPH로 환원되며, H⁺(양성자)가 루멘에서 스트로마로 이동되면서 ATP가 형성되어 스트로마로 방출된다(그림 18).

 

 

4.1. 초기 광화학반응

빛 에너지는 반응중심에 존재하는 특수한 엽록소를 들뜬상태로 만든다. 들뜬상태에 있는 엽록소는 전자를 받을 수 있는 분자가 가깝게 있으면 쉽게 전자를 잃는다. 즉, 반응중심의 엽록소가 들뜬상태에 있을 때는 전자를 쉽게 받아들이지 않으므로 이는 매우 강한 환원제라고 할 수 있다. 광합성에서 빛에너지를 화학에너지로 전환시키는 초기 광화학반응은 반응중심에 있는 들뜬상태의 엽록소의 전자를 일차 수용체 분자로 전달하는 전하분리(charge separation) 반응이다. 빛에너지는 엽록소로 하여금 약한 환원제에서 매우 강한 환원제로 전환되도록 하는데 쓰여진다. 일차 전자수용체로 전달된 전자는 바로 인접한 수용체로 전달되고 이어 일련의 전달전달반응을 거쳐 최종 수용체에까지 도달하게 된다. 최초의 전자공여체는 H₂O이고 최종 전자수용체는 NADP이다.

반응중심의 엽록소가 전자를 잃고 전자공여체에 의해 재산화되기 전에 일시적으로 산화상태에 있는 때가 있다. 이 때, 산화된 상태의 엽록소는 적색부위의 흡광도가 감소하는데, 흡광도의 감소는 다른 말로 표현하면 탈색(bleaching)되는 것을 의미한다. 이러한 탈색현상은 매우 짧은 시간의 흡광도의 변화로 측정이 가능하다. 이 방법을 사용하여 콕크(Kok)는 광계 I의 반응중심 엽록소는 환원된 상태에서 적색 부위의 흡수극대가 700 nm임을 발견함으로서 광계 I의 반응중심 엽록소를 P700으로 명명하였다. 뒤이어, 위트(Witt) 등은 광계 II의 반응중심 엽록소가 P680임을 발견하였다. 이보다 일찍 두이젠스(Duysens) 등은 홍색 광합성 세균의 반응중심 세균엽록소가 P870임을 확인하였다. 이 세균의 반응중심의 X-선 구조분석에 의하여 P870이 이합체임이 알려졌으며, 대부분의 실험적 증거에 의하면 P700도 이합체로 존재한다고 생각된다. P680도 마찬가지로 이합체로 존재할 것으로 여겨지고 있다.

 

 

4.2. 광계 II의 반응중심 복합체

광계 II는 여러 개의 서브유니트 단백질 복합체로 구성되어 있다(그림 7.19). 반응중심의 중앙에는 D1 및 D2라고 불리는 각각 32, 34 kDa의 분자량을 가진 막단백질이 있고, P680, 페오피틴(pheophytin) 및 두 개의 플라스토퀴논(plastoquinone)이 막에 결합되어있다. D1과 D2 단백질은 홍색 세균의 L과 M 펩티드의 아미노산 서열과 어느정도 유사성이 있다. 그 밖에 반응중심 복합체를 구성하는 단백질로서는 안테나색소 단백질 복합체인 43, 47 kDa 단백질과 산소발생에 요구되는 33, 23 및 18 kDa의 단백질 등이 있다. 시토크롬 b-559와 같은 몇몇 단백질은 기능이 자세히 알려져 있지 않지만, 시토크롬 b-559의 폴리펩티드를 암호화하는 유전자를 제거하면 광계 II 구조의 안정성을 잃는 것으로 보아 반응중심에서 초기 광화학반응을 수행하기 위한 구조의 안정성을 유지하는 기능을 한다고 생각된다.

 

 

 

4.3. 산소의 발생

물의 산화에 의한 산소발생의 화학반응식은 다음과 같다.

2H₂O ----------→ O₂ + 4H⁺ + 4e^-

 

이 반응식에서는 4개의 전자가 두 개의 물분자로부터 제거되고 1분자의 산소와 4개의 수소이온이 생성됨을 보여준다. 암적응된 광합성막에 매우 짧은 섬광을 연속적으로 쪼이면 그림 7.20a와 같이 섬광이 비춰짐에 따라 산소발생량이 특이하게 변하는 것을 관찰할 수 있다. 처음의 두번째 섬광까지는 산소가 거의 또는 전혀 생성되지 않지만, 세번째 섬광을 비추면 산소발생량이 최대가 된다. 그 이후 매번 네번째 섬광을 줄 때마다 산소방출량이 극대치를 보이고 이후 점차 그 진폭이 줄어들어 매 섬광당 일정량의 산소가 발생하게된다. 이 현상은 1960년대에 졸리오(Joliot)가 처음 관찰하였고, 콕크 등은 그림 7.20b와 같은 모식도를 제안하였다. 이 모델에 의하면, 물의 산화를 위한 산화 효소계인 산소발생복합체(oxygen-evolving complex)가 S_o에서 S₄까지의 5개의 상태로 존재하며 각 상태의 번호가 높을수록 산화정도가 크다. 매 섬광마다 한 S 상태에서 다음 S 상태로 이동하여 S₄에 도달될 때까지 계속된다. S₄는 더 이상의 섬광이 비추지 않아도 O₂를 발생하고 S_o로 되돌아간다. 암적응 상태에서는 대부분 S₁으로 존재하므로 3번째 섬광에서 산소를 방출하고 다음 매번 네번째의 섬광에서 극대를 보이는 현상이 설명된다. 섬광의 진행에 따라 점차 그 진폭이 줄어드는 이유는 다음과 같은 경우에 가능하다. 즉, 가끔 섬광이 복합체의 일부를 타격하지 못하여 다음 상태로 진전되지 못하는 경우가 있는가 하면, 실험할 때 한 번의 섬광을 주었음에도 복합체가 2회의 섬광에 노출될 때가 있다. 이러한 오류와 중복타격(double hits)으로 인하여 한 번의 섬광을 받은 복합체가 모두 함께 다음 상태로 진전하지 못하는 경우가 발생한다. 따라서, 섬광이 반복될수록 진폭이 둔화될 것이라고 생각되고 있다. S₄는 상태가 불안정하고 일시적이므로 S₃가 한 번의 섬광에 의하여 S₀가 된다고 볼 수 있다. 따라서, 매회의 섬광에 의하여 일정한 산소가 방출될 때 복합체는 S_o에서 S₃의 4가지 상태로 존재한다고 생각된다. 암적응시 S₂와 S₃는 안정된 상태인 S₁으로 된다. 또, S₀도 안정된 상태이다. 그러므로, 암적응시킨 산소발생 복합체의 약 3/4이 S₁ 상태로 존재하고 1/4이 S_o 상태에 있다고 본다. 그러므로, 엽록체에 비쳐준 섬광 중 3회째 섬광에 의하여 산소가 최대로 발생하며, 4회째 섬광에 의하여도 어느 정도 산소가 발생되는 것을 설명할 수 있다. 그림 7.20b를 보면 S₄가 S₀가 될 때 4개의 양성자가 생기는 것으로 되어 있지만, S₀로부터 시작하여 S 상태가 매번 변할 때마다 한 개씩의 양성자가 방출되는 것으로 생각되고 있다. 물의 산화에 의해 생성된 양성자는 스트로마로 바로 방출되지 않고 틸라코이드의 루멘으로 방출된다. 그림 7.18과 같이 틸라코이드막의 배향적인 특성과 산소발생복합체의 위치로 인하여 양성자는 루멘으로 방출되어 루멘의 양성자 농도를 증가시킨다. ATPase는 이러한 전기화학적 포텐셜을 이용하여 ATP를 합성하면서 양성자를 스트로마로 방출한다.

망간(Mn)은 물의 산화과정에 필수적인 보조인자이다. 산소발생복합체는 4개의 Mn 원자를 포함하고 있다. Mn이외에도 Cl^-과 Ca²⁺이 산소발생에 필수적인 것으로 여겨진다. 산소발생복합체에 있는 분자량 18, 23, 33 kDa의 3개의 표재성 폴리펩티드와 이들을 포함한 여러 단백질들이 물의 산화과정과 그 조절에 참여하고 있다. 산소발생복합체로부터 전자를 받은 후 P680에게 전자를 주는 전자전달체가 있는데 일반적으로 Z라고 부른다. 최근에 Z는 광계 II 반응 중심에 있는 D1 단백질의 티로신(tyrosine) 잔기로부터 형성된 라디칼로 알려졌다.

 

 

4.4. 광계 II의 전자 수용체: 페오피틴과 퀴논

광계 II로부터 일차적으로 페오피틴이 전자를 받고, 이후에는 두 플라스토퀴논 복합체로 전달된다. 페오피틴은 엽록소 분자에서 중앙의 Mg원자가 두 개의 H 원자로 대치된 구조이다. 녹색식물에서 발견되는 플라스토퀴논은 퀴논의 일종으로 반응중심에 인접하여 있으며 동시에 두 개의 전자를 전달한다. 그림 7.18의 모식도와 같이 첫번째 퀴논인 Q_A는 페오피틴에서 전자를 받아 두번째 퀴논인 Q_B로 전달한다. 산화된 P680은 광화학적으로 안정한 상태로 되돌아가기 위하여 Z로부터 다시 전자를 얻어 빛 에너지를 받을 준비가 되고, 빛 에너지가 전달되면 전자는 페오피틴에서 Q_A를 거쳐 Q_B로 전달된다. 두 개의 양성자를 주변에서 취하여 완전히 환원된 히드로퀴논(hydroquinone)(그림 7.21)은 복합체로부터 분리되어 막의 탄화수소 부위에 들어가게 된다. Q_A는 전자를 하나만 운반하고, Q_B는 두개의 전자를 운반한다. 틸라코이드막의 탄화수소 부위에는 지용성인 플라스토퀴논이 다수 존재하는데, 이들은 산화된 플라스토퀴논을 광계 II 복합체에 제공하고 환원된 히드로퀴논의 전자를 다음 전자수용체인 시토크롬 b₆-f 복합체에 전달한다.

 

 

4.5. 시토크롬 b₆-f 복합체와 양성자의 농축

시토크롬 b₆-f 복합체(cytochrome b₆-f complex)는 분자량이 큰 고분자 단백질로서 여러 보결분자단을 가진 많은 서브유니트로 이루어져 있으며, 두 개의 b-형 헴(heme)과 1개의 c-형 헴(시토크롬 f 또는 cyt f) 구조를 포함하고 있다. c-형 시토크롬은 프로토헴(protoheme)기가 공유적으로 펩티드에 결합되어 있는 구조를 가진데 반해, b-형 시토크롬은 펩티드와 공유결합이 되어있지 않다. 복합체는 시토크롬외에도 두 개의 철 원자와 두 개의 황 원자가 결합되어 있는 리스케(Rieske) Fe-S 단백질을 가지고 있다.

시토크롬 b₆-f 복합체를 통한 전자와 양성자 전달에 대해서 아직 확실히 이해되어 있지는 않지만, 여러 가능한 메커니즘이 제안되었다. 그 중 하나는 Q 회로로 알려져 있는데 이는 그림 7.22과 같이 환원된 플라스토퀴논(PQH₂)이 두 단계에 걸쳐 산화되는 메커니즘이다. 첫째 단계에서는 PQH₂가 산화형 리스케 단백질 (FeS_R)을 거쳐 시토크롬 f로 전자 하나를 전달하고, 시토크롬 f는 전자를 다시 루멘에 있는 플라스토시아닌(plastocyanin, PC)으로 전달한다. 계속해서 PC는 광계 I 반응중심에 있는 산화 상태의 P700에 전자를 전달한다. 이와 동시에 PQH₂는 다른 전자를 b-형 헴(시토크롬 b)에게 전달하고 양성자는 루멘으로 방출한다. 전자를 받은 b-형 헴은 전자를 두번째 b-형 헴에 전달하고 이것은 산화형 플라스토퀴논에게 전자를 전달함으로서 세미퀴논(semiquinone)형의 환원된 퀴논이 생성된다.

둘째 단계에서는 한 개의 전자가 PC로 전달되고 다른 한 개의 전자는 첫번째 시토크롬 b에 전달되며 양성자는 루멘에 방출된다. 첫번째 시토크롬 b의 전자는 두번째 시토크롬 b에 전달되고, 두번째 시토크롬 b는 이 전자를 틸라코이드막의 스트로마쪽에 위치하는 양성자와 함께 첫째 단계에서 생성된 세미퀴논에게 전달하여 이것을 플라스토히드로퀴논, 즉, 환원된 형태의 플라스토퀴논이 되게 한다.

Q 회로의 두 단계의 반응을 종합하면, 한 분자의 플라스토퀴논이 산화됨으로서 두 개의 전자가 P700으로 전달되고 4개의 양성자가 막의 스트로마쪽으로부터 루멘 쪽으로 전달되어진다. 이와 같은 방법으로 광계 II 반응중심의 전자수용체로부터 시작하여 광계 Ⅰ 반응중심의 전자공여체에 이르는 전자전달을 통하여 틸라코이드막의 양쪽에 양성자의 농도 차이가 생기고 막내외에 전기화학 퍼텐셜을 발생시킨다. 이 전기화학 퍼텐셜이 바로 광합성에서 ATP를 합성하는 원동력이 된다.

한편, 플라스토시아닌은 시토크롬 시토크롬 b₆-f 복합체와 P700사이에서 전자를 전달하는 분자량 10.5 kDa의 단백질로서 구리를 포함하고 있다. 루멘에서 발견되며 수용성이고 유동성이다. 일부 녹조류와 남조류에서는 플라스토시아닌 대신에 c-형 시토크롬을 가지는 경우도 있다.

 

 

4.6. 광계 I 복합체의 전자전달

광계 I의 반응중심도 광계 II와 같이 여러 개의 단백질 복합체에 둘러싸여 있다. P700과 약 140개의 핵심 안테나 엽록소가 적어도 두 개의 펩티드와 결합되어 있는데, 이 펩티드들은 분자량 66∼70 kDa 범위에 있다. 광계 Ⅰ의 반응중심 복합체는 66∼70 kDa 펩티드와 함께 4∼25 kDa 범위의 비교적 작은 다양한 펩티드를 가지고 있다. 이들 단백질 중에는 플라스토시아닌과 페레독신(ferredoxin)이 결합할 수 있는 자리를 가진 단백질이 있으며, 8 kDa의 단백질은 철-황 중심(Fe-S center)을 포함한다.

광계 Ⅰ로부터 전자를 받는 일차 전자전달체들의 환원형은 모두 매우 강한 환원제이다. 이들 일차 전자전달체들은 매우 불안정하기 때문에 동정이 어려우나, 처음의 전자수용체는 엽록소이고 다음의 전자전달체는 퀴논류라고 생각된다. 이후의 전자전달체는 막과 결합되어있는 철-황 단백질로서 Fe-S 중심 X, Fe-S 중심 A, 그리고 Fe-S 중심 B로 알려진 3 개의 페레독신이다. Fe-S 중심 X는 P700 결합 단백질에 속하며, Fe-S 중심 A와 B는 광계 Ⅰ 반응중심 복합체의 일부인 8 kDa 단백질에 속해 있다. 전자는 Fe-S 중심 A와 B를 거쳐 스트로마쪽의 수용성 철-황 단백질인 페레독신으로 전달된다. 수용성 플라보단백질(flavoprotein)인 페레독신-NADP 환원효소는 NADP를 NADPH로 환원시킨다. 이와 같이하여 물의 산화로부터 비롯된 비순환적 전자전달 과정(noncyclic electron transport)이 완료된다.

어떤 조건에서는 광계 I의 전자수용체인 페레독신이 시토크롬 b₆-f 복합체를 거쳐 다시 P700으로 전자를 전달한다고 알려져 있다. 이러한 전자전달을 순환적 전자전달이라 하는데, 이 과정은 광계 II로부터 전자가 전달되는 동안 시토크롬 b₆-f 복합체의 작용을 통하여 루멘에 농축되는 양성자의 수를 증가시킨다. 그러나, 물을 산화하거나 NADP를 환원시키는데는 기여하지 않는다.

 

 

 

 

 

 

 

5. 광인산화 반응

 

명반응에 의하여 빛에너지가 NADPH의 형태로 저장되는 한편, 빛에너지의 일부는 고에너지 인산결합을 가지는 ATP의 형태로 저장기도 한다. 이것을 광인산화반응(photophosphorylation)이라 하는데 이를 위하여 엽록체의 전자전달과정이 필수적으로 선행된다.

광인산화반응은 밋첼(Mitchell)에 의해 1960년에 처음 제안된 화학삼투설에 의하여 일어난다고 생각된다. 여기에서는 틸라코이드막 내부와 외부의 이온 농도의 차이와 전기퍼텐셜 차이가 자유 에너지의 원천이 된다고 본다. 열역학 제 2 법칙에 의하면 막 양쪽의 물질이나 에너지의 분포의 차이는 에너지로 이용될 수 있음을 의미한다.

틸라코이드막에서 전자전달이 진행되는 동안 양성자가 물 분해과정(그림 7.18)과 Q 회로(그림 7.22)를 통하여 루멘에 농축되므로 루멘은 산성화되고 반대로 스트로마는 알칼리화된다. 광인산화반응이 화학삼투설에 의하여 일어난다는 실험적 증거는 자겐도르포(Jagendorf) 등에 의하여 처음 제시되었다(그림 7.23). 그들은 엽록체를 pH 4의 완충용액에 넣어 틸라코이드 막의 안과 밖이 동일한 산성 pH를 유지하도록 한 후, 틸라코이드 현탁액을 신속하게 pH 8의 완충용액으로 옮겨줌으로써 틸라코이드 막내외의 pH 차이가 4가 되도록 하였다. 이 경우, 빛이 없는 조건에서도(즉, 전자전달이 일어나지 않아도) ADP와 Pi로 부터 많은 양의 ATP가 형성되었는데 이것은 틸라코이드막의 안팎에 형성된 양성자의 농도 차이 때문임을 알 수 있다.

ATP는 짝지음 인자(coupling factor)에 의하여 합성되는데, 짝지음 인자는 일명 ATPase, 혹은 ATP 합성효소, 혹은 CF₀-CF₁라고도 하며, 분자량이 400 kDa에 이르는 대형 효소복합체이다. 이 효소는 크게 두 부분으로 나뉘는데, 소수성인 막에 결합하는 부분인 CF_o 부분과 스트로마로 뻗어나온 CF₁ 부분으로 구성된다. CF_o는 양성자가 통과할 수 있도록 막을 가로지르는 통로 구실을 하며 실제로 ATP 합성은 CF₁에서 일어난다.

밋첼은 ATP합성에 사용 가능한 전체 에너지를 양성자 기동력(proton motive force, ΔP)이라고 하고, 이것은 양성자 화학퍼텐셜과 막을 가로지른 전기퍼텐셜의 합이라고 제안하였다. 막의 외부로부터 내부로의 양성자 기동력의 두 요소는 다음과 같이 쓸 수 있다.

 

ΔP = ΔEm - 59(pH_i-pH_o) 

 

반응식 8.11에서 ΔEm (혹은 ΔΨ)은 막내외의 전기 퍼텐셜 차이이고 pH_i-pH_o(혹은 ΔpH)는 막을 가로지른 pH의 차이이다. 25℃에서 비례 상수는 pH 한 단위당 59mV이다. 즉, 막내외의 pH 한 단위의 차이가 59mV의 막퍼텐셜과 같다.

양성자 기동력의 두 가지 요소는 상호전환될 수 있는데, 그 결과 큰 ΔEm이나 큰 ΔpH 혹은 이들의 중간정도의 값 모두가 ATP 형성에 똑같이 효과적임이 알려졌다. 정상적으로 전자전달이 이루어질때 막의 전기퍼텐셜은 아주 적으므로 대부분의 ΔP는 ΔpH에 기인한다. 하나의 ATP를 합성하는데 필요한 수소 이온의 수는 3개이다.

엽록체의 비순환적 전자전달과정을 통한 ATP의 합성을 비순환적 광인산화반응이라고 한다. 물 두 분자가 광분해되면 산소 한 분자, 양성자 4개, 전자 4개가 생성된다. 4개의 전자가 전자전달과정을 거쳐 Q 회로를 통과할 때마다 양성자 8개가 루멘에 축적됨과 동시에 NADP는 2 개가 환원된다. 그러므로, 4개의 전자가 비순환적으로 전달되면, 이론상으로 총 12개의 양성자가 생기므로 4분자의 ATP가 생성될 수 있다. 한편, 암반응에서는 CO₂ 한 분자를 고정하는데 3분자의 ATP와 2분자의 NADPH가 소모된다. 따라서, 4개의 전자가 전달되면, CO₂ 한 분자를 고정하기에 충분한 에너지를 확보할 수 있다고 볼 수 있다. 그러나, 세포내에서는 암반응에 사용되는 에너지외에도 용질 축적, 원형질 유동, 생체 고분자 물질의 합성 등과 같은 활동에 ATP가 필요하므로 ATP를 추가로 필요로 한다. 이를 위하여, 비순환적 전자전달 이외에 순환적 전자전달과정을 통하여 양성자를 루멘에 농축한 후, 순환적 광인산화반응으로 ATP를 합성한다. 전자전달 과정의 최종 전자수용체인 NADP의 공급이 부족하거나, 과도한 빛에너지가 공급될 때는 순환적 광인산화반응이 일어날 것으로 생각된다. 즉, 순환적 전자전달은 양성자를 축적하여 광인산화를 통한 ATP의 합성을 증가시키고 아울러, 광계가 과도한 빛에너지로부터 받을 수 있는 광손상을 방지하는 보호기능을 하는 것으로 생각된다.

 

 

 

 

 

6. 형광 유도과정과 광합성 연구

 

엽록소에서 방출되는 형광은 광합성의 초기 광화학반응에 사용되지 못한 빛에너지의 일부가 다시 빛으로 방출되는 것이다. 이와 같이 버려지는 에너지로서의 형광은 식물에게는 쓸모가 없으나, 광화학반응이 증가 혹은 감소함에 따라 형광의 방출량이 변화하므로 광합성 연구에 중요한 도구로 이용될 수 있다.

식물의 잎을 어두운 곳에서 암적응시키면, 엽록체 전자전달계의 전자전달체들이 산화된 상태에 놓이게 되는데, 여기에 빛을 쪼이면 그림 7.24와 같은 형광의 방출곡선이 그려진다. 이 곡선은 전형적인 모양으로 초기에 형광이 중가하였다가 감소한 후 정류상태에 도달하는 것을 나타내고 있다. 이와 같은 형광 유도과정을 Kautsky 효과라고 한다. 암적응된 잎에 빛을 매우 약하게 쪼여줄 때 최소의 형광이 나오는데 이를 초기형광(Fo)이라고 하며, 이때의 광계의 반응중심은 모두 빛에너지를 받을 준비가 되어있는 상태, 즉 열린상태에 놓여 있다. 암적응된 잎에 광합성을 포화시킬 만큼 강한 빛을 비추거나, 혹은 DCMU를 처리하여 전자전달계를 차단하면 광화학반응이 일어나지 못한다. 이 때 방출되는 형광은 최대치를 보이게 되는데 그 형광 값을 최대형광(Fmax)이라고 하며, 최대형광 상태에서는 광계의 반응중심에 있는 전자수용체가 모두 환원되어 있어서 전자를 받을 수 없는 닫힌 상태에 있다.

Fmax에서 Fo를 뺀 값을 최대 변이형광 (Fv)m(maximum variable fluorescence)이라 하며(Fv)m을 Fmax로 나눈 값은 광화학 반응의 최대 양자수율을 의미한다. 다시 말하면, 이 값은 식물의 잎이 광합성을 수행할 수 있는 잠재력을 의미하므로 식물의 광합성 활성에 대한 지표로 사용될 수 있다. 그림 7.24의 형광 유도 곡선은 식물이 빛을 흡수한 이후 암반응에 이르기까지의 광합성 전반에 대한 정보를 제공하므로 광합성 기구의 변화를 예찰할 수 있게 한다.

 

 

 

 

 

7. 제초제와 광합성

 

상품화된 전체 제초제 중에서 광합성의 전자전달을 차단하는 기능을 갖는 계열이 거의 절반을 차지한다. 대부분의 경우 제초제의 작용부위는 광계 Ⅰ의 환원부위(예, paraquat)이거나 두 광계사이의 전자운반체인 퀴논 결합부위(예, DCMU)이다(그림 7.25). 광합성 전자전달계의 특정부위를 특이하게 차단하는 이들 제초제들은 광합성 전달전달계의 연구에 크게 이용되고 있다.

파라쿼트(paraquat)는 결합형 페레독신과 NADP⁺ 사이의 전자전달을 가로막고, 산소분자를 환원시켜 수퍼옥시드(superoxide, O₂^-)를 형성한다. 수퍼옥시드는 엽록체에서 다양한 분자와 비특이적으로 반응하는 자유라디칼이고, 엽록체 활성을 빨리 잃게 하며, 세포막의 지질분자에 특히 민감하게 작용한다.

퀴논 결합부위에 작용하는 제초제는 Q_B 결합부위를 두고 플라스토퀴논과 경쟁적으로 결합한다. 제초제가 산화형의 플라스토퀴논 대신에 이 부위에 결합하면 제초제는 전자를 받아들일 수 없기 때문에 전자는 첫번째 퀴논수용체인 Q_A에 머물게 된다. 따라서 결합한 제초제는 효과적으로 전자전달을 막고 광합성이 억제된다. 이와 같은 방법으로 작용하는 많은 제초제들은 퀴논형 전자수용체 복합체를 가진 광합성 세균의 전자전달 또한 억제할 수 있다. 이들 제초제를 여러해 동안 계속하여 사용한 지역에서 이들 제초제에 저항성인 잡초들이 나타났으며 그들의 저항성에 대한 연구에서 이들 제초제가 32 kD 단백질에 결합함이 확인 되었고, 이 단백질이 Q_B가 결합하는 반응중심을 감싸고 있는 D₁ 단백질임이 밝혀졌다. 몇몇 저항성 잡초의 경우 D₁ 단백질에 있는 하나의 아미노산이 다른 것으로 치환되어 제초제와 결합부위에 대한 제초제의 결합 친화도가 감소하여 저항성이 나타남이 확인되었다. 이 결과는 광계 II 반응중심의 단백질에 미묘한 변화를 유도함으로써 작물의 제초제에 대한 민감성을 정교하게 조절할 수 있는 가능성은 보여주고 있어 농화학 산업의 흥미를 크게 끌고있다. 생물공학을 통하여 현재 특별한 제초제 대한 특이한 저항성이 있는 작물이 만들어지고 있으며 이와 같이 저항성이 없는 잡초를 쉽게 방제할 수 있는 방법이 계속 고안되있다.