brunch

You can make anything
by writing

C.S.Lewis

by 모두의 과학 Jan 31. 2020

빛에너지가 당이 되는 과정, 광합성의 속내

빛이나 열 화학물질의 에너지를 이용해서 탄수화물을 스스로 합성하는 생물을 독립영양생물이라고 합니다. 반대로 다른 생물을 섭취해서 에너지를 얻는 생물은 종속영양생물이라고 하지요. 동물이나 버섯과 같은 균류가 대표적입니다.

독립영양생물의 엽록체 구조

바다에서 가장 거대한 조류, 켈프

독립영양생물 중 가장 많은 종류가 빛에너지를 이용해서 탄수화물을 합성하는 광합성 생물인데 육지에 사는 식물과 바다나 하천에 사는 조류(algae)가 대표적입니다. 이들은 탄수화물을 생성하기 위해 물과 이산화탄소를 재료로 쓰지요.

엽록체의 선조 시아노박테리아 @Public Domain (Wikimedia)

독립영양생물 세포 안에서 광합성을 하는 것은 엽록체인데 이 엽록체는 아주 옛날 독립적인 단세포 생물이었습니다. 바로 시아노박테리아란 세균이었지요. 시아노박테리아는 지금도 하천에서 쉽게 볼 수 있습니다.

시아노박테리아를 광합성 생물의 선조들이 잡아먹어 세포 안에 가두게 된 후 이들은 세포내 공생을 하게 되었습니다. 그래서 엽록체는 잡아먹은 생물의 세포막에서 유래한 외막과 시아노박테리아의 원래 세포막인 내막으로 구성되어, 두 가지 막을 가진 이중막 구조입니다.

엽록체의 구조 by Kelvinsong CC BY 3.0 (Wikimedia)

빛을 흡수하는 엽록소

엽록체가 광합성을 하려면 먼저 내부의 색소에서 빛을 흡수해야 합니다. 이 기능을 담당하는 엽록소는 그러나 한 종류가 아니라 엽록소a 엽록소b 엽록소c 엽록소d 등 네 종류가 있습니다.

육지의 식물과 녹조류는 엽록소a와 엽록소b를 가지고 있고, 김과 같은 홍조류는 엽록소a와 엽록소 d를, 미역이나 다시마 같은 갈조류는 엽록소a와 엽록소c를 가지고 있습니다. 처음 엽록소를 만들었던 조상들이 다르기 때문이지요.

방사무늬 돌김과 다시마

두 가지 광합성 반응, 명반응과 암반응

엽록체에서는 엽록소가 흡수한 빛에너지로 두 가지 반응이 일어납니다. 하나는 명반응이고 다른 하나는 암반응입니다. 명반응은 빛이 필요한 반응으로 엽록체 내의 엽록소를 가지고 있는 틸라코이드란 곳에서 일어납니다. 암반응은 빛이 필요 없는 반응으로 엽록체의 스트로마에서 일어나지요.

틸라코이드는 동전 모양의 막구조물로 켜켜이 쌓여 그라나를 이룹니다. 스트로마는 그라나를 둘러싼 엽록체 내부의 기질입니다.

명반응은 물을 분해해서 수소와 산소로 나눕니다. 산소는 필요 없으니 밖으로 내놓지요. 또 명반응에서는 빛에너지를 이용하여 18개의 ATP를 생성합니다.

ATP는 생물체 내부에서 에너지를 전달하기 위해 사용하는 일종의 에너지 화폐입니다. ATP는 암반응에서 포도당을 합성하는데 필요한 에너지를 제공합니다. 또한, 명반응은 NADP라는 물질에 수소원자를 결합시켜 NADPH를 만들지요.

결국 명반응은 식물이 포도당을 만들기 위해 필요한 에너지인 ATP와 빛에너지를 이용해 수소를 생산하는 과정입니다.

암반응은 이산화탄소와 NADPH의 수소를 가지고, 포도당을 만드는 반응입니다. 보통 캘빈회로라 불리는 순환 과정을 거쳐서 포도당이 만들어집니다. 포도당 한 분자를 만들기 위해선 이산화탄소 여섯 분자와 NADPH 열두 분자가 필요합니다. 그리고 이 반응을 진행시키는 에너지는 18개의 ATP에 의해 제공되지요.