광합성(Photosynthesis)은 식물과 조류, 세균이 빛에너지를 화학에너지로 전환시키는 과정을 의미합니다. 광합성 재료로 이산화탄소와 물을 사용하고 부산물로 기체 산소를 배출 합니다. 광합성을 통해 만들어진 화학에너지는 당분자의 화학결합에 저장되 있습니다. 자신의 식량을 만들어내는 생물을 독립영양생물이라 불리며, 광합성을 통해 자신의 식량을 만들어내는 생물을 광독립영양생물이라고 명명합니다.
1. 엽록체
엽록체는 식물, 조류 등의 세포 내 존재하는 세포소기관으로 광합성이 일어나는 장소입니다. 엽록체는 빛에너지를 화학에너지로 전환하여 포도당과 같은 유기화합물을 합성하며 이 과정에서 산소를 밖으로 방출하는 역할을 합니다. 더불어 식물의 녹색 빛깔은 엽록소에서 비롯됩니다.
엽록체는 미토콘드리아와 같이 이중막구조를 갖고 있으며 틸라코이드, 스트로마로 구성되어 있습니다. 이중막 구조 중 외막은 비교적 투과성이 높고, 엽록체의 물질들이 세포질과 교환이 될 수 있도록 합니다. 내막은 틸라코이드 막을 포함하고 있으며, 광합성 반응에 중요한 역할을 합니다. 틸라코이드는 엽록체 내에서 광합성 반응이 일어나는 평평한 막 구조이며, 틸라코이드막은 엽록소를 포함한 중요한 색소와 효소들이 자리 잡고 있습니다. 이러한 틸라코이드가 쌓여 층을 이루는 것을 그라나라고 합니다. 스트로마는 틸라코이드가 포함되지 않은 엽록체의 액상 상태 부분이며, 캘빈회로가 일어나는 곳입니다. 스토로마에는 효소와 물질들이 포함된 진한 액체이며, 광합성에 필요한 여러 화학 반응이 발생합니다. 그리고 스토로마에는 DNA와 리보솜이 포함되어 있어 엽록체는 스스로 단백질 합성을 할 수 있습니다.
2. 광합성의 중요성
광합성은 크게 에너지 공급, 산소 생성, 탄소 고정 3가지 중요한 역할을 합니다. 지상의 모든 생명체에게 에너지원인 유기 화합물을 제공하며 식물, 조류 등은 광합성에 의해 생성된 에너지를 사용하고 번식합니다. 다음 광합성에서 생산된 산소는 우리가 숨을 쉬고 살아가는 대기에서 중요 역할을 합니다. 즉 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 과정으로 지구의 산소 공급원을 유지하는 데 큰 역할을 담당합니다. 마지막으로 광합성은 이산화탄소를 고정하여 유기화합물로 변환하는 과정으로, 지구의 탄소 순환에 중요한 역할을 담당합니다. 마지막으로 광합성은 이산화탄소를 고정하여 유기화학물로 변환하는 과정을 의미합니다.
3. 명반응과 캘빈회로
광합성은 명반응과 캘빈회로 두 과정을 나눠 진행됩니다. 명반응은 틸라코이드 막에서 일어나며 빛 에너지를 이용하여 ATP와 NADPH를 생성하는 과정입니다. 이 과정에서 물은 분해되어 산소를 방출하고, 빛 에너지를 엽록소에 의해 흡수되어 화학 에너지 형태로 변환합니다. 명반응은 두 종류의 광계가 서로 협력하여 진행되며, 다음과 같은 순서로 ATP와 NADPH가 생성됩니다. 1) 광자가 첫 번째 광계의 엽록소에 있는 전자를 들뜨게 하며, 이 전자들은 일차전자수용체에 잡힙니다. 이떄 이 광계는 물에 있는 전자를 추출하여 잃어버린 전자를 대체하며 이 과정에서 산소가 방출됩니다. 2) 첫 번째 광계에서 에너지를 갖게 된 전자는 전자전달 사슬을 거쳐 두 번째 광계로 들어갑니다. 여볽체는 이 전자의 떨어짐에 의해 방출된 에너지를 사용하여 ATP를 생산합니다. 3) 두 번째 광계는 빛에 들뜬 전자를 NADP+에 전달하여 NADPH로 환원시킵니다. 캘빈회로는 빛이 없어도 일어날 수 있는 반응으로, 엽록체의 스트로마에서 발생합니다. 이 단계는 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 이산화탄소를 고정하고 이를 이용하여 포도당과 같은 유기 화합물을 생성합니다.
캘빈회로는 먼저 이산화탄소가 리불로오스 이인산(RuBP)과 결합하여 3- 포스포글리세르산이라는 화합물을 만들어냅니다. 이후 ATP와 NADPH가 사용되어, 3- 포스포글리세르산이 글리세르알데하이드-인산으로 전환합니다. 마지막으로 G3P는 여러 차례의 반응을 거쳐 포도당과 같은 탄수화물로 변환됩니다.