광합성은 엽록체가 햇빛 에너지를 활용하여 이산화탄소와 물을 이용해 탄수화물을 생산하는 과정으로, 이는 생리적인 작용을 일으키는 기본원리이다. 이러한 과정은 크게 두 가지 단계로 나뉜다. 첫 번째는 햇빛에 반응하여 필요한 에너지를 생성하는 광반응 단계이며, 두 번째는 암반응 단계로, 첫 번째 단계에서 생성된 에너지를 활용하여 이산화탄소를 환원시켜 탄수화물을 합성하는 과정이다.
요약하면, 광합성의 명반응에서는 태양에너지가 조효소인 ATP와 NADPH에 저장되고, 이후 암반응에서는 이러한 저장된 에너지를 이용하여 탄수화물을 합성한다.
1. 명반응
명반응은 광합성의 첫 단계로, 엽록체의 그라눔 부분에서 햇빛이 있는 상황에서만 진행된다. 엽록소는 햇빛 에너지를 한 군데로 모으고 네 가지 단백질군이 연이어 작용하여 물 분자를 분해하고 산소를 생성하며, 이 과정에서 NADP를 환원하여 NADPH를 생성하고 ATP를 생산한다. 이로써 태양에너지는 광반응을 통해 NADPH와 ATP에 저장되게 된다.
NADPH와 ATP는 높은 에너지를 가진 조효소로, 다른 화학반응을 촉진하는 원동력이 된다. ATP는 일반적으로 고등 생물의 호흡 작용에서 탄수화물을 분해하여 에너지를 생산하는 과정에 참여하는 화합물로, 여기서 중요한 점은 식물이 명반응에서 생성된 ATP를 활용하여 탄수화물 합성(암반응에서 진행)에 필요한 에너지를 생산한다는 점이다.
2. 전자전달계
명반응에서는 약 250개의 엽록소가 태양에너지를 한 곳에 모아 물분자를 분해하는 것을 광분해라고 한다. 이 과정에서 물분자가 분해되어 산소가 발생하며, 방출된 전자(e-)는 여러 물질을 거쳐 최종적으로 NADP에 전달되는데, 이를 전자전달계라고 한다.
전자는 물분자에서 출발하여 NADP까지 전달되는 과정은 햇빛에너지가 없으면 발생할 수 없다. 이러한 전자 전달 과정에서 ATP와 NADPH가 생산되는데, 이것은 양수발전기와 유사한 개념으로 설명될 수 있다. 양수발전기는 전기가 남는 야간에 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어올려 저장하고, 다시 떨어뜨리면서 낙차를 이용해 전기를 생성하는 발전기를 의미한다.
산화-환원 전위차가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전자가 흐르는 것은 엽록소가 태양에너지를 모으기 때문에 가능하며, 이는 양수발전기에서 물을 억지로 끌어올리는 과정과 유사하다. 전자를 받아들이는 두 화합물인 플라스토퀴논(광계2)과 플라스토시아닌(광계1)은 쉽게 환원되지 않지만, 엽록소와 베타카로틴이 햇빛의 힘으로 억지로 환원시킨다. 이렇게 환원된 플라스토퀴논과 플라스토시아닌은 다른 물질을 대신 환원시키려는 힘이 크기 때문에 이를 이용하여 최종적으로 ATP와 NADPH를 생산하는데, 이 과정은 낙차를 이용한 발전과 유사한 원리라고 할 수 있다.
3. 암반응
암반응은 광합성의 두 번째 단계로, 이산화탄소를 이용하여 탄수화물을 합성하는 과정이다. 이 반응은 엽록소가 없는 스트로마에서 햇빛이 없어도 일어날 수 있기 때문에 "암반응"이라고 불린다. 그러나 암반응은 밤에만 일어나는 것이 아니며, 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH가 존재할 때에만 발생할 수 있기 때문에 광합성의 두 번째 단계에 해당한다.
암반응에서는 이산화탄소를 환원시키면서 다른 탄수화물 속으로 집어넣어 탄소의 수를 하나 더 증가시키는 과정이 시작된다. 이 과정에서 이산화탄소 분자는 NADPH로부터 수소이온을 받아들이면서 환원된다. 이산화탄소를 환원시키는 힘은 NADPH의 강력한 환원력에서 비롯된다.
NADPH는 태양에너지에 의해 환원된 것이므로 이산화탄소를 환원시키는 힘은 궁극적으로 태양에너지에서 비롯된다. 따라서 광합성은 환원과정이며, 이는 탄수화물을 산화시키는 호흡작용과는 정반대의 현상이다. 광합성 작용에서 탄소의 이동 과정은 호흡작용의 탄소이동의 역반응에 해당하는 경우가 몇 군데 있다.
출처 : 수목생리학(서울대학교출판문화원)
