광합성: 탄소반응

1 캘빈회로

1) 캘빈 회로는 카복시화, 환원 그리고 재생성의 세 단계로 진행된다

- 캘빈 회로는 1950년대에 멜빈 켈빈과 그의 동료들에 의해 밝혀졌으며, 1961년 노벨상을 수상하였다.

■ 캘빈 회로는 다음의 3단계로 진행된다.

① CO2 수용체인 RuBP가 카르복실화되어 회로의 최초 안정 중간산물인 3-PGA가 형성된다.

② 3-PGA가 환원되어 탄수화물인 G-3P (glyceraldehyde-3-phosphate)가 형성된다.

③ G-3P에서 CO2 수용체인 RuBP가 재생산된다.

2) 리불로오소 이인산의 카복시화는 효소, 루비스코에 의하여 촉매된다

◦ CO2 는 RuBP와 반응하여 2분자의 PGA를 형성한다.

- 이 반응은 Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)에 의해 촉매된다.

- Rubisco는 매우 풍부하여 대부분의 잎에서 총 수용성 단백질의 40%를 차지한다.

- 스트로마에서 Rubisco의 농도는 4mM 정도인데, 이는 기질인 CO2 농도의 약 500배에 달한다.

3) 캘빈 회로의 환원 단계에서 삼탄당 인산이 형성된다

◦ 다음 단계에서 카르복실화의 결과로 생긴 PGA는 두 단계의 변형을 거친다

① ATP를 이용하여 PGA 키나아제의 작용을 거쳐 DPGA (1,3-bisphosphogylcerate)로 인산화된다.

② NADPH를 이용하여 PGAL로 환원된다.

- 이 단계는 NADP:글리세르알데하이드-3-인산 탈수소효소에 의해 촉매된다.

4) 캘빈 회로가 작동하기 위해서는 리불로오스-1,5-이인산이 재생되어야 한다

◦ CO2 가 계속 흡수되려면 CO2 수용체인 RuBP가 계속 재생산 되어야 한다.

- 3탄당 인산 5분자의 탄소가 재배열되어 3분자의 RuBP가 생성된다.

① 한 분자의 G-3P은 3탄당 인산이성질화효소 (triose phosphate isomerase)에 의한 이성질화 반응으로 디히드록시아세톤-3-인산으로 바뀐다.

② 이후, 알돌라아제 (aldolase) 촉매반응에 의하여 디히드록시아세톤-3-인산은 두 번째 분자인 글리세르알데하이드-3-인산과 함께 과당-1,6-이인산을 형성한다.

③ 과당-1,6-이인산은 회로에서 중요한 위치를 차지하며, 과당-6-인산으로 가수분해된 후 케톨전달효소(transketolase)와 반응한다.

④ 이탄소단위(과당-6-인산의 C1과 C2)는 케톨전달효소에 의해 세 번째 분자인 글리세르알데히드-3-인산으로 전달되어 에리트로오스-4-인산(erythrose-4-phosphate), 크실로오스-5-인산 (xylulose-5-phosphate)을 형성한다.

⑤ 에리트로오스-4-인산은 압둘라아제의 작용을 통하여 네 번째 분자인 삼탄당 인산 (디히드록시아세톤 인산)과 결합하여 칠탄당인 세도햅튤로오스-1,7-이인산을 형성한다.

⑥ 이는 다시 특정한 인산가수분해효소에 의하여 세도햅튤로오스-7-인산으로 가수분해된다.

⑦ 세도햅튤로오스-7-인산은 케톨기전달효소의 작용에 의해서 이탄소단위를 다섯 번째 G-3-P분자에 넘겨주어 리보오스-5-인산, 크실롤로오스-5-인산을 형성한다.

⑧ 두 분자의 크실롤로오스-5-인산은 에피머화 효소에 의하여 두 분자의 리블로오스-5-인산으로 전환된다. 리블로오스-5-인산의 세 번째 분자는 이성질화 효소에 의해 리보오스-5-인산으로부터 형성된다.

⑨ 마지막으로 포스포리블로오스키나아제 작용에 의해 리블로오스-5-인산이 ATP로 인산화되어 초기 CO2 수용체의 역할을 하는 리블로오스-1,5-이인산 3분자가 형성된다.

5) 캘빈 회로는 자신의 생화학적 성분들을 재생성한다

◦ 중간산물 농도가 증가하면 캘빈회로의 작동 속도는 더욱 빨라진다.

6) 캘빈 회로의 화학양론은 삼탄당 인산의 6분의 1만이 설탕이나 녹말을 만들기 위해서 사용된다는 점을 나타낸다

◦ CO2  고정회로의 작동을 위해서 ATP 및 NADPH 형태의 에너지가 투입되어야 한다.

- 6탄당 분자 합성을 위해서 18분자의 ATP와 12분자의 NADPH가 소모되면서 6분자의 CO2 가 고정되어야 한다.

■ 광합성의 최대 총열역학 효율:

◦ 680 nm 적색광은 광장의 양자 1몰당 175 KJ(42Kcal)의 에너지를 갖는다.

- 고정되는 CO2 당 최소 양자요구량은 보통 8개이다.

- 따라서 6몰의 CO2를 1몰의 6탄당으로 환원시키는 데 필요한 최소의 광에너지는 약 6 X 8 X 175 KJ = 8,400 kJ (2,016 kcal)이다.

- 하지만 과당과 같은 6탄당 1몰이 완전 산화되면 2,804 kJ (673 kcal)의 에너지만 방출된다.

- 그러므로 최대 열역학효율은 33%이다. (대부분 빛에너지는 캘빈회로보다 ATP와 NADPH를 생성할 때 소모한다)

◦ 캘빈회로의 효율은 1몰당 29 kJ (7kcal)과 217 kJ (52 kcal)의 ATP 가수분해와 NADPH의 산화와 관련된 자유에너지의 변화를 계산하여 구할 수 있다.

- 캘빈회로는 각각 NADPH와 ATP의 형태로 (12 X 217) + (18 X 29) = 3,126 kJ (750 kcal)을 소모하여 열역학효울이 90%에 달한다.

2 캘빈회로의 조절

◦ 캘빈회로의 단기적 조절은 중간산물의 농도를 최적화하는 몇가지 기작에 의해 이루어진다.

① 화학적으로 변형된 효소를 만드는 공유결합의 변형

② 대사산물의 결합이나 세포환경 (pH 등) 조성의 변화와 같은 비공유 상호작용의 변형

1) 광의존적인 효소활성화에 의하여 캘빈 회로가 조절된다

■ 캘빈 회로에서는 다음 다섯 가지 효소가 빛에 의해서 조절된다.

① 루비스코

② NADP; 글리세르알데히드-3-인산 탈수소효소

③ 과당-1,6-이인산 가수분해효소

④ 세도헵튤로오스-1,7-이인산 가수분해효소

⑤ 포스포리불로오스 키나아제

◦ ② - ⑤번까지의 네 효소는 하나 이상의 이황화 (-s-s-)기를 포함하는데, 빛은 페레독신-티오레독신계의 티올기에 근거한 산화환원 메커니즘에 의해 이들 네가지 효소의 활성을 조절한다.

2) 루비스코 활성은 빛에서 증가한다

◦ 루비스코 자체는 티오레독신에 반응하지 않는다.

◦ 루비스코-CO2-Mg2+ 복합체의 형성 동안 두 개의 양성자가 방출되므로, pH와 Mg2+ 농도를 높이면 활성화가 촉진된다.

- 따라서 광의존적인 스트로마의 pH와 Mg2+ 변화로 루비스코는 빛에 의해 쉽게 활성화 된다.

◦ 루비스코는 또한 (카복시 반응의 6탄소 전이 중간산물과 닮은) 카복시아라비니톨-1-인산이라는 당인산에 의해서도 조절된다.

3) 광의 존적인 이온 이동에 의하여 캘빈 회로 효소가 조절된다

◦ 빛은 루비스코와 다른 엽록체 효소의 활성에 영향을 미치는 스트로마 내의 가역적인 이온 변화를 일으킨다.

◦ 빛을 비추면 양성자들은 스트로마에서 티라코이드 루멘으로 펌핑되며, 이에 따라 Mg2+ 는 스트로마로 유입된다.

◦ 이에 따라 스트로마 내의 pH는 7에서 8로 변하고 Mg2+의 농도는 증가한다.

- 빛을 받지 못하면 이같은 엽록체 스트로마의 이온 조성 변화는 역전된다.

4) 광의존적 막수송에 의하여 캘빈 회로가 조절된다

◦ 엽록체에서 탄소가 수송되는 속도는 캘빈 회로를 조절하는 역할을 한다.

- 탄소는 엽록체 포막의 내막에서 인산 수송 단백질을 통하여 무기인산과 교환되는 방식으로 삼탄당 인산의 형태로 배출된다.

3 C2 산화를 일으키는 광합성 탄소회로

1) 광합성의 CO2 고정과 광호흡의 산화과정은 경쟁반응이다

◦ RuBP와 한 분자의 O2 가 결합하면, 2-포스포글리콜산 (2-phosphoglycolate)과 3-포스포글리세르산으로 나누어지는 불안정한 중간산물이 만들어진다

▶ 시험관 내에서 O2 와 CO2를 동일한 농도로 제공하면 피자식물의 루비스코는 산소를 고정하는 것보다 약 80배 정도 빠른 속도로 CO2 를 고정한다.

- 하지만 25℃에서 공기로 평형화된 수용액의 CO2 / O2 의 비는 0.0416이다.

- 이 농도에서 카복실화 속도는 산화속도의 3배 정도이다.

◦ C2 산화를 일으키는 광합성탄소회로는 루비스코의 산소화효소 반응에 의해 광호흡으로 소실되는 고정된 탄소를 회수하는 역할을 한다.

① RuBP의 산화에 의해 형성된 2-포스포글리콜산은 특정한 엽록체 인산가수분해효소에 의하여 그리콜산으로 빨리 가수분해된다.

- 글리콜산이 더 대사되기 위해서는 퍼옥시솜과 미토콘드리아가 참여한다.

② 글리콜산은 퍼옥시솜에서 글리콜산 산화효소에 의해 글리옥실산과 과산화수소로 산화된다.

③ 퍼옥시솜 내의 과량의 과산화물은 카탈라아제의 작용에 의해 분해되며, 글리옥실산은 아미노기를 전달받는다.

- 이 아미노기 전달의 아미노 공여체는 글루탐산이며, 산물은 글리신이다.

④ 글리신은 미토콘드리아로 들어간다.

- 여기에서 글리신 탈카복실효소 (gylcine decarboxylase) 복합체는 두 분자의 글리신과 한 분자의 NAD를 각각 한 분자의 세린, NADH, NH4, CO2 로 바꾼다.

⑤ 글리신의 산화에 의해 형성되는 암모니아는 미토콘드리아에서 엽록체로 빨리 확산되며, 그곳에서 글루타민 합성효소에 의해 탄소골격과 결합하여 아미노산을 형성한다.

⑥ 세린은 퍼옥시솜으로 전달되며, 아미노기 전달반응을 거쳐 히드록시 피루부산이 되며, 다시 NADH 의존성 환원 반응에 의해 글리세르산으로 환원된다.

- 말산-옥살초산 (oxaloacetate) 셔틀은 NADH를 세포질로부터 퍼옥시솜으로 전달하며, 이 반응으로 NADH의 농도를 적절하게 유지한다.

⑦ 마지막으로 글리셀산은 엽록체로 돌아가서 인산화되어 포스포글리세르산을 형성한다.

▶ 따라서 전체적으로 RuBP의 산화로 캘빈 회로에서 소실된 두 분자의 포스포글리콜산 (4탄소 원자)은 한 분자의 3-PGA와 한 분자의 CO2 로 전환된다.

▶ 즉, RuBP의 산화로 소실된 탄소 중 75%가 C2 산화를 일으키는 광합성 탄소회로에 의해 회수되며, 캘빈회로로 되돌아온다.

2) 카복시화와 산화 사이의 경쟁 때문에 광합성 효율이 감소한다

3) 온전한 잎에서 카복시화와 산화는 서로 맞물려 있다

◦ 캘빈회로는 독립적으로 작동할 수 있지만 C2 산화를 일으키는 광합성 탄소회로는 RuBP의 공급을 캘빈회로에 의존해야 한다.

◦ 두 회로 사이의 균형은 루비스코의 키네틱스 특성, 기질인 O2 와 CO2 의 농도, 온도 등에 의존한다.

4) 광호흡의 생물학적인 역할은 알려지지 않고 있다

▶ 광호흡을 억제하는 3가지 메커니즘

① C4 광합성 탄소고정

② 크레슐산 대사

③ 원형질막의 CO2 펌프

4. CO2 농축 메커니즘 Ⅰ: 조류와 남조류의 펌프

◦ 조류와 남조류 세포들을 CO2 농도가 5% 높은 대기 중에서 배양 후 낮은 CO2 농도의 배양액으로 옮기면 광호흡이 일어난다.

◦ 그러나 만약 세포들을 0.03% CO2 포함하는 대기 중에서 키우면 내부적으로 무기탄소 (CO2, HCO3)를 농축하는 능력이 발달한다.

- 이들은 낮은 CO2 농도에서도 더 이상 광호흡을 하지 않는다.

◦ 수생환경의 CO2 농도에서 루비스코는 최대 할성에 훨씬 미치지 못하는 활성을 나타낸다. 해양 및 담수생물들은 원형질막의 CO2 -HCO3 펌프를 사용하여 무기탄소를 농축함으로써 이 결점을 극복한다.

- 농축된 HCO3는 탄산탈수소효소에 의해 CO2 로 전환되어 캘빈회로로 들어간다.

5. CO2 농축 메커니즘 Ⅱ: C4 탄소 회로

1) 말산과 아스파르트산은 C4 회로의 카복시화 산물이다

◦ C4 식물 잎에서의 최초 카복실화는 포스포에놀피루브산 카복실효소에 의하며, 말산과 아스파르트산이 최초 산물이다.

◦ 말산의 4번 탄소가 PGA의 1번 탄소로 전달된다.

◦ 참여 효소 중 PEP 카복시화효소와 피루브산-오르토인산 디키나아제 (pyruvate- rthophosphate dikinase)는 엽육세포에만 존재하며, 나머지 캘빈회로의 모든 효소는 유관속초 세포에만 존재한다.

2) C4 회로는 유관속초 세포에서 CO2를 농축한다

▶ C4 회로는 네 단계로 구성된다.

① 엽육세포에서 PEP의 카복시화에 의해 CO2 가 고정되어 C4산 (말산 또는 아스파르트산) 형성

② C4산을 유관속초 세포로 수송

③ 유관속초 세포 내에서 C4산이 탈카복시화되면서 형성된 CO2 가 캘빈회로f

통하여 탄수화물로 환원.

④ 탈카복시화에 의해 형성된 C3산 (피루브산 또는 알라닌)을 엽육세포로 수송하여 CO2 수용체인 PEP 재생성

◦ 엽육세포와 유관속초 세포 사이에서의 대사물 수송은 원형질연락사를 통한 확산 기울기에 의해 추진되며, 세포 내의 수송은 농도 기울기 및 엽록체 포막의 특정한 수송단백질의 작동에 의해 조절된다.

3) 유관속초 세포에서 CO2가 농축되는 데는 에너지가 필요하다

◦ 에너지 계산 결과, CO2 농축과정은 수송되는 CO2 분자당 두 분자의 ATP를 더 사용한다.

- 따라서 C4 및 캘빈회로 결합에 의하여 CO2 가 고정할 때 CO2 당 총 5개의 ATP와 두 개의 NADPH가 필요하다.

4) 빛은 주요 C4 효소의 활성을 조절한다

5) 뜨겁고 건조한 기후에서 C4 회로는 광호흡과 수분 소실을 저해한다

6. CO2 농축 메커니즘 Ⅲ: 크래슐산 대사

◦ 돌나물과 (Crasulaceae) 이외에 파인에플과 바닐라, 용설란, 선인장, 대극과 식물 등도 CAM식물이다.

◦ CAM 메커니즘은 식물의 물 사용 효율을 증가시킨다.

- CO2 1그램이 고정될 때, C4 및 C3 식물은 각각 250-300, 그리고 400-500g의 물을 잃는데 비하여 CAM식물은 50-100g 정도의 물을 잃는다.

◦ 기공이 열리는 밤에는 세포질의 PEP 카복시화효소에 의해 CO2 가 고정되며, 옥살초산으로부터 형성되는 말산은 액포 내에 저장된다.

◦ 낮 동안에, 말산은 엽록체로 수송되어 NADP-말산 효소에 의해 탈카르복시화되며, 방출된 CO2 는 캘빈회로에 의해 고정되고, NADPH는 탈카르복시화된 삼탄당 인산을 녹말로 전환시키는데 사용된다.

1) CAM 식물의 기공은 밤에 열리고, 낮에 닫힌다

◦ CO2 는 PEP가 옥살초산으로 카복시화될 때 편입되며, 옥살초산은 이후 말산으로 환원된다. 말산은 액포에 저장된다.

2) 인산화는 C4 및 CAM 식물의 탈카복시화효소를 조절한다

3) 일부 식물들은 환경조건에 따라 CO2흡수 패턴을 조정한다

◦ 식물들은 발달이나 번식 도중에 물과 CO2 의 공급을 최대화하는 많은 메커니즘을 갖는다.

◦ 규조류는 C4 경로와 동시에 CO2 농축 메커니즘이 작동한다. 규조류는 환경의 변화에 부응하여 다른 CO2 농축 메커니즘을 사용할 수 있는 광합성 생물체의 대표적 예이다.

7. 녹말과 설탕의 합성

◦ 대부분의 식물에서 설탕의 형태로 체관부에서 수송된다.

◦ 녹말은 모든 식물체에서 존재하는 불용성의 안정된 탄수화물 저장 성분이다.

1) 녹말은 엽록체에서 합성된다

◦ 전분은 삼탄당 인산으로부터 과당-1,6-이인산을 거쳐 합성된다.

2) 설탕은 세포질에서 합성된다

◦ 설탕은 세포질에서 삼탄당으로부터 합성된다.

- 녹말과 유사하게 과당-1,6-이인산과 포도당-1-인산을 경유한다.

3) 설탕과 녹말의 합성은 경쟁하는 반응들이다

◦ 오르토인산과 삼탄당 인산의 상대적인 농도는 광합성에 의하여 고정된 탄소가 엽록체의 녹말이나 세포질 내의 설탕으로 전류되는 것을 조절하는 인자이다.

◦ 인산수송단백질은 엽록체와 세포질 사이에서 오르토인산과 삼탄당인산의 역방향 이동을 촉매한다.

- 세포질 내 오르토인산 농도가 낮을 때는 수송단백질을 통한 엽록체로부터의 삼탄당 인산의 유출을 제한하여 녹말의 합성을 촉진한다.

- 역으로 세포질 내 오르토인산이 풍부하면 엽록체 내 녹말 형성을 저해하고, 세포질 내로 삼탄당 인산의 유출을 촉진하여 설탕 합성을 촉진한다.