광합성과 호흡작용

지구상의 생물들은 생활에너지원으로 태양을 이용한다. 태양광은 생물권에서 식물의 광합성작용에 관여하여 에너지원인 유기물질 생산의 원동력이 된다.

녹색식물의 광합성작용에 의해 태양광의 물리적 에너지가 화학적 에너지로 전환되고 무기물로부터 유기물이 된 탄소가 생긴다. 유기물이 된 탄소는 생물 간의 먹이연쇄를 통하여 낮은 영양단계의 생물로부터 높은 영양단계의 생물로 이어짐으로써 각각의 생물이 생명을 유지하는 에너지원이 되고 있다.

지구상의 생물들은 태양광을 이용하기 때문에 각종 생리작용이 광과 깊은 관계가 있음은 물론, 지구의 자전에 따른 24시간 주기의 광 리듬에 크게 영향을 받는다.

광합성과 호흡작용

1. 광합성 작용

 

녹색식물은 광을 받아 엽록소를 형성하며 또한 광에너지의 존재하에서 이산화탄소와 물을 이용하여 유기물을 형성하고 산소를 방출하는 작용, 즉 광합성 작용을 한다.

 

광합성은 태양에너지를 화학에너지란 다른 형태의 에너지로 전환시키는 것이다. 광합성은 녹색식물의 잎에서 발생한다. 잎의 아랫부분에는 기공이라는 작은 구멍이 있다. 기공의 수와 크기가 대기와 잎 사이의 가스교환을 조절한다.

 

기공이 열리면 CO2는 대기에서 잎 안으로 들어가고 잎 내부의 수분을 증발한다. 빛은 기공의 계폐에 중요한 조절인자이다. 일반적으로 낮에는 기공이 열려있고 밤에는 기공이 닫혀있다.

 

광합성은 두 가지 과정으로 되어 있다. 제 1과정은 광화학적인 과정으로 광합성 색소가 광에너지를 이용하여 NADP(Nicotinamid Adenin Dinucleotide Phosphate)를 NADPH2로 환원하고 또 광인산화에 의하여 ADP를 ATP로 변화시킨다.

 

제2과정은 이산화탄소를 고정, 환원하는 과정으로 이산화탄소를 고정하고 제1 과정에서 생성한 NADPH2와 ATP를 써서 탄수화물을 만드는 것이다. 두 가지 과정에 의하여 CO2 + H2O + 광에너지 = (CH2O) n +O2의 광합성 반응이 완료된다.

광합성과정 : 태양광(태양에너지) + 6CO2(이산화탄소) + 6 H2 O(물) → C6 H12 O6(당) + 6O2(산소)

호흡작용 : C6H12O6 + 6O2 → 6 H2 O +6CO2 + 에너지

 

호흡 시 산소는 당과 반응하여 이산화탄소와 물을 생성한다. 고등녹색식물은 제2과정에서 이산화탄소가 환원되는 물질에 따라 C3식물, C4식물 그리고 CAM식물의 세 가지 종류로 구분된다.

이산화탄소를 공기에서 직접 얻어 캘빈회로에 이용하는 식물을 C3식물이라고 하는데 최초로 합성되는 유기물이 3 탄소화합물이기 때문이다. 벼, 밀, 콩, 귀리 같은 식물이 해당된다.

 

 날씨가 덥고 건조하면 C3 식물은 수분손실을 줄이기 위해 잎 표면의 기공을 닫기 때문에 광합성률이 감소되어 작물생산이 줄어든다. 기공을 닫으면 이산화탄소가 들어오고 산소가 나가는 것을 막게 된다. 그 결과 잎 안의 이산화탄소가 점점 낮아지는 반면 산소가 쌓이게 된다.

 

이렇게 되면 탄소고정효소 루비스코(rubisco)가 이산화탄소 대신 산소와 결합하면서 3 탄소화합물 대신 2 탄소화합물을 생성하였다가 이산화탄소와 물로 분해한다. 산소고정으로 시작되는 이 과정을 광호흡이라고 한다. 광호흡은 당이 합성되지 않고 ATP를 생성하지 않기 때문에 소비적인 과정이다.

 

C4 식물은 C3 식물과는 달리 수분을 보존하고 광호흡을 억제하는 적응기구를 갖고 있다. 날씨가 덥고 건조하면 기공을 닫아 수분을 보존하는 동시에 탄소를 4 탄소화합물로 고정시키는 효소가 있다. 이 효소는 C3 식물의 루비스코와는 달리 산소와 결합하지 않는다. 그 결과 잎의 이산화탄소 농도가 산소 농도보다 훨씬 낮은 조건에서도 4 탄소화합물로 계속해서 고정할 수 있다.

C3식물, C4식물, CAM식물의 탄소고정

C4 식물은 4 탄소화합물이 유관속초세포로 건너가 분해되면서 캘빈회로에 이산화탄소를 공급하기 때문에 기공이 대부분 닫혀 있더라도 광합성을 계속할 수 있다. 대표적인 C4 식물로는 옥수수, 수수, 사탕수수 등이 있다.

 

선인장, 파인애플, 솔잎국화 같은 대부분의 다육식물에는 다른 탄소고정 기작이 발달되어 있다. 이들을 CAM식물이라고 한다. CAM이란 crassulacean acid metabolism의 약자로 밤에만 기공을 열어 이산화탄소를 받아들이는 방법으로 수분을 보존하며 이산화탄소가 잎에 들어오면 C4 식물처럼 4 탄소화합물로 고정한다. 

 

밤에 4 탄소화합물의 형태로 이산화탄소를 저축했다가 낮에 캘빈회로로 방출한다. 따라서 낮 동안 잎으로 이산화탄소가 들어오지 않더라도 광합성을 계속할 수 있다. C3 식물과 C4 식물의 해부학적인 차이를 보면 C3 식물의 유관속세포에는 엽록체가 적고 그 구조도 엽육세포와 유사하다. 그러나 C4 식물의 유관속초세포에는 다수의 엽록체가 함유되어 있고 그 구조도 엽육세포와 다르다.

C3 식물과 C4식물의 해부학적 차이

C4식물은 엽육세포가 유관속초세포 주위에 방사상으로 배열한다.

광합성에는 6,750Å을 중심으로 한 6,500~7,000Å의 적색광 부분과 4,500Å을 중심으로 한 4,000~5,000Å의 청색광 부분이 가장 유효하고 녹색, 황색, 주황색 파장의 광은 대부분 투과, 반사되어 효과가 적다.

2. 호흡작용

 

작물의 호흡은 단백질, 지방, 탄수화물에 화학결합으로 저장되어 있는 에너지를 방출하여 다른 형태의 화학에너지(ATP)로 합성하는 과정이다. 모든 동식물이 호흡을 하지만 광합성작용을 할 수 있는 것은 식물과 일부 박테리아뿐이다.

 

광합성에서 고정된 많은 CO2가 호흡으로 다시 방출되는 것이다. 호흡에 사용되는 광합성 산물은 식물이 생산하는 것의 약 20~40%에 달한다. 이 비율에 영향을 미치는 요인 중의 하나는 온도로서, 광합성과 호흡의 상대적 비율은 온도에 따라 달라진다.

 

C3 식물의 경우에는 온도가 30℃ 이상이 되면 광합성 속도는 감소하기 시작하지만 호흡은 더 증가한다. 이는 고정탄소의 생산성을 높이기 위해서는 낮에 비하여 밤에 서늘해야 한다는 것을 뜻한다.

 

광호흡이 일어나면 광합성 과정 중에서 CO2를 처음으로 고정하는 효소가 CO2와 결합하지 않고 산소와 결합하며, 그 후 일련의 연속된 과정을 거쳐서 CO2가 방출된다. 식물에서 순탄소고정은 다음과 같다.

순탄소고정 = 광합성 - 호흡 - 광호흡

 

산소에 의한 이와 같은 순탄소고정 억제작용은 잎에서 O2와 CO2의 상대적인 농도에 따라 결정된다.