학문
C3 식물 C4 식물 CAM 식물의 이산화탄소 고정 방식 차이점이 궁금해요
건조하거나 기온이 높은 환경에 적응하기 위해 C4 식물과 CAM 식물이 C3 식물과 다르게 이산화탄소를 고정하는 시공간적 방식이 궁금합니다. 옥수수나 선인장이 광호흡 손실을 줄이고 수분을 보존하기 위해 바꾼 대사 경로가 알고 싶어요.
3개의 답변이 있어요!
결론부터 말씀드리면 C3, C4, CAM 식물은 이산화탄소 고정과 켈빈 회로의 분리 방식에서 차이가 납니다.
먼저 C3식물은 전혀 분리 되는 것이 없습니다.
엽육세포에서 루비스코 효소가 이산화탄소를 직접 고정하지만, 건조한 고온 환경에서는 광호흡 손실이 커집니다.
반면 C4식물은 공간적 분리가 되어 있습니다.
엽육세포의 PEP 카복실화 효소가 이산화탄소를 1차 고정한 뒤, 유관속초세포로 옮겨 켈빈 회로를 돌려 광호흡을 최소화합니다.
그리고 CAM식물은 시간적으로 분리되어 있습니다.
수분 증발을 막기 위해 밤에만 기공을 열어 이산화탄소를 말산 형태로 액포에 저장하고, 낮에는 기공을 닫은 채 빛에너지로 광합성을 합니다.
즉, C4는 세포 위치를, CAM은 낮과 밤의 시간을 나누어 고온과 건조 환경에 적응한 것입니다.
채택 보상으로 408베리 받았어요.
채택된 답변안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
C3는 잎 세포에서 곧바로 캘빈회로로 Co2를 고정합니다. C4는 옥수수철머 Co2를 4탄소 화합물로 먼저 고정해 유관속초세포로 옮겨 광호흡을 줄이고 , CAM은 선인장처럼 밤에 CO2를 저장했다 낮에 사용 해 수분 손실을 줄입니다.
안녕하세요. C3, C4, CAM 식물의 차이는 모두 이산화탄소를 탄소화합물로 고정하는 방식은 같지만, 루비스코가 이산화탄소를 만나는 환경을 어떻게 만들어 주느냐에서 비롯됩니다. 특히 덥고 건조한 환경에서는 기공을 닫아 물 손실을 줄여야 하는데, 그러면 잎 내부의 이산화탄소 농도가 낮아지고 산소 농도가 상대적으로 높아집니다. 이때 루비스코가 이산화탄소 대신 산소와 반응하면서 광호흡이 증가하는 것이 문제인데요, C4와 CAM 식물은 이러한 문제를 해결하기 위해 이산화탄소를 루비스코 주변에 농축하는 전략을 발달시켰습니다.
C3 식물은 가장 기본적인 방식인데요, 이산화탄소가 기공을 통해 들어오면 엽육세포의 엽록체에서 루비스코가 바로 이산화탄소를 고정하고, 그 결과 3탄소 화합물인 3-인산글리세르산이 만들어집니다. 그래서 C3 식물이라고 부릅니다. 벼, 밀, 콩 등이 대표적입니다. 문제는 기온이 높고 건조할 때입니다. 식물이 물을 아끼기 위해 기공을 닫으면 이산화탄소가 잎 안으로 들어오기 어려워지고, 루비스코가 산소와 반응하는 광호흡이 증가합니다. 따라서 C3 방식은 비교적 서늘하고 습한 환경에서는 효율적이지만 고온·건조 환경에서는 불리해집니다.
C4 식물은 이 문제를 공간적으로 해결하는데요, 대표적인 옥수수를 보면 잎의 엽육세포에서 먼저 이산화탄소를 탄소산으로 바꾼 뒤 PEP 카복실화효소가 이를 이용하여 4탄소 화합물인 옥살로아세트산을 만들고, 이것이 말산이나 아스파르트산으로 전환됩니다. 이 4탄소 화합물은 잎맥 주변의 유관속초세포로 이동합니다. 여기에서 다시 이산화탄소가 방출되고, 높은 농도로 모인 이산화탄소를 루비스코가 받아 캘빈 회로를 진행합니다. 즉 엽육세포에서는 이산화탄소를 먼저 포획하고, 유관속초세포에서는 루비스코가 농축된 이산화탄소를 이용하는 것입니다. 이렇게 서로 다른 세포가 역할을 나누기 때문에 C4 식물에서는 루비스코 주변의 이산화탄소 농도가 높아져 산소와 경쟁할 가능성이 감소하고 광호흡도 크게 억제됩니다.
반면 CAM 식물은 공간이 아니라 시간을 분리하는데요, 선인장이나 일부 다육식물이 대표적입니다. 밤에는 기온이 낮고 상대습도가 높아 물 손실이 적기 때문에 기공을 열고 이산화탄소를 받아들입니다. 이때 PEP 카복실화효소가 이산화탄소를 먼저 고정하여 4탄소 유기산인 말산으로 만들고, 이를 액포에 저장합니다. 낮이 되면 기공을 닫아 수분 손실을 최소화하면서 저장해 둔 말산을 분해하여 이산화탄소를 방출하며, 이렇게 방출된 이산화탄소를 같은 세포의 엽록체에 있는 루비스코가 이용하여 캘빈 회로를 진행합니다. 따라서 CAM에서는 밤에 이산화탄소를 포획하고 낮에 그 이산화탄소를 꺼내 사용하는 시간적 분업이 이루어집니다. 감사합니다.