식물의 광합성중 명반응과 암반응이 궁금합니다

광합성의 전 과정

▶ 포도당 1분자를 합성하기 위해 진행되는 광합성의 명반응과 암반응의 반응식

• 태양의 빛에너지를 에너지원으로 하여 CO2와 H2O을 재료로 포도당(C6H12O6)을 합성하며, 부산물로 O2가 생성된다.

• 빛이 필요한 명반응과 빛이 필요 없고 CO2가 필요한 암반응의 2단계로 진행되며, 명반응의 산물 중 ATP와 NADPH는 암반응에 이용되므로 명반응이 암반응에 선행되어야 한다.

• 명반응에서는 빛에너지를 이용한 물의 광분해가 일어나 O2가 방출되고, 광인산화가 일어나 ATP와 NADPH가 생성되어 암반응에 공급된다.

• 암반응에서는 명반응으로부터 얻은 ATP와 NADPH를 이용하여 CO2를 환원시켜 포도당을 합성한다.

광합성에서의 에너지 전환

• 광합성에서 명반응은 흡열 반응, 암반응은 발열 반응이지만, 명반응에서 흡수한 에너지양이 암반응에서 방출한 에너지양보다 많으므로 광합성은 전체적으로 흡열 반응이다.

• 광합성에서의 에너지 이동 : 태양의 빛에너지가 화학 에너지 형태로 전환되어 포도당과 같은 유기물에 저장된다.

빛에너지 ---[명반응]--→ 화학 에너지(ATP, NADPH) ---[암반응]--→ 화학 에너지(포도당)

[일부발췌 : http://study.zum.com/book/13540]

명반응과 암반응

앞서 세포호흡과 광합성이 서로 상보적인걸 보았는데, 광합성 또한 따지고 보면 명반응과 암반응이 반응물과 생성물이 반대가 되면서 상보적이네요. 오 놀라워라 생명의 신비! XD

광합성은 크게 명반응과 암반응으로 나누어집니다.

명반응은 가시광선을 에너지원으로 사용하여 NADPH 형태로 환원력을 제공하며 동시에 ATP와 O2를 생성해요. 환원력을 제공한다는 의미는 NADPH라는 환원제를 만들어내어 다른 물질을 환원할 가능성을 만들었다는 뜻이죠.

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이렇게 만들어진 NADPH와 ATP는 암반응이라 불리는 단계를 거치게 됩니다.

두 물질을 소비하며 CO2를 탄수화물 형태로 고정해요. 암반응은 사실 이름과 다르게

밝을 때나 어두울 때나 항상 일어나는 반응이며 심지어 가장 활발하게 일어날 때는 빛이 있을 때에요.

하지만 빛이 없을 때도 일어나는건 암반응이 유일하기 때문에 명반응과 구분지어 암반응이라 불린답니다.

광합성 명반응

 지구상의 생물은 태양에서 얻은 에너지에 의존하여 생활한다.

녹색식물이나 광합성 세균이 태양 에너지를 흡수하여 생물계가

사용할 수 있는 에너지로 바꾸어 주는 과정을 광합성(photosynthesis)이라 한다.

현재 지구상의 생물은 광합성 과정에서 생성되는 산소와 탄수화물에 직접

의존하여 살아가고 있으며, 광합성으로 축적된 목재 와 화석연료의 에너지를

 필요로 한다.

  호흡과정의 산화반응과 마찬가지로 광합성은 산화환원 반응을 수반한다.

전반적인 과정은 물의 산화(전자를 잃는 산화반응, 부산물로 O2가 방출된다)와

더불어 CO2의 환원에 의하여 탄수화물과 같은 유기 화합물을 생성하는 과정이다.

이 반응의 역반응, 즉, 탄수화물과 가솔린의 산화와 연소, 미토콘드리아의

호흡과정은 CO2와 H2O를 생성함과 동시에 에너지를 방출하는 자발적인 과정이다.

그러나, 광합성은 빛 에너지의 유입이 없이는 일어날 수 없는 비자발적 과정이다.

연소와 호흡의 경우, 탄수화합물로부터 이탈된 전자는 에너지 준위가 낮은 방향으로

이동되어 H+와 함께 강한 전자수용체인 O2와 결합하여 안정된 H2O를 형성한다.

반대로, 광합성에서는 H2O로부터 비교적 약한 전자수용체인 CO2로 전자를

이동하게 하기 위해서는 높은 에너지 준위로 전자를 움직여야 하므로 여기에

빛 에너지를 사용한다.

명반응(light reaction)

광합성 단계 중 빛이 관여하는 반응 단계를 일컫는다. 광합성의 반응조건,

특히 빛의 가하는 연구로부터, 광합성은 빛과 무관한 화학반응(암반응)과 온도의

영향은 받지 않지만 빛의 세기에 지배되는 광화학반응이 있다는 것이 추정되었다.

이 광화학반응을 암반응에 대하여 명반응 이라고 한다. 1939년에 R.힐은 세포에서

채취한 엽록체에 제2철염(수소를 받아들이는 물질)을 첨가하여 빛을 쬐면 산소가

 발생하는 사실을 확인하고, 명반응의 존재를 구체적으로 제시하였다. 이 반응은

그라나를 이루는 틸라코이드(thylakoid) 속의 엽록소에 의해 흡수된 빛에너지가

화학에너지로 전환되는 과정이다. 이 때, 빛에너지에 의해 물이 산소와 수소로

 분해되어 산소가 방출되고 물분자에 있는 전자와 수소가 NADP⁺ 와 결합하여

그 환원형인 NADPH가 생긴다. 이 과정은 효소에 의해 촉매 되며, 에너지로 충전된

전자를 일시적으로 저장할 수 있다. 다시 말해서 명반응 이란 태양에너지를

흡수해서 화학에너지로 전환하여 ATP 나 NATPH로 저장하는 과정이다. 명반응

단계에서 만들어진 ATP 나 NATPH는 CALVIN CYCLE 단계에서 이루어지는

여러 반응에 필요한 화학 에너지와 고에너지 전자 그리고 수소를 공급하게 된다.

암반응은 엽록체의 스트로마에서 생성된 ATP와 NADPH2를 이용하여 포도당를 합성하는데, 이 과정은 빛이 필요 없고 ATP와 NADPH2, CO2만 있어도 일어나므로 암반응이라고 합니다. 암반응은 온도의 영향을 크게 받게 되는데, 이는 효소반응이 있기 때문이지요.

이러한 암반응은 캘빈회로(Calvi cycle;Photosynthetic carbon reduction cycle)은 Rubisco의 작용에 의해 RuBP가 PGA(인글리세르산)를 생성함으로써 시작되지요. 

암반응의 과정을 정리하면,
1) CO2의 고정 - RuBP와 CO2가 결합한 뒤 분해되어 2분자의 PGA(최초생성물질)가 생성된다.
2) PGA 의 환원 - PGA가 ATP에 의해 인산화되어 DPGA가 되고, 이것이 NADPH2의 수소에 의해 환원되어 PGAL이 된다.
3) 포도당의 생성 - PGAL(최소생성당) 2분자가 결합하여 과당이인산이 되고, 이것이 포도당으로 변한다. 나머지 PGAL은 재편성되어 RuP가 되고, 이것이 ATP에 의해 인산화되어 RuBP가 된다. 


이러한 암반응은 두 분자의 PGA가 포도당을 만들게 되면, 회로가 종료된다고 볼 수 있지만, 실제로 [포도당은 캘빈회로가 여섯 바퀴 돌아야만 형성된다. 캘빈회로가 5회 회전한 결과 생성된 10분자의 PGA는 재생되어 이용되어 회로를 계속돌게 하지요. 그러나 6회 돌때 생성된 두 분자의 PGA는 포도당 형성에 이용되는 것입니다.] 그러나 실제로 스트로마에서 수 많은 회로가 동시에 가동되고 있어 기술한 바와 똑같지는 않습니다.

한 분자의 CO2가 투입되어 회로가 1회전할 때 마다 2분자의 NADPH, 3 분자의 ATP가 소모되게 되지요. 이 3분자의 ATP에서 2분자는 주회로에서 소모되고, 1분자는 재생회로에서 즉,Rup-> RuBP 로 진행될 때 사용되게 됩니다. 이산화탄소가 공급되지 않으며 결국 RuBP가 축적되게 되는 것이구요. 

포도당 한 분자를 합성하려번 캘빈회로가 6번 돌아야 하므로, 6개의 CO2, 12개의 NADPH2, 그리고 18개의 ATP가 생성되게 됩니다. 이때 위에 서술한 것과 같이 12분자는 주회로에 6분자는 재생회로에 이용되구요. 

정리하면, 6CO2가 캘빈회로로 도입되면 12 PGA -> 12DPGA -> 12PGAL --(이때 12분자의 ATP가 사용) -> 2분자의 탄소는 과당이인산을 거쳐 포도당 1분자를 생성하구요. 나머지 10분자는 회로를 이동하여 6분자의 RuP(5탄당)을 생성합니다.[여기까지가 주회로] -> ATP 6분자가 인산화 반응에 의해 -> 6 RuBP가 되고 이 RuBP는 1분자의 CO2와 결합[재생성회로]하여 다시 2분자의 PGA를 형성하게 되는 것이지요.