캘빈 회로

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1950년대 캘빈 연구진은 클로렐라를 키우던 납작한 유리 용기에 방사성 탄소가 든 ¹⁴CO₂를 넣었다. 그리고 몇 초 뒤 용기의 밸브를 열어 조류를 끓는 에탄올에 쏟아 모든 반응을 순식간에 멈추었다. 표지 시간을 2초, 5초, 30초로 바꾸어 가며 방사성이 어느 물질에 들어 있는지 종이 크로마토그래피로 갈랐다. 이 짧은 사진들을 이어 붙여 어떻게 CO₂가 당이 되는 길을 그려 냈을까?

¹⁴CO₂를 준 시간 (초)

그림 1. ¹⁴CO₂를 준 시간에 따라 방사성이 3-PGA(파랑), 당 인산(주황), 다른 물질(회색)에 나뉘는 비율(모형). 표지 시간이 짧을수록 맨 처음 만들어지는 물질에 방사성이 몰린다.

먼저 알아야 할 것광합성의 탄소 고정(생명과학), 순환적·비순환적 광인산화(순환적·비순환적 광인산화), 방사성 동위 원소.

1.3.1추적자로 순서 찾기

방사성 동위 원소는 화학적으로 보통 원자와 똑같이 반응하지만, 내놓는 방사선으로 어디에 있는지 알 수 있다. 그래서 ¹⁴C로 표지한 CO₂를 주면, 그 탄소가 들어간 물질을 차례로 찾아낼 수 있다. 반응 사슬 A → B → C에서는 표지가 A에 먼저 나타나고, 시간이 지나야 B와 C로 옮겨 간다. 따라서 아주 짧은 시간 뒤에 방사성이 가장 많은 물질이 첫 산물이다. 캘빈 연구진은 2초 만에 반응을 멈추었을 때 방사성의 대부분이 탄소 3개짜리 3-포스포글리세르산(3-PGA)에 들어 있음을 확인했다.

정리 1.3.1 캘빈 회로의 세 단계

탄소 고정 단계에서 루비스코가 CO₂를 RuBP(탄소 5개)에 붙여 3-PGA 두 분자를 만든다. 환원 단계에서 3-PGA는 ATP와 NADPH를 써서 G3P가 된다. 재생 단계에서 G3P 대부분이 ATP를 써서 다시 RuBP가 된다. CO₂ 3개가 들어가면 G3P 1개가 회로 밖으로 나가며, ATP 9개와 NADPH 6개가 쓰인다.

그림 1에서 표지 시간을 바꾸어 보자. 몇 초만 주면 방사성이 거의 3-PGA에 몰려 있다. 시간이 길어지면 3-PGA의 몫은 줄고, 당 인산과 아미노산, 녹말 같은 다른 물질로 퍼져 나간다. 그리고 빛을 끄면 3-PGA가 쌓이고 RuBP가 줄었으며, CO₂를 끊으면 거꾸로 RuBP가 쌓이고 3-PGA가 줄었다. 이 두 실험은 RuBP가 CO₂를 받아 3-PGA가 되고, 3-PGA가 빛에 의존해 다시 RuBP로 돌아가는 회로임을 보여 주었다.¹

1.3.2회로의 탄소 장부

회로가 계속 돌려면 RuBP가 다시 만들어져야 한다. CO₂ 3개가 RuBP 3개(탄소 15개)와 결합하면 3-PGA 6개(탄소 18개)가 되고, 이것이 G3P 6개가 된다. 그 가운데 5개(탄소 15개)는 재배열되어 RuBP 3개로 돌아가고, 남은 1개(탄소 3개)만 회로 밖으로 나가 포도당과 설탕의 재료가 된다. 그래서 들어간 탄소 3개가 나간 탄소 3개와 정확히 같다. 재생 단계는 탄소 3개, 4개, 5개, 6개, 7개짜리 당 인산을 서로 주고받는 복잡한 재배열이다.

그림 2. CO₂ 3개가 들어가 G3P 1개가 나가는 동안 ATP 9개와 NADPH 6개가 쓰인다.

1.3.3예제 풀이

예제 1.3.2

캘빈 회로가 포도당 한 분자를 만들 만큼의 G3P를 내보내려면 CO₂ 몇 개를 고정해야 하는가? 이때 쓰이는 ATP와 NADPH는 각각 몇 개이며, 루비스코는 몇 번 반응해야 하는가?

포도당은 탄소 6개이므로 G3P 2개가 필요하다. CO₂ 3개마다 G3P 1개가 나가므로 CO₂ 6개를 고정해야 한다.

CO₂ 3개에 ATP 9개, NADPH 6개가 쓰이므로 6개에는 ATP 18개, NADPH 12개가 든다. 루비스코는 CO₂ 하나를 RuBP 하나에 붙일 때마다 한 번 반응하므로 6번 반응한다. 루비스코는 1초에 CO₂를 몇 개밖에 고정하지 못하는 느린 효소라서, 잎은 이 효소를 아주 많이 만든다. 그래서 루비스코는 엽록체 단백질의 절반 가까이를 차지하며, 지구에서 가장 많은 단백질로 꼽힌다.

아래 탐구 카드에서 캘빈 연구진의 자료로 회로의 순서를 추론하고, 빛이나 CO₂를 끊었을 때 물질의 양이 어떻게 변하는지 예측해 보자.

이 실험 장치는 모양 때문에 '롤리팝(막대 사탕)'이라 불렸다. 캘빈은 이 연구로 1961년 노벨 화학상을 받았고, 함께 연구한 벤슨과 배스햄의 이름을 붙여 캘빈–벤슨–배스햄 회로라고도 한다.

마무리

방사성 탄소로 표지한 CO₂를 짧은 시간만 주고 반응을 멈추면, 가장 먼저 만들어지는 물질에 방사성이 몰려 반응의 순서를 알 수 있다. 캘빈 회로는 탄소 고정, 환원, 재생의 세 단계로 CO₂ 3개마다 G3P 1개를 내보내며 ATP 9개와 NADPH 6개를 쓴다. 그래서 처음 질문의 조류는 몇 초의 표지에서 3-PGA가 첫 산물임을 보여 주었고, 빛과 CO₂를 끊는 실험과 함께 회로 전체를 그리게 해 주었다.

탐구 1

불을 끄면 캘빈 회로의 어떤 물질이 쌓일까?

명반응과 탄소 고정 반응 · 중간 산물의 변화 · 모식 모형

시간 = 16 (상대 시간)

RuBP (처음 = 1): —
3PG (처음 = 1): —
ATP·NADPH 공급: —

RuBP + CO₂ → 3PG 2분자(고정), 3PG → G3P(ATP와 NADPH로 환원), G3P → RuBP(ATP로 재생)의 세 단계를 단순한 속도식으로 계산한 모식 모형이다. 양은 조건을 바꾸기 전을 1로 둔 상대값이고 시간 단위는 임의이며, 변화의 방향은 1950년대 캘빈 연구진의 ¹⁴C 추적 실험 결과와 같다.

질문광합성의 명반응은 빛이 있어야 일어나고, 탄소 고정 반응은 빛을 직접 쓰지 않는다. 그렇다면 빛을 끄면 탄소 고정 반응은 그대로 계속될까? 어떤 물질이 쌓이고 어떤 물질이 줄어들까?
복원명반응은 틸라코이드 막에서 빛에너지로 물을 분해해 O₂를 내고, ATP와 NADPH를 만든다. 그리고 탄소 고정 반응(캘빈 회로)은 스트로마에서 ATP와 NADPH를 써서 CO₂로 당을 만든다.
설명캘빈 회로는 세 단계이다. 먼저 고정 단계에서 루비스코가 RuBP(탄소 5)에 CO₂를 붙여 3PG(탄소 3) 2분자를 만들고, 환원 단계에서 3PG가 ATP와 NADPH를 받아 G3P가 되며, 재생 단계에서 G3P 대부분이 ATP를 써서 다시 RuBP가 된다. CO₂ 3분자가 고정될 때마다 G3P 1분자가 회로 밖으로 나가 포도당 등의 재료가 되고, 이때 ATP 9개와 NADPH 6개가 쓰인다.
연결빛을 끄면 ATP와 NADPH가 떨어져 환원과 재생이 멈춘다. 그런데 고정은 ATP가 필요 없어 남은 RuBP가 모두 3PG로 바뀔 때까지 계속되므로, 3PG는 쌓이고 RuBP는 바닥난다. 반대로 CO₂를 줄이면 고정만 느려져 RuBP는 쌓이고 3PG는 줄어든다. 즉 두 반응은 ATP와 NADPH, ADP와 NADP⁺를 주고받으며 이어져 있다.
적용‘빛을 끈다’를 고르고 시간 막대를 0부터 움직이며, 10초가 지난 뒤 두 물질 중 어느 쪽이 먼저 크게 변하는지 보자. 그리고 ‘CO₂를 줄인다’로 바꾸면 방향이 어떻게 달라지는지 확인하고, 두 결과로 어느 물질이 CO₂를 받는 물질인지 추론해 보자.
판단탄소 고정 반응을 암반응이라고 부르기도 하지만, 어둠에서 일어난다는 뜻이 아니다. 이 반응은 명반응의 산물이 있어야 계속되므로 실제로는 낮에 일어나고 빛을 끄면 곧 멈추며, 몇몇 효소는 빛에 의해 활성화되기까지 한다. 그래서 요즘은 ‘빛에 의존하지 않는 반응’보다 ‘탄소 고정 반응’이나 ‘캘빈 회로’라는 이름을 쓴다.

확인조건이 달라지면

빛과 CO₂가 충분한 상태에서, 명반응의 전자 전달을 막는 제초제를 잎에 뿌렸다. 잠시 뒤 스트로마에서 일어날 변화로 알맞은 것은?

탐구 2

방사성 탄소를 몇 초만 주면 어디에 먼저 나타날까?

캘빈 회로의 발견 · ¹⁴C 추적과 2차원 종이 크로마토그래피 · 모식

¹⁴CO₂를 준 뒤 끓는 에탄올에 넣기까지의 시간 = 5 초

3-인산 글리세르산(3PG): —
당인산 (트라이오스·헥소스·RuBP 등): —
설탕 (수크로스): —

값은 전체 방사성 가운데 각 물질의 비율이다. 1950년대 캘빈, 벤슨, 바샴의 실험 결과가 보여 준 경향(짧은 시간에는 3PG, 길어질수록 당인산과 설탕)을 따르도록 만든 모식 모형이며, 실제 측정값이 아니다. 크로마토그램의 점 위치도 모식이다. 말산, 아미노산처럼 늦게 표지되는 물질은 생략했다.

질문광합성의 전체 반응식은 6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O이지만, CO₂ 6분자가 한꺼번에 붙어 포도당이 되지는 않는다. 그러면 CO₂의 탄소는 맨 처음 어떤 물질에 들어갈까? 그것을 어떻게 알아낼 수 있을까?
복원방사성 동위 원소 ¹⁴C는 ¹²C와 화학적 성질이 같아 똑같이 반응하지만, 방사선을 내서 어디에 있는지 추적할 수 있다. 종이 크로마토그래피는 물질마다 용매를 따라 이동하는 거리가 다른 것을 이용해 혼합물을 나눈다.
설명캘빈 연구진은 빛을 받는 클로렐라에 ¹⁴CO₂를 넣고, 몇 초에서 몇 분 뒤 끓는 에탄올에 쏟아 효소 반응을 순간적으로 멈췄다. 추출물을 종이의 한 방향으로 펼친 뒤 90° 돌려 다른 용매로 한 번 더 펼치고(2차원 크로마토그래피), 그 위에 X선 필름을 덮어 방사성을 띤 점을 찾았다. 노출 시간이 짧을수록 방사성은 한 물질에 몰렸고, 그 물질은 탄소 3개의 3-인산 글리세르산(3PG)이었다. 시간이 길어지면 방사성은 트라이오스 인산, 헥소스 인산, 리불로스 인산 같은 당인산을 거쳐 설탕으로 퍼졌다.
연결가장 먼저 표지되는 물질이 반응의 첫 산물이고, 시간에 따라 표지가 옮겨 가는 순서가 반응의 순서이다. 3PG가 탄소 3개이므로 처음에는 탄소 2개짜리 받개를 찾았지만, 결국 빛을 끄면 쌓이고 CO₂를 끊으면 줄어드는 물질을 추적해 탄소 5개의 RuBP가 CO₂를 받아 3PG 2분자로 갈라진다는 것을 밝혔다. 장부로 쓰면 3CO₂ + 3RuBP → 3PG 6분자 → (ATP 6, NADPH 6) G3P 6분자 → 1분자는 회로 밖으로, 5분자는 (ATP 3) RuBP 3분자로 재생된다. 그래서 G3P 1분자에 ATP 9개, NADPH 6개가 들고, 포도당 1분자에는 그 두 배가 든다.
적용시간 막대를 2초에서 90초까지 옮기며 세 물질의 비율을 기록해 보자. 시간을 0에 가깝게 줄여 가면 3PG의 비율은 어디로 다가가는가? 당인산의 비율 곡선이 오르다가 내려가는 까닭은 무엇일까? 설탕의 표지가 늦게 나타나는 것은 반응 경로에서 설탕이 어디에 있다는 뜻인가?
판단“5초 뒤 3PG에 방사성이 가장 많다”는 것만으로는 3PG가 첫 산물이라고 결론 내릴 수 없다. 첫 산물이라면 노출 시간을 줄일수록 그 비율이 100 %에 다가가야 하고, 다른 물질은 0으로 가야 한다. 여러 시간의 자료를 이어 0초로 외삽해야 하며, 반응을 몇 초 안에 멈추는 기술이 그래서 중요했다. 또 이 모형의 숫자는 경향만 따른 것으로, 실제 비율은 생물, 빛, 온도에 따라 달라진다.

확인조건이 달라지면

같은 실험에서 ¹⁴CO₂를 충분히 오래 주어 회로의 모든 물질이 고르게 표지된 뒤, 빛은 그대로 두고 CO₂ 공급만 끊었다. 곧바로 일어날 변화로 옳은 것은?