엽록체
본문햇빛에는 모든 색의 빛이 섞여 있다. 그런데 잎은 초록색으로 보인다. 잎이 초록빛만 골라 우리 눈으로 돌려보낸다는 뜻이다. 광합성에 쓸 빛이라면 다 흡수하는 편이 좋을 텐데, 왜 초록빛은 버릴까? 그리고 가을에 잎이 노랗게 변하는 것은 노란 색소가 새로 생긴 것일까, 원래 있던 것이 드러난 것일까?
3.5.1엽록체의 구조
엽록체는 미토콘드리아처럼 두 겹의 막으로 싸여 있다. 그 안에는 틸라코이드라는 납작한 주머니가 층층이 쌓여 있고, 쌓인 더미를 그라나, 주머니 바깥의 액체 부분을 스트로마라 한다. 광합성 색소와 전자 전달계, ATP 합성 효소는 틸라코이드 막에 박혀 있어, 빛 에너지를 흡수하여 ATP와 NADPH를 만든다. 스트로마에서는 그 ATP와 NADPH로 이산화 탄소를 포도당으로 고정한다.
틸라코이드를 층층이 쌓는 것은 미토콘드리아 내막의 주름처럼 좁은 공간에 막의 넓이를 늘리는 방법이다. 막이 넓을수록 색소와 효소를 많이 담아 빛을 많이 쓸 수 있다.1
3.5.2광합성 색소
색소가 파장별로 빛을 흡수하는 정도를 나타낸 그래프를 흡수 스펙트럼이라 한다. 엽록소 a와 b는 파란빛(430~450 nm)과 빨간빛(640~660 nm)을 많이 흡수하고, 카로티노이드는 파란빛과 청록빛(450~500 nm)을 흡수한다. 흡수되지 않은 빛이 반사되어 물체의 색으로 보인다.
그림 1에서 파장을 550 nm로 두면 세 색소 모두 흡수가 거의 없다. 그래서 초록빛이 반사되어 잎이 초록색으로 보인다. 엽록소가 초록빛을 버리는 까닭은 아직 분명하지 않지만, 햇빛의 세기가 가장 센 초록빛을 모두 흡수하면 지나친 에너지로 엽록체가 손상될 수 있다는 설명이 있다.
가을이 되면 식물은 엽록소를 분해하여 그 질소와 마그네슘을 줄기로 거두어들인다. 엽록소가 사라지면 그동안 가려져 있던 노란색 카로티노이드가 드러난다. 즉 노란 단풍은 새로 생긴 색이 아니라 원래 있던 색이다. 붉은 단풍은 가을에 새로 만든 안토사이아닌 때문이다.
3.5.3예제 풀이
시금치 잎의 색소를 추출하여 종이 크로마토그래피로 분리하였다. 원점에서 용매가 10.0 cm 올라갔을 때 색소 A는 9.5 cm, B는 4.5 cm, C는 3.0 cm 이동했다. 각 색소의 Rf 값을 구하여라. A는 주황색, B는 청록색, C는 황록색이다. 각 색소는 무엇인가?
Rf 값은 색소가 이동한 거리를 용매가 이동한 거리로 나눈 값이다. A는 \(\dfrac{9.5}{10.0} = 0.95\), B는 \(\dfrac{4.5}{10.0} = 0.45\), C는 \(\dfrac{3.0}{10.0} = 0.30\)이다.
주황색으로 가장 멀리 간 A는 극성이 가장 작아 용매를 잘 따라가는 카로틴이다. 청록색 B는 엽록소 a, 황록색 C는 엽록소 b이다. 엽록소 b는 엽록소 a보다 극성인 작용기가 하나 더 있어 종이에 더 잘 붙으므로 덜 올라간다. 그래서 같은 조건에서는 Rf 값으로 색소의 종류를 구별할 수 있다.
아래 탐구 카드에서 잎이 초록색인 까닭과, 엽록체 속 주머니가 층층이 쌓인 까닭을 살펴보자.
- 잎의 한 세포에는 엽록체가 수십 개 있고, 엽록체 하나에는 그라나가 수십 개, 그라나 하나에는 틸라코이드가 10~20개 쌓여 있다. 그래서 잎 1 cm²에 들어 있는 틸라코이드 막을 펼치면 넓이가 수백 cm²에 이른다.
엽록체는 틸라코이드 막에서 색소로 빛을 흡수하여 ATP와 NADPH를 만들고, 스트로마에서 이산화 탄소를 고정한다. 엽록소는 파란빛과 빨간빛을 많이 흡수하고 초록빛을 거의 흡수하지 않는다. 그래서 처음 질문의 잎은 반사된 초록빛 때문에 초록색으로 보이며, 가을에는 엽록소가 분해되어 가려져 있던 노란 카로티노이드가 드러난다.