명반응과 탄소 고정 반응

온실에서 작물을 키우는 농부는 조명을 밝게 하면 작물이 빨리 자란다는 것을 안다. 그런데 어느 정도를 넘으면 조명을 더 밝혀도 자라는 속도가 거의 그대로이다. 이때 온실 안에 이산화 탄소를 넣어 주면 다시 빨라진다. 빛과 이산화 탄소는 광합성의 어느 단계에서 각각 쓰이며, 왜 한쪽만 늘려서는 한계가 있을까?

빛의 세기

이산화 탄소 (0 대기 0.04%, 1 0.1%)

3.6.1명반응

틸라코이드 막의 색소가 빛을 흡수하면 반응 중심의 엽록소가 들뜬 전자를 내놓는다. 이 전자는 전자 전달계를 지나 NADP⁺에 실려 NADPH가 되고, 전자가 흐르는 동안 수소 이온이 틸라코이드 안으로 퍼내져 ATP 합성 효소가 ATP를 만든다. 전자를 잃은 엽록소는 물을 분해하여 전자를 채우고, 이때 산소가 나온다. 광합성의 산소는 이산화 탄소가 아니라 물에서 온다.

3.6.2탄소 고정 반응

스트로마에서는 캘빈 회로가 돈다. 루비스코라는 효소가 이산화 탄소를 탄소 5개짜리 RuBP에 붙이고, 생긴 물질이 ATP와 NADPH를 써서 탄소 3개짜리 G3P로 환원된다. G3P 일부는 포도당이 되고, 나머지는 ATP를 써서 다시 RuBP로 되돌아가 회로가 계속 돈다. 포도당 1분자를 만들려면 이산화 탄소 6분자, ATP 18분자, NADPH 12분자가 필요하다.

그림 1에서 빛을 늘려 보자. 처음에는 ATP와 NADPH가 모자라 빛이 제한 요인이지만, 빛이 충분해지면 캘빈 회로가 이산화 탄소를 고정하는 속도가 따라가지 못해 이산화 탄소가 제한 요인이 된다. 그래서 이산화 탄소를 0.1%로 높이면 다시 빨라진다. 한편 빛이 아주 약하면 광합성으로 흡수하는 이산화 탄소보다 호흡으로 내놓는 것이 많아 순광합성이 음수가 된다. 둘이 같아지는 빛의 세기를 광보상점이라 한다.¹

3.6.3예제 풀이

광보상점은 \(P = 0\)인 빛이므로 \(\dfrac{18I}{250 + I} = 3\)에서 \(18I = 750 + 3I\), 곧 \(I = 50\)이다.

\(I = 500\)이면 \(P = \dfrac{9000}{750} - 3 = 9\), \(I = 1500\)이면 \(P = \dfrac{27\,000}{1750} - 3 \approx 12.4\)이다. 빛을 3배로 늘렸지만 순광합성은 약 1.4배만 늘었다. 이미 이산화 탄소가 제한 요인이 되었기 때문이다. 그래서 온실 농가는 조명만 늘리기보다 이산화 탄소 발생기를 함께 써서 수확을 높인다.

아래 탐구 카드에서 불을 끄면 캘빈 회로의 어떤 물질이 쌓이는지, 빛을 늘릴 때 광합성이 어떻게 변하는지 직접 확인해 보자.

1. 빛이 너무 세면 오히려 색소와 전자 전달계가 손상되어 광합성 속도가 줄어든다. 그래서 그늘에서 자라던 식물을 갑자기 강한 햇빛에 내놓으면 잎이 탈 수 있다.