두 전자 전달계의 비교
본문미토콘드리아의 전자 전달계에서 전자는 NADH에서 산소로 흐른다. 환원 전위가 낮은 곳에서 높은 곳으로, 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯 저절로 흐른다. 그런데 엽록체에서는 전자가 정반대로 물에서 NADP⁺로 흐른다. 물은 전자를 아주 꽉 붙잡고 있는 물질인데, 어떻게 거기서 전자를 떼어 높은 에너지의 NADPH까지 올려 보낼까?
3.7.1내리막과 오르막
환원 전위가 낮은 물질은 전자를 잘 내주고, 높은 물질은 전자를 잘 받는다. NADH(−0.32 V)는 전자를 잘 내주고 산소(+0.82 V)는 잘 받으므로, 미토콘드리아에서 전자는 저절로 내리막을 흐르며 에너지를 내놓는다. 반대로 엽록체는 전자를 물(+0.82 V)에서 NADP⁺(−0.32 V)로 오르막으로 보내야 한다. 이 오르막을 오르는 에너지가 빛이다.
두 전자 전달계 모두 막에 박힌 전자 운반체가 전자를 넘기며 수소 이온을 퍼내고, 그 기울기로 ATP 합성 효소가 ATP를 만든다(화학 삼투). 미토콘드리아는 음식의 화학 에너지로 전자를 내리막으로 흘리고, 엽록체는 빛 에너지로 전자를 오르막으로 끌어올린다.
그림 1에서 전자의 위치를 옮겨 보자. 물에서 나온 전자는 광계 Ⅱ의 P680에 있다가 빛을 받아 P680*로 뛰어오른다. 그다음 전자 전달계를 따라 내려오며 수소 이온을 퍼내고, 광계 Ⅰ의 P700에서 다시 빛을 받아 P700*로 뛰어오른다. 마지막으로 NADP⁺에게 넘겨져 NADPH가 된다. 두 번 뛰어오르고 그 사이에 내려오는 모양이 Z를 닮아 Z 도식이라 한다.1
3.7.2두 소기관의 비교
3.7.3예제 풀이
물에서 NADP⁺까지 전자 2 mol을 옮기는 데 필요한 에너지를 구하여라. 파장 680 nm인 빛의 광자 1 mol이 가진 에너지는 약 176 kJ이다. 전자 하나가 광자 2개(광계 Ⅱ와 Ⅰ에서 하나씩)를 쓴다면, 빛 에너지 가운데 NADPH에 저장된 비율은 얼마인가? (\(F = 96.5\) kJ/(V·mol))
전위 차는 \(0.82 - (-0.32) = 1.14\) V이므로 필요한 에너지는 \(2 \times 96.5 \times 1.14 \approx 220\) kJ이다.
전자 2 mol에 광자 4 mol이 쓰이므로 빛 에너지는 \(4 \times 176 = 704\) kJ이다. NADPH에 저장된 비율은 \(\dfrac{220}{704} \approx 0.31\), 곧 약 31%이다. 나머지 가운데 일부는 전자가 내리막을 지날 때 수소 이온을 퍼내 ATP를 만드는 데 쓰이고, 나머지는 열이 된다. 즉 엽록체는 빛의 에너지로 미토콘드리아와 똑같은 내리막을 하나 만들어, 그 사이에서 ATP까지 얻는다.
아래 탐구 카드에서 광합성과 호흡이 왜 산화·환원 반응인지, 전자가 한쪽에선 내려가고 다른 쪽에선 올라가는 까닭을 정리해 보자.
- 광계 Ⅰ에서 뛰어오른 전자가 NADP⁺로 가지 않고 전자 전달계로 되돌아가 다시 내려오는 길도 있다. 이 순환 전자 흐름은 NADPH 없이 ATP만 만들어, 캘빈 회로에 모자란 ATP를 채운다.
미토콘드리아의 전자는 NADH에서 산소로 환원 전위의 내리막을 저절로 흐르고, 엽록체의 전자는 빛 에너지를 두 번 받아 물에서 NADP⁺로 오르막을 오른다. 두 곳 모두 전자가 흐르는 동안 수소 이온을 퍼내 화학 삼투로 ATP를 만든다. 그래서 처음 질문의 엽록체 전자가 올라갈 수 있는 것은 광계 Ⅱ와 Ⅰ에서 흡수한 빛 에너지가 전자를 높은 에너지로 밀어 올리기 때문이다.