광합성

사진출처=픽사베이

작물 안에서는 분자량이 작은 무기 물질이나 물에서 분자량이 크고 복잡한 구조를 가진 유기 물질로의 합성이 끊임없이 이루어지고 있는데, 이것이 넓은 의미의 동화작용이다. 동화작용은 에너지를 축적하는 과정으로, 외부로부터의 에너지 공급이 필요하다.

작물 또는 고등 식물은 뿌리에서 흡수한 물과 잎에서 흡수한 이산화탄소를 재료로 하여 엽록소의 도움 아래 광 에너지를 이용하여 당류나 전분과 같은 탄수화물을 합성하는 소위 탄소동화작용을 한다. 특히, 탄소 동화 작용이 고등식물에서 볼 수 있는 바와 같이 광 에너지에 의존하는 경우에는 이를 광합성이라고 한다.

광합성의 결과 만들어진 직접 생산물은 탄수화물이나, 이것이 변화하여 생긴 여러 가지 유기 물질, 즉 넓은 의미의 동화생산물은 높은 화학적 에너지를 간직하고 있으므로 광합성은 태양의 광 에너지를 화학적 에너지로 전환하여 작물 내에 축적하는 과정이라고 할 수 있다.

광합성에 관여하는 색소
고등 식물의 잎에는 광합성을 하는 구형 또는 타원형의 엽록체가 있다. 엽록체 속에는 녹색 색소인 엽록소 a, b와 적색의 카로틴 및 잔토필로 된 카로티노이드 색소가 포함되어 있다. 보통 식물에는 엽록소가 65%, 카로틴이 6%, 잔토필이 21% 함유되어 있다. 

엽록체는 기초 물질인 스트로마와 긴 축에 평행하게 달리는 스트로마 lamellae라고 불리는 4~5nm 두께의 층상 구조로 되어있다. 스트로마 lamellae의 군데군데에는 동전을 쌓아 올려놓은 모양과 같이 두껍게 된 부분이 있는데, 이것을 그라나라고 하며 주로 여기에 엽록소가 들어 있다. 

고등 식물의 엽록체 그라나에서는 광합성의 명반응과 관련된 전자 전달 반응이 일어나고, 스트로마에서는 광합성의 암반응과 관련된 각종 효소가 함유되어 있어 CO₂의 고정과 광합성의 암반응 과정이 일어난다.

- 엽록소
작물에서 엽록소가 있는 부분이면 어디에서나 광합성이 이루어지지만 대부분 잎에서 이루어진다. 광합성에 이용되는 광 에너지는 엽록소에 의하여 흡수된다. 엽록소는 녹색 식물의 특유한 색소로서 엽육조직에는 울타리조직이나 해면 조직에 많이 함유되어 있다.

작물과 같은 고등 녹색 식물의 광합성에 관여하는 것은 엽록소 a와 b의 2종이며, 엽록소 c, d, e는 조류에, 그리고 bacteria chlorophyll 650, 660은 세균에 함유되어 있다. 

이 밖에 엽록소 a와 b는 흡수 스펙트럼이 약간 다르며, 또한 엽록소 a가 석유에테르에 잘 용해되는 데 대하여 엽록소 b는 메틸알코올에 잘 용해되는 차이점이 있다.

세포 안의 엽록소는 모두 접시 모양의 엽록체 안에 존재하며, 1개의 엽육세포 안에는 보통 100여 개의 엽록체가 들어 있다. 엽록체의 크기는 지름이 2~20μm이고, 그 안에는 더욱 작은 지름 0.3~2.0μm 정도의 그라나가 약 50개 들어 있다.

엽록소는 광 에너지를 흡수하는 중요한 역할을 하며, 다른 색소와 마찬가지로 엽록소도 특정한 파장의 광선을 보다 효율적으로 흡수하는 특성이 있다.

엽록소는 광 에너지를 흡수하는 중요한 역할을 하며, 다른 색소와 마찬가지로 엽록소도 특정한 파장의 광선을 보다 효율적으로 흡수하는 특성이 있다.

엽록소는 광 에너지를 흡수하는 중요한 역할을 하며, 다른 색소와 마찬가지로 엽록소도 특정한 파장의 광선을 보다 효율적으로 흡수하는 특성이 있다.

엽록소의 에테르 추출액에 백색광을 조사하면 적색 대부분과 청색 대부분의 광선은 잘 흡수되나, 녹색 대부분의 광선은 잘 흡수되지 않고 잎 표면에서 반사되거나 잎몸을 투과하기 때문에 잎은 녹색을 나타낸다. 따라서 녹색 파장의 광은 광합성에 이용되는 일이 적다.

파장을 달리하는 여러 가지 단색광을 똑같은 에너지양으로 식물에 쫴 어떤 파장의 광선이 광합성에 가장 효율적인 것인가를 조사한 광합성의 작용 스펙트럼을 살펴보면 엽록소가 최대의 흡수를 나타낸 파장의 광선, 즉 적색광과 청색광에서 광합성이 최대에 달한다.

- 카로티노이드 색소
카로티노이드 색소는 노란색, 오렌지색 또는 빨간색을 나타내는 색소이며 녹색인 모든 식물 조직에 존재하고 있으며, 그 밖에 당근의 뿌리, 여러 가지 식물의 꽃/열매/종자 등에도 함유되어 있다. 녹색 잎 안에서 카로티노이드는 엽록소와 함께 엽록체 속에 들어 있으며, 그곳에서는 물에 녹지 않는 단백질 복합체로서 존재한다.

카로티노이드는 화학구조로 보아 tetra terpene이며 8개의 isoprene과 유사한 단위가 결합한 40-C의 화합물이다. 카로티노이드에는 여러 가지 종류가 있는데, 이들 중에서 C와 H만으로 구성된 것을 카로틴이라고 한다. 일반적으로 오렌지색을 띠며 녹색 잎 안에 함유된 β-카로틴이나 토마토의 붉은 색소인 리코펜 등이 이에 속한다.

녹색 잎 안에서 β-카로틴은 α-카로틴과 함께 존재한다. 그리고 카로티노이드 중에서 케톤기 또는 수산기로서 O 원자를 함유하는 것을 잔토필이라 하고 일반적으로 노란색을 띠며, 녹색 잎 중에서는 보통 카로틴보다 많이 함유되어 있다.

최근 광합성에 있어서 카로티노이드의 역할이 크게 주목된다. 즉, 카로티노이드는 광합성에 있어서 엽록소의 광산화를 방지하고, 광 에너지를 흡수하여 엽록체 a에 전이하는 두 가지 중요한 역할을 담당하고 있는 것으로 밝혀졌다. 카로티노이드 색소는 엽록소가 광 에너지를 받아 여기 상태가 될 때 생성된 것의 파괴 작용을 소거하는 역할을 한다.

관련 문헌: 변종용ㆍ윤성중ㆍ이인중ㆍ김도순, 삼고 작물 생리학(서울: 향 문사, 2014), 117-120p