광합성과 캘빈 사이클(Calvin cycle) 이야기

‘광합성’이라는 말은 자주 접하는 과학용어의 하나이며, 이에 대한 일반적인 상식은 잘 알려져 있다. 광합성을 할 수 있는 생명체는 녹색식물과 하등한 조류(algae) 그리고 단세포 미생물인 시아노박테리아라 불리는 것들이다. 이들처럼 광합성을 하는 생명체를 광영양생물(光營養生物 phototrops)이라 부른다.

광합성은 주로 잎의 세포에 존재하는 엽록체(葉綠體)라 부르는 작은 주머니 같은 기관 속에서 일어난다. 엽록체 주머니에는 ‘엽록소’라 불리는 초록색 색소 분자가 가득 차 있다. 광합성으로 만들어지는 최초의 화합물은 글루코스(glucose) 또는 포도당이라 부르는 것이고, 이것의 분자구조는 C6H12O6로 나타내는 유기물질이다.

식물은 공기 중의 이산화탄소와 뿌리가 흡수한 물을 원료로 산소와 탄수화물(당糖 sugar)을 만든다. 이런 화학반응이 일어나려면 햇빛(광자)의 에너지가 꼭 필요하다. 광합성으로 생성된 당은 쌀, 옥수수, 고구마 등에서는 전분(starch) 상태로, 사과나 포도에서는 달콤한 포도당으로, 그리고 많은 부분은 섬유소(cellulose)라 부르는 강인한 분자로 변하여, 세포벽의 골재가 되어 식물체를 성장시키고 지탱하는 역할을 한다.

광합성이라는 화학반응의 전체적인 과정은 1950년에 캘리포니아 대학의 캘빈(Melvin Calvin 1911-1997), 바삼(James Bassham 1922-2012), 벤슨(Andrew Benson 1917-2015)) 세 과학자의 노력에 의해 처음으로 밝혀졌다. 광합성 과정의 중요 부분을 ‘캘빈 회로'(Calvin cycle)라고 말하는데, 원래는 세 과학자 이름을 나란히 붙여 불렀다. 캘빈 교수는 이 연구로 1961년에 노벨화학상을 수상했다.

식물의 광합성을 연구한 과학자들은 식물학자라고 생각할 수 있으나, 그들은 식물학자인 동시에 빼어난 물리학자이며 화학자이기도 했다. 왜냐 하면, 그들이 연구한 화학변화 과정은 탄소-14라 불리는 방사성을 가진 탄소의 동위원소를 이용하여 밝혀냈으므로, 그들은 원자, 분자, 광자, 방사선에 대한 물리화학자이기도 했기 때문이다.

광합성이 일어나는 현장

식물의 잎을 현미경으로 보면, 세포마다 녹색의 작은 주머니들(엽록체)이 가득한 것을 볼 수 있다. 일반적으로 1개의 세포 속에는 10-100개의 엽록체가 들어 있다.

엽록체 하나를 보자. 엽록체는 안팎 2중으로 싸인 막을 가진 주머니(chloroplast membrane) 모양이다. 속에는 스트로마(stroma)라 불리는 액체가 가득하고, 스트로마 속에 틸라코이드(thylakoid)라 불리는 것들이 있다. 엽록소 분자는 틸라코이드 속에 가득하며, 이곳에서 광자의 에너지를 받아 복잡한 과정을 거치면서 포도당과 산소가 만들어진다.

식물은 왜 녹색인가?

광합성 과정을 설명하는 그림은 여러 가지가 있다. 일반인이 그 내용을 잘 이해하려면 매우 전문적인 지식이 필요하다. 뿐만 아니라 캘빈회로는 교과서나 참고서에 그려진 것보다 훨씬 복잡하다.

광합성을 할 때는 엽록소가 빛에너지를 흡수한다. 빛에너지는 일정한 파장을 가진 전자기파이다. 그런데 엽록소는 붉은색과 청색 파장의 빛(에너지)만 흡수하고 녹색 파장의 빛에너지는 반사해버린다. 식물의 잎이 녹색으로 보이는 이유는 바로 엽록소가 반사해버리는 파장의 빛만 우리 눈에 들어오기 때문이다. 잎(엽록소)의 색이 녹색으로 보이는 것은 인간에게 참 다행한 일이다. 눈은 다른 빛보다 녹색을 편안하게 느끼기 때문이다.

빛은 광합성 반응에 어떤 에너지를 주나?

빛은 파(wave)인 동시에 입자(광자)이다. 광자는 질량이 없지만 소량의 에너지를 가졌다. 이 광자를 엽록소가 흡수하면, 엽록소 분자는 그 에너지로 물의 분자를 수소(H)와 산소(O)로 갈라놓는다. 이때 생겨난 O는 ATP와 NADPH라는 ‘에너지 저장분자’를 만들게 되고, 이 두 가지 분자는 획득한 에너지를 이용하여 광합성 반응(캘빈 회로)을 진행시키는 힘이 된다. (ATP와 NADPH에 대해서는 본사 블로그에서 각각을 검색하여 찾아보기 바란다.)

빛에너지(light)에 의해 광반응(light reaction)이 일어나면서 H2O가 깨져 O2가 발생한다. 이 O2는 인체가 숨 쉬는 바로 그 산소이다. 이때 ATP와 NADPH가 생겨나, 캘빈 회로에서 sugar가 생성되는 반응이 진행되도록 하는 에너지가 된다. CO2는 캘빈 회로의 반응 중에 H와 결합하여 sugar(C6H12O6)로 변한다. 캘빈 회로의 화학반응은 빛이 없어도 진행되기 때문에 ‘암반응’(暗反應)이라 하고, 물 분자가 깨질 때는 빛이 있어야 하므로 광반응(光反應)이라 한다.

이산화탄소(CO2)는 어떻게 분리되나?

광합성반응에서 가장 큰 화학변화는 물(H2O)이 H와 O로 나누어지는 것이고, 다른 하나는 CO2가 C와 O로 나누어지는 것이다. CO2는 위 그림에서 나타낸 캘빈 회로에서 분해되는데, 이산화탄소를 분해하는 것은 ‘루비스코'(rubisco)라 불리는 효소의 작용이다. 루비스코는 엽록체 속에 가득 존재하는 단백질의 일종이다. 루비스코는 CO2를 만나면 화학결합을 하여 RuBP(ribulose 1, 5-bisphosphate)라 불리는 물질로 변하는데, 이때 C와 O2가 분리된다. 루비스코라는 단백질은 세상 모든 식물의 엽록체 안에 대량 존재하기 때문에 지구상에서 ‘양적으로 가장 많은 단백질’이라 하겠다.

포도당의 다양한 변신

광합성으로 생겨난 포도당(C6H12O6)은 식물체에서 필요에 따라 여러 형태로 변신(變身)한다. 포도당 상태로 저장되기도 하지만, 포도당 분자가 길게 연결되면 셀룰로스(섬유소)가 되어 세포벽을 형성하고, 전분(녹말 starch)으로 저장되기도 하며, 과당(果糖 fructose)이 되기도 한다. 광합성 과정에 생겨나는 전분, 포도당, 섬유소 모두가 ‘탄수화물’(炭水化物 carbohydrate)이다.

광합성의 신비는 가장 궁금한 과학의문의 하나이다. 광합성의 원리를 다 알아내고, 그 과정을 공장에서 인공적으로 진행시킬 수 있다면 식량걱정이 없어질 수 있을 것이다. 그런 날이 언제 가능할지는 아무도 모른다. 식물은 물과 이산화탄소만으로 아무 소리도 없이, 공해물질도 배출하지 않고, 단지 햇빛 에너지만 사용하여 세상 모든 동물을 먹이는 영양분을 생산한다. 뿐만 아니라 그들이 호흡해야 할 산소까지 제공하고 있는 것이다. — YS

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