4장. 광합성
* 광합성 과정 : 6CO2 + 12H2O + 광E → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O +18 ATP
명반응과 암반응의 차이
* 식물별 CO2에 의해 생기는 최초의 안정된 광합성 중간산물
☞ C3 식물 : PGA (인산글리세르산 ) / C4식물 : OAA (옥살아세트산)
* 비순환적 광인산화 반응 : 제2광계(12ATP, 6O2 생성), 제 1광계(12NADPH2 생성)
* 순환적 광인산화 반응 : 제1광계(6ATP 생성) / 산소는 방출하지 않고 NADP는 전자를 받지 않기 때문에 환원되지 않는다.
/ ATP는 전자가 흐르는 동안에 형성되지만 NADPH가 형성되지 않으므로 순환적 광인산화반응은 CO2
를 환원시키고 당을 형성하는데 충분하지 못하다.
* 광합성 전자전달계 : 제2광계(PS 2 - P680)과 1광계(PS 1 - P700)가 있으며 두 광계는 시토크롬 복합체로 연결된다.
- 광계에서 대부분의 엽록소는 안테나 엽록소로서 기능을 하며 흡수된 광자의 안테나 복합체를 통하여 이동하고 최종으로 반응중심에 도달한다.
* BLACKMAN 한정 요인설 : 광합성량은 빛, 온도, CO2의 농도 중 최소로 존재하는 광합성 요인에 의해 지배
☞ 광포화점에 있어서는 CO2 농도와 온도가 광합성의 제한요인이 된다.
* Warburg Effect : RuBP Carboxylase(C3)에 대한 O2와 CO2의 경합 / 산소에 의한 광합성 저해
☞ 산소분압이 증가하면 광호흡이 증가하고 탄산가스의 고정이 억제되는 현상
* 식물별 건물 생산 속도 : C4 > C3 > CAM
* 에머슨 효과(광합성촉진효과) : 장파장의 광선을 조사하면서 동시에 단파장의 광선을 조사해 주면 장파장의 광합성 효율이 증가
* 광선이 있을때 1% 이상의 CO2는 호흡을 멎게 하며 광이 약할 때에는 CO2보상점이
높아지고 CO2포화점이 낮아 진다. 광이 강할 때에는 반대로 된다.
* 광산화
① 광이 강도가 어느 한계점이상으로 높아지면 그 세포는 엽록소의 광산화를 일으킨다.
② 카로티노이드는 광산화를 보호하는 역할을 한다.
③ O2 : 광산화는 특히 산소가 있는 상태에서 더욱 심하게 엽록소를 파괴시킨다.
④ CO2 : CO2농도가 높으면 광산화가 방지된다. 높은 CO2에서 광산화에 의한 산소소비는 매우 높은 강광에서 일어나지만, 낮은 CO2에서는 광산화를 막는 효과는 적다.
* 광합성에 영향을 미치는 요인
① 외적요인 : 광, 온도, 이산화탄소 농도, 산소농도
② 내적요인 : 엽록소, 작물체 무기양분함량, 작물체 함수량, 잎의 동화물질 체적, 솔라리제이션에 의한 원형질 변화
* 카로티노이드(노란 · 오렌지 · 빨간색 )의 광합성에서의 역할
① 엽록소의 광산화 방지
② 광 에너지를 흡수하여 엽록체 a에 전이
↳ 엽록소가 광에너지를 받아 여기 상태가 될 때 생성된다. 3CHL과1O2의 파괴작용을 소거
③ tetraterpene / 8개의 isoprene과 유사한 단위가 결합함
☞ Carotenes : 녹색 잎 존재(오렌지색) β-carotene(C40H58) α-carotene(C40H57
), 토마토 붉은 색소 lycopene(C40H56)
Xanthophylls(케톤기 또는 수산기로서 O를 함유하는 것) - 노란색 : zeaxanthin, lutein, vioaxanthin
보통식물에서는 엽록소가 65%, 카로틴이 6%, 잔토필이 21% 함유
* 광합성과 온도와의 관계
① CO2농도, 광의 강도, 수분 등이 제한효소로 작용하지 않는 한 30~35℃에 이르기까지 광합성의 Q10은 2내외이고 광합성의 Q10은 고온보다 저온에서 크다.
② 외견상 광합성은 진정광합성보다 온도 상승에 따른 속도 증가가 고온까지 계속되기 힘들며 외견상 광합성은 적온 이상에서는 급격히 감소하고 온도상승에 따라 생장속도는 적온까지 증가
③ 고온은 photorespiration을 촉진시키거나 광합성기관을 파괴시킴에 따라 광합성률은 감소된다.
* C3식물에서 산소에 의한 광합성 저해는 광합성 초기단계에서 RuBP carboxylase에 대한 O2의 경합에 의하여 설명
* 엽록소의 광합성 단위 : 보통 200~300 엽록소 분자가 하나의 단위로 되어 광자를 수집하는 하나의 광계를 이루고 있다.
- 엽록소 a(C55H72O5N4Mg) : 2번 pyrrol에 메틸기(-CH3)를 결합
- 엽록소 b(C55H70O6N4Mg) : 2번 pyrrol에 알데하이드(-CHO)를 결합
- 안테나 엽록소 : 광계에서 대부분의 엽록소는 안테나 엽록소로서의 기능을 한다. 안테나 색소는 광을 흡수하나 직접적으로 광화학 반응에는 관여하지 않는다. 그러나 안테나 엽록소는 서로 밀접해 있어 勵起된 에너지가 인근 색소분자들 사이를 쉽게 통과할 수 있다.
안테나 엽록소는 광입자를 수용하여 전달하는 역할을 하면서 광합성을 직접적으로 하지는 않고 광수용체의 역할을 담당하며 반응중심 엽록소에 전달
☞ 카로틴 – 엽록소b – 엽록소a (반응중심엽록소 P700 - 제 1광계, P680 - 제 2광계)
* 광합성 관여 색소 - 엽록소 a, 엽록소 b : 65% / carotene : 6% / xantophyll : 21%
* 광보상점 : 광합성과 호흡속도가 같은점
* 광포화점 : 광의 강도가 광보상점보다 더욱 강해지면 광합성에 의한 CO2 동화량은 점점 증가하지만 어떤 강도에 도달하면 그 이상 광이 광해져도 동화량은 더 이상 증가하지 않는 강도
* 고립상태 광포화점 순서
- 음생식물 < 구약나물 < 콩 < 감자 , 담배 , 강낭콩 , 보리 , 귀리 < 벼 , 목화 < 밀 , 알팔파 , 고구마, 사탕무 , 무 , 사과나무 < 옥수수
* 고립상태에서의 광포화점 : 생육적온까지 온도가 높아질수록 광합성 속도는 높아지나 광포화점은 낮아지고 CO2포화점까지 공기 중의 CO2 농도가 높아질수록 광합성과 광포화점이 높아진다.
* CO2 포화점까지는 CO2 농도가 높아짐에 따라 광포화점은 높아진다. 군락의 광포화점은 군락의 형성도가 높을수록 높아진다.
* C4 식물 구조
(1) 특수한 조직배열이 있는 크란츠 해부구조를 가진다. 세포간극이 작고 각 유관속은 현저하게 발달된 유관속초세포로 둘러싸여 있으며, 엽육세포와 엽맥주위의 유관속초세포에 각각 엽록체를 갖고 있다.
(2) 엽육세포 : 그라나가 있고, 전분립이 없는 작은 엽록체가 들어 있다.
(3) 유관속초세포 : 보통 그라나가 없고, 다수의 전분립을 가진 큰 엽록체가 들어있다.
(4) 종류 : 옥수수, 수수, 사탕수수, 기장, 진주조, 피, 수단그래스, 버뮤다그래스, 명아주
CO2 보상점 : 0 ~ 10
카르복실라아제 : PEP carboxylase, RuBP carboxylase
* C3식물구조
엽육세포(해면상 or 울타리조직)으로 분화하거나, 내용이 같은 엽록유세포에 엽록체가 많이 포함되어 광합성이 이곳에서 이루어지며, 유관속초세포는 별로 발달하지 않고, 발달해도 엽록체를 거의 포함하지 않는다.
CO2 보상점 30~70
카르복실라아제 : RuBP carboxylase
* 식물체 함수량과 광합성의 관계
① 잎의 삼투량 감소에 의한 기공의 가스확산 능력의 저하 ② 세포내의 엽록소나 원형질의 수화도 감소
* CO2 – 광합성 관계 : 작물의 최대의 광합성은 광의 강도와 CO2 농도 양자에 의하여 달라진다.
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