광계 II

개요

광계 II(Photosystem II, 줄여서 PS II)는 빛 에너지를 수확하는 틸라코이드(thylakoid) 막 안에 내장된 다중 단백질 복합체입니다. 엽록소(chlorophyll) 분자는 광계 II의 반응 중심(reaction center)에 있는 특정 쌍의 엽록소a(chlorophyll a) 분자로 에너지를 전달합니다. 여기서 엽록소a 분자는 1차 전자 수용체(primary electron acceptor)에게 전자를 전달하면서 전자를 잃습니다 (즉 산화; oxidation). 공여된 전자는 전자전달계(electron transport chain)를 통해 광계 I로 전달됩니다. 물 분자를 쪼개면 산소 원자 1개, 양성자(proton; H⁺) 2개, 전자 2개가 방출됩니다. 여기서 나온 전자는 반응 중심에 있는 두 엽록소a 분자가 공여했던 전자를 대체합니다. 산소 원자는 즉시 다른 산소 원자와 반응하여 대기 중으로 방출되는 O₂를 생성합니다. 양성자는 축적되어 화학삼투(chemiosmosis)라고 불리는 과정에서 아데노신삼인산(ATP) 합성을 촉진하기 위해 틸라코이드 막 전체에 농도 구배(concentration gradient)를 형성합니다.

광계 II의 빛 수확

다중 단백질 복합체 광계 II는 광자(photon)를 수확하고 결합 색소인 엽록소a, 엽록소b (chlorophyll b), 카로티노이드(carotenoid)를 통해 에너지를 전달합니다. 카로티노이드는 식물 조직에 손상을 줄 수 있는 대량의 에너지를 방출하는 것을 도와 보호 기능을 제공합니다.

에너지는 반응 중심이라고 불리는 영역에 있는 특별한 엽록소a 분자 쌍에 도달할 때까지 엽록소 분자에서 다른 엽록소 분자로 이동합니다. 반응 중심은 680nm의 파장에서 빛을 흡수하기 때문에 P680으로도 알려져 있습니다. 에너지는 엽록소a 분자로부터 전자를 분리(즉, 산화; oxidation)할 만큼 충분히 강합니다. 자유 전자는 광작용(photoact)이라고 불리는 과정을 통해 1차 전자수용체 분자로 전달됩니다. 반응 중심에 있는 엽록소a의 전자는 물 분자의 분열에서 방출되는 두 개의 전자 중 하나로 대체됩니다.

양성자 구배(Proton Gradient)와 ATP 생성

광계 II에서 물이 분해하면 두 번째 산소 원자와 결합하는 산소 원자도 생성됩니다. 이렇게 생성되는 O₂는 대기 중으로 빠져나갑니다. 이 반응은 또한 ATP 합성효소(ATP synthase)라고 불리는 특화된 반투과성(semi-permeable) 단백질 채널에 동력을 공급하기 위해 농도 구배를 형성하는 두 개의 양성자(H⁺)를 만듭니다. 양성자가 틸라코이드 내 높은 농도에서 채널을 통해 스트로마(stroma) 내 낮은 농도로 이동하는 과정을 화학삼투라고 합니다. 화학삼투는 ATP 합성효소가 아데노신이인산(ADP)에 세 번째 인산기(phosphate group)를 부착하여 에너지 분자 ATP를 형성하게 만드는 에너지를 생산합니다.