광합성이란 무엇인가?

광합성(photosynthesis)은 식물과 일부 박테리아에서 일어나는 여러 부분으로 구성된 생화학적인 과정입니다. 광합성은 이산화탄소와 태양 에너지를 흡수하여 포도당(glucose)을 생산합니다. 포도당은 탄수화물의 형태로 화학 에너지를 저장합니다. 광합성의 전체적인 생화학 공식은 6 CO₂ + 6 H₂O + 빛 에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂입니다. 광합성은 산소를 대기로 방출하고 지구의 대기 산소 농도를 유지하는 데 큰 역할을 합니다.

광합성 반응은 식물 세포에서 막으로 둘러싸인 특수한 구획인 엽록체(chloroplast)에서 발생합니다. 엽록체는 동전처럼 생긴 틸라코이드(thylakoid) 더미로 이루어져 있습니다. 이러한 더미 중 하나를 그라나(단수형 granum; 복수형 grana)라고 합니다. 틸라코이드 막은 식물에 (특히 잎에) 녹색을 주는 녹색 색소인 엽록소(chlorophyll)로 농축되어 있습니다. 엽록소 분자는 빛 에너지를 보라색-파란색 파장과 오렌지색-빨간색 파장으로부터 광자(photon)의 형태로 흡수합니다. 광자는 아데노신삼인산(ATP)과 NADPH를 생성하는 광계 II(Photosystem II)와 광계 I(Photosystem I)의 반응을 촉진하는 연쇄작용(cascade)을 시작합니다. 이 두 분자는 엽록체의 스트로마(stroma)에서 일어나는 캘빈회로(Calvin cycle) 내 빛 비의존성 반응을 촉진하여 복합 탄수화물을 생산하는 데 사용됩니다.

건조하고 더운 기후에서 자라는 옥수수와 선인장과 같은 일부 식물은 당을 생산하기 위해 C₄와 CAM 경로와 같은 탄소고정 과정(carbon-fixing process)을 사용합니다. 이러한 기후 적응은 광호흡(photorespiration; 루비스코(RuBisCO) 효소가 CO₂를 결합해 당을 생산하지 않고 O₂를 결합해 당을 태우는 과정)을 줄여줍니다. CAM 식물과 C4 식물은 CO₂ 고정(CO₂ fixation)과 포도당 합성(glucose synthesis)을 시간상으로 분리하거나 전문화된 세포 구획(cell compartment)을 사용하여 분리합니다.