광합성 암반응과 캘빈회로

광합성은 이산화탄소(CO2)로부터 유기 분자를 생성하는 모든 녹색 식물 또는 독립 영양 생물에서 발생하는 생화학적 과정입니다. 이러한 유기 분자는 많은 탄소-수소(C–H) 결합을 포함하고 이산화탄소(CO2)에 비해 크게 환원됩니다.

 

캘빈회로, 암반응 C3 회로

 

광합성에는 두 단계가 있습니다.

 

• 빛 의존 반응 (광반응) - 이름에서 알 수 있듯이 빛이 필요하며 주로 낮에 발생합니다.

• 빛 독립 반응 (암반응) - 또는 캘빈 회로 또는 C3 회로라고도 합니다. 이 반응은 햇빛이 있을 때와 없을 때 모두 발생합니다.

 

캘빈회로(Calvin Cycle 또는 C3 Cycle)와 그 단계에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

 

캘빈회로 란?

캘빈회로는 이산화탄소와 기타 화합물을 포도당으로 환원시키기 위해 식물이 수행하는 일련의 화학 반응으로 정의됩니다. 캘빈 회로는 C3 회로 또는 광합성의 빛 독립 또는 암반응으로도 알려져 있습니다. 그러나 NADPH와 ATP가 풍부한 낮에 가장 활동적입니다. 유기 분자를 만들기 위해 식물 세포는 광 반응에 의해 제공되는 원료를 사용합니다.

 

1. 에너지, Energy

순환 및 비순환 광인산화에 의해 제공되는 ATP로, 이는 *엔더곤 반응(endergonic reaction)을 유도합니다.

 

* 엔더곤 반응, endergonic reaction
반응과정에서 생성물을 만들기 전에 밖으로부터의 에너지를 필요로 하는 반응

 

2. 환원력, Reducing power

광계 I(photosystem I)에 의해 제공되는 NADPH는 수소와 탄소 원자에 결합하는 데 필요한 에너지 전자의 공급원입니다. 광합성 동안 포착된 빛 에너지의 대부분은 에너지가 풍부한 설탕의 C-H 결합으로 끝납니다.

 

식물은 탄수화물, 주로 전분과 자당의 형태로 빛 에너지를 저장합니다. 이 과정에 필요한 탄소와 산소는 CO2에서 얻고, 탄소 고정을 위한 에너지는 광합성 과정에서 생성되는 ATP와 NADPH에서 나온다.

 

CO2가 탄수화물 로 전환되는 것을 Calvin Cycle 또는 C3 Cycle이라고 하며 이를 발견한 Melvin Calvin의 이름을 따서 명명되었습니다. 탄소 고정을 위한 캘빈 주기를 겪는 식물을 C3 식물이라고 합니다.

 

Calvin Cycle에는 일반적으로 RuBisCO라고 하는 효소 ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase가 필요합니다. 그것은 삼당 인산, 3-포스포글리세르산(3-PGA), 글리세르알데히드-3P(GAP) 및 디하이드록시아세톤 인산(DHAP)을 생성하며, 이들 모두는 육탄당 인산 과당-1,6-이인산 및 과당 6-을 합성하는 데 사용됩니다. 인산염.

 

캘빈회로 다이어그램

캘빈회로 다이어그램은 탄소 고정, 환원 및 재생을 포함하는 캘빈회로의 여러 단계를 보여줍니다.

 

캘빈회로의 단계

캘빈 주기는 세 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다.

 

탄소 고정, Carbon fixation

캘빈회로의 핵심 단계는 이산화탄소(CO2)를 줄이는 이벤트입니다. 이산화탄소는 탄소 고정이라고 하는 핵심 과정에서 RuBP에 결합하여 포스포글리세르산의 2-3개의 탄소 분자를 형성합니다. 이 반응을 수행하는 효소는 루비스코(RuBisCO, ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase)로, 4개의 소단위체로 구성된 매우 크고 엽록체 기질에 존재합니다.

 

이 효소는 매우 느리게 작동하여 초당 약 3개의 RuBP 분자만 처리합니다(초당 약 1000개의 기질 분자의 일반적인 효소 프로세스). 일반적인 잎에서 전체 단백질의 50% 이상이 루비스코(RuBisCO)입니다. 지구상에서 가장 풍부한 단백질로 여겨집니다.

 

환원, Reduction

캘빈회로의 두 번째 단계입니다. 탄소 고정을 통해 생성된 3-PGA 분자는 단당 분자인 포도당으로 변환됩니다. 이 단계는 광합성의 빛 의존 반응 동안 형성된 ATP와 NADPH로부터 에너지를 얻습니다.

 

이러한 방식으로 캘빈회로는 식물이 햇빛 에너지를 설탕과 같은 장기 저장 분자로 변환하는 경로가 됩니다. ATP와 NADPH의 에너지는 당으로 전달됩니다. 이 단계는 전자가 3-PGA 분자로 전달되어 글리세르알데히드-3 포스페이트를 형성하기 때문에 환원으로 알려져 있습니다.

 

재생, Regeneration

캘빈회로의 세 번째 단계이며 ATP가 필요한 복잡한 과정입니다. 이 단계에서 G3P 분자 중 일부는 포도당을 생성하는 데 사용되고 나머지는 RuBP 수용체를 재생하기 위해 재활용됩니다.

 

캘빈회로의 생산물

• 캘빈회로의 각 회전마다 탄소 한 분자가 고정됩니다.

• 1분자의 글리세르알데하이드-3인산은 캘빈 회로의 3회전에서 생성됩니다.

• 두 분자의 글리세르알데히드-3 인산이 결합하여 하나의 포도당 분자를 형성합니다.

• 3개의 ATP와 2개의 NADPH 분자는 3-포스포글리세르산이 글리세르알데히드-3 포스페이트로 환원되고 RuBP의 재생에 사용됩니다.

• 1분자의 포도당을 생산하는데 18ATP와 12NADPH가 소모된다.

 

캘빈회로 요점

• 캘빈회로는 광합성의 암 반응을 나타냅니다.

• 그것은 간접적으로 빛에 의존하고 필수 에너지 운반체는 빛 의존반응의 산물입니다.

• 캘빈회로의 첫 번째 단계에서 빛과 무관한 반응이 시작되고 이산화탄소가 고정됩니다.

• 캘빈회로의 두 번째 단계에서 ATP와 NADPH는 3PGA를 G3P로 감소시킵니다. ATP와 NADPH는 ATP와 NADP+로 전환됩니다.

• 마지막 단계에서 RuBP가 재생성됩니다. 이것은 더 많은 이산화탄소 고정에 도움이 됩니다.