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광합성(光合成, 영어: Photosynthesis)은 식물들이 빛을 받아 에너지를 만드는 생화학적 방법이다. 기본적인 반응식은 $6CO_{2}+6H_{2}O\rightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6O_{2}$이다.

설명

이하 내용은 기본 수준이다.

과정

광합성은 크게 두 과정으로 이루어져 있다 명반응(light dependent reaction)과 암반응(light independent reaction)이 있다.

명반응

엽록체의 단위 구조, 즉 엽록체의 세포 같은 존제인 틸라코이드의 막(thylakoid membrane)에서 이루어지며, 상황에 따라 순환적으로 일어날 수도 있고 안그럴 수도 있다. 그러나 어찌됐든 광화학계(photosystem)의 엽록소가 빛의 에너지를 받아서 전자가 전자전달쇄(electron transport chain)를 지나서 ATP를 만드는 것은 동일하다.

순환적 명반응

이때, 순환적 명반응의 경우, 광화학계 I '만' 위에 서술된 ATP를 만드는 순환적 광인산화반응(cyclic phosphorylation)에 참여하며, 높은 에너지를 지닌 전자들이 전자전달쇄를 지나 광화학계 I로 돌아온다. 단, 이때 암반응을 위해 수소를 전달해주는 NADPH + H⁺가 생성되지 않는다. 즉, 순환적 광인산화반응을 하였을 때에는 화학적인 에너지인 ATP가 만들어질 뿐이지, 궁극적인 목표인 유기물의 생성으로 연결되진 않는다.

비순환적 명반응

비순환적 명반응의 경우, 광화학계 I와 광화학계 II가 둘 다 빛을 받는다. 그리고 이것으로 인해 높은 에너지를 지닌 전자가 형성되며, 이때에는 광화학계(photosystem) II가, 캐리어의 열을 따라서 전자전달쇄를 통해 ATP를 만들어내고. 광화학계 I는 NADP⁺의 탈산소화(reduction)를 일으켜서 NADPH 와 H⁺를 만들어 낸다. 그리고 이때 잃어버리게 되는 전자를 광화학계 II에서 보충하게 되며, 광화학계 II의 전자는 나중에 일어나는 물의 광분해(photolysis)가 일어나게 된다.

암반응

암반응은 그 이름과 달리 딱히 어둠에서 이루어질 필요는 없다. 암반응은 ATP와 명반응에서 만들어낸 ATP와 수소 캐리어인 NADPH+ H⁺를 사용하여서 유기 물질을 만들어 내는 것이다. 암반응 외에 캘빈 회로라고 알려져 있다. 캘빈 회로는 엽록체 내의 틸라코이드의 합체인 그라나(grana 혹은 granum이라고 한다) 이외의 부분인 스트로마에서 일어나게 된다. 이때 캘빈 회로 또한 크게 3 부분으로 나누는 것이 가능하다: 탄소고정 과정, 비산소화 과정 그리고 RuBP의 재구성 과정

탄소고정

특수한 효소인 루비스코 (Rubisco)가 CO₂가 5-C 화합물, 즉, 한 분자당 탄소가 다섯 개 있는 RuBP에 붙어서 6C 화합물 분자를 만들어 낸다. 이때, 불안정한 6C 분자는 바로 쪼개져서 3C 분자인 GP 두 개로 나누어진다.

비산소화 과정

각각의 GP는 ATP에 인하여 인산화되고, NADPH 와 H⁺에 의하여 비산소화 된다. 이러므로서 모든 GP가 Triose Phosphate, 약칭 TP로 바뀌게 된다.

RuBP의 재구성 과정

이러한 과정을 세 번 반복하게 되면 2X3=6개의 Triose Phosphate이 생기게 되는데, TP는 설탕 분자의 딱 절반이라서 이를 사용하여 세포가 필요로 하는 유기물을 만들어 낼 수 있다. 나머지 5개의 3C 분자인 Triose Phosphate은 다시 ATP를 소모하는 과정을 거쳐 RuBP가 만들어진다. RuBP가 만들어졌으므로, 이 회로는 계속 될 수 있고, 식물의 세포는 이를 사용할 수 있다.

광합성에 영향을 끼치는 요소들

서술된 바에서 볼 수 있듯이, 광합성의 절차는 매우 복잡하고 여러 가지 스텝을 함께하기 때문에, 제한요인 또한 많이 있다.

빛의 영향

광합성은 결국 엽록체의 피그먼트, 즉 색소에 의해 빛을 흡수하고 이를 사용하여서 광합성을 위한 에너지를 만들어낸다. 이 에너지를 사용하여 명반응 하는 것이다. 그러고 사람들이 많이 알다시피 모든 물건은 흡수 하는 색 이외에는 다 반사시키고 이 반사시킨 빛을 우리가 색으로서 인지하는데, 엽록체의 색소로는 크게 세 가지가 있는데 엽록소(Chlorophyll) a 와 b 그리고 카로테노이드(Carotenoid)이다. 이 세 가지 색소가 가장 많이 흡수 하는 빛의 파장과 그에 맞는 색이 파랑 (450nm) 그리고 빨강(670nm)이고, 가장 적게 흡수하는 빛의 색은 녹색이기 때문에, 식물의 잎들이 초록색으로 보이는 것이다.

그러므로 당연하게도, 빛이 셀수록 더 많은 에너지가 흡수 가능하고, 너무 약하면 ATP나 NADPH의 양이 부족하게 나온다.

온도

웬만한 반응들이 다 그렇듯이, 온도 또한 광합성에 거대한 영향을 끼치게 된다. 우선, 가장 많이 영향을 주는 것은 암반응, 즉 켈빈 회로이다. 너무 높은 온도가 되면, 루비스코와 같이 필요한 효소들이 쉽게 파괴되고, 너무 적은 온도가 되면 반응 속도가 느려터져서 안 된다.

이산화탄소의 농도

이산화탄소는 켈빈 회로의 탄소 고정을 위해 필요한 것으로서, 이것이 당연히 많으면 많을수록 광합성의 속도는 빠르게 된다.

창작물 속에서 광합성

• 포켓몬스터 게임에서의 한 기술으로 사용자의 HP를 회복시킨다.