명반응
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1. 개요
명반응은 빛 에너지를 이용하여 화학 에너지를 생성하는 광의존적 화학 반응의 일종이다. 주로 생명체의 광합성과 관련되며, 빛 에너지를 흡수하여 전자를 여기시키고, 전자 전달 과정을 통해 ATP와 NADPH를 생성한다. 광합성은 산소 발생형과 산소 비발생형으로 나뉘며, 녹색식물의 비순환적 전자 전달계가 물의 광분해에 관여한다. 반응 중심은 틸라코이드 막에 위치하며, PSII와 PSI을 통해 빛 에너지를 화학 에너지로 전환한다. 세균에서도 광반응이 일어나며, 시아노박테리아는 PSII와 PSI을 모두 가지고 있다. 자색세균과 녹색황세균은 각기 다른 광화학 반응계를 통해 ATP를 생성한다. 광인산화는 빛 에너지를 이용하여 ADP로부터 ATP를 생성하는 과정으로, 순환적 광인산화와 비순환적 광인산화가 있다. 박테리오로돕신은 고세균에서 빛을 흡수하여 양성자 농도 기울기를 형성하는 양성자 펌프로, ATP 합성에 사용된다. 얀 잉겐하우스는 1779년 광합성에 빛이 사용된다는 아이디어를 제시했으며, 로빈 힐은 1939년 명반응과 암반응이 서로 다른 장소에서 일어난다는 것을 증명했다.
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| 명반응 | |
|---|---|
| 광화학 반응 | |
| 유형 | 광합성 반응의 일부 |
| 반응 | 빛 에너지를 이용하여 화학적 에너지를 생성 |
| 장소 | 틸라코이드 막 |
| 반응물 | 물 (H₂O) NADP+ |
| 생성물 | 산소 (O₂) NADPH ATP |
| 관련 과정 | 광계 II 광계 I 전자전달계 광인산화 |
| 관련 인물 | 로버트 힐 |
| 주요 기능 | 캘빈 회로에 필요한 에너지와 환원제 제공 |
| 상세 과정 | |
| 광계 | 빛 에너지를 흡수하는 색소 단백질 복합체 광계 II와 광계 I 두 가지 존재 각각 다른 파장의 빛을 최대로 흡수 |
| 광계 II | 물 분해를 통해 전자를 공급하고 산소 생성 페오피틴을 통해 전자 전달 플라스토퀴논으로 전자 전달 전자를 사이토크롬 b6f 복합체로 전달 |
| 광계 I | 플라스토시아닌을 통해 전자 전달받음 페레독신으로 전자 전달 페레독신-NADP+ 환원 효소를 통해 NADPH 생성 |
| 전자 전달계 | 광계 II에서 광계 I으로 전자를 전달 양성자 기울기 형성 ATP 생성에 필요한 에너지를 제공 |
| 광인산화 | 양성자 기울기를 이용하여 ATP 생성 화학삼투 과정 이용 광계 II와 광계 I에서 생성된 에너지를 활용 |
| 결과 | ATP와 NADPH 생성 캘빈 회로를 통해 이산화탄소를 고정하고 포도당과 같은 탄수화물을 합성 |
| 역사 | |
| 로버트 힐의 발견 | 1930년대에 광합성에서 산소 발생이 이산화탄소 고정과는 별도의 반응임을 밝힘 |
| 광인산화의 발견 | 1950년대에 ATP 생성이 빛에 의해 구동됨을 밝힘 |
| 기타 | |
| 중요성 | 생태계의 기초를 이루는 과정 |
| 관련 용어 | 캘빈 회로 엽록체 엽록소 |
| 연구 분야 | 광합성 효율 개선 연구 인공 광합성 연구 태양 에너지 전환 기술 연구 |
2. 광반응 (명반응)
광반응(명반응)은 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 과정으로, 엽록체의 틸라코이드 막에서 일어난다.
광합성의 준비과정인 물의 광분해는 물(H2O)이 빛 에너지를 받아 수소 이온과 수산화 이온으로 분해되는 과정이다. 물이 분해되면 수산화 이온은 전자를 잃고 OH가 되는데, 2분자의 OH-가 결합해 산소(O2)를 배출한다. 한편 물이 분해되어 나온 수소 이온은 수소의 수용체인 NADP+에 전달되어 NADPH가 된다. NADPH는 광합성의 탄소고정반응에서 수소 공급원 역할을 한다. 물의 광분해 과정은 발견자인 힐의 업적을 따 힐 반응이라고도 한다.[15]
광인산화 과정은 빛 에너지를 이용해 ADP와 무기 인산(Pi)으로부터 ATP를 생성하는 반응이다. 광합성에서는 NADPH로 에너지를 저장하는 것 또한 광인산화에 포함된다. 광인산화 과정에는 순환적 광인산화 반응과 비순환적 광인산화 반응이 있다. 순환적 광인산화에서는 광계 I을 사용해 ATP를 합성하며 이탈 전자가 ATP 합성 후에 원래 자리로 되돌아 온다. 광계 I 의 P700이 전자를 방출하면 전자는 페레독신(Fd)을 거쳐 전자전달계에 도달하는데 여기서 화학삼투적 인산화에 의해 ATP를 합성한다. 이때 합성된 ATP는 탄소고정반응에 이용된다. 비순환적 광인산화는 광계 I 과 광계 II를 사용하는 과정이다. 광계 I에서 P700으로부터 방출된 전자는 전자수용체인 페레독신(Fd)로 들어가며 전자전달계를 거쳐 NADPH를 합성한다. 광계 II에서는 P680에서 고에너지 전자가 방출되며 이 전자는 플라스토퀴논(PQ)로 가서 전자전달계를 거친다. 이때 ATP가 합성된다. 이 과정을 거친 전자는 에너지를 잃은 상태이며 P700으로 들어가 P700을 환원시킨다. 광계 II 에선 전자 방출로 인해 P680이 산화되어 물의 광분해시 발생하는 전자를 사용해 이를 다시 환원시키게 된다. 물의 광분해로 발생한 2개의 H+는 NADP+와 결합 NADPH의 형태로 에너지를 저장하고 탄소고정반응에 전달된다. 2개의 OH-는 물과 산소로 되어, 이때 나온 전자는 P680을 환원시켜 광계 II를 들뜨기 전 상태로 만들면 비순환적 광인산화가 끝난다.[16]
2. 1. 광화학 반응
화학에서 많은 반응들은 활성화 에너지 장벽을 극복하는 데 필요한 에너지를 제공하기 위해 광자의 흡수에 의존하며, 따라서 광의존성으로 분류될 수 있다. 이러한 반응은 사진 필름에 사용되는 할로겐화은 반응에서부터 대기 상층부에서의 오존 생성 및 파괴에 이르기까지 다양하다. 생명체의 광합성과 관련된 일련의 광의존성 반응 또한 포함한다.광화학 반응은 전자 전달 과정에 따라 여러 종류가 있으며, 산소 발생형과 산소 비발생형 광합성은 광화학 반응을 담당하는 복합체의 수와 종류 등이 다르다.
- 산소 발생형
- 비순환적 전자 전달계
- 순환적 전자 전달계
- 산소 비발생형
- 녹색황세균형 (순환형 광인산화)
- 적색비황세균형 (비순환적 광인산화)
이 중에서 녹색식물이 담당하는 산소 발생형 광합성의 비순환적 전자 전달계가 "물의 광분해", 즉 산소 발생에 관여하는 광화학계 반응이며, 가장 연구가 많이 진행되었다. 순환적 전자 전달계는 녹색식물에서 ATP 합성의 보조적인 역할을 담당하는 것으로 생각된다. 산소 발생형의 광화학계 복합체(I, III)는 각각 산소 비발생형의 광화학계 복합체와 상동성이 있다고 알려져 있다.
광화학 반응의 비순환적 전자전달계는 물의 광분해를 수행하며, 식물뿐 아니라 지구과학적으로도 매우 중요한 반응을 담당하고 있다. 그러나, 여러 단백질 복합체가 관여하는 복잡한 반응계 중 하나이며, 그 상세가 아직까지 완전히 밝혀졌다고는 말하기 어렵다. 하지만, 광화학 반응의 최초 연구인 힐 반응이 관찰된 1939년 이후, 광화학계 복합체의 반응 중심 입자의 입체 구조가 밝혀졌고, 그 전자 전달 과정이 매우 짧은 시간 내에 일어난다는 것도 밝혀졌다.
광화학 반응은 다음 단백질 복합체에 의해 수행된다.
- 광화학계 복합체 II(광계 II)
- 시토크롬 ''b''6/f 복합체
- 광화학계 복합체 I(광계 I)
- CFo-CF1ATP 합성효소
위 단백질 복합체는 모두 엽록체의 틸라코이드 막에 위치하고 있으며, 구조 분석은 매우 어렵다.
비순환적 전자 전달계를 단순화하면 다음 단계로 나눌 수 있다.
1. 광계 II에서 빛 에너지를 흡수하여 색소 분자가 여기되고 복합체 전체에서 산화환원 반응이 일어나, 물이 분해되어 전자가 끌려나온다. 이때 발생하는 프로톤은 그대로 프로톤 농도 기울기가 된다.
2. 광계 II에서 공급된 전자는 플라스토퀴논을 통해 시토크롬 ''b''6/f 복합체로 전달되고, 프로톤 펌프 및 스칼라 반응이 일어나 프로톤 농도 기울기가 형성된다.
3. 전자는 시토크롬 ''b''6/f 복합체에서 플라스토시아닌을 통해 빛 에너지를 받아 여기된 광계 I로 전달된다.
4. 광계 I에서 다시 전자가 빛 에너지를 받아 여기되고, 산화환원 전위가 낮은 페레독신으로 전달된다.
5. 환원형 페레독신은 광계 I에 포함된 페레독신-NADP+ 환원효소 (FNR)에 의해 촉매되고, 광화학계의 최종 환원 물질 NADPH가 생성된다.
6. 1.과 2.에서 발생한 틸라코이드 내강 측에 발생하는 프로톤 농도 기울기를 이용하여 CFo-CF1ATP 합성효소에서 ATP의 인산화가 일어난다(광인산화).
7. 5.와 6.에서 합성된 NADPH와 ATP는 캘빈-벤슨 회로에서 탄소 고정에 이용된다.
비순환적 전자 전달계의 수지식은 다음과 같다.
광계 II(PSII)에서는 물의 광분해를 통해 산소를 발생시키고, 생성된 전자를 플라스토퀴논(plastoquinone)으로 전달하는 반응이 일어난다. 동시에 프로톤 농도 기울기 형성도 이루어진다. PSII 색소-단백질 복합체의 3차원 구조는 요한 다이젠호퍼(Johann Deisenhofer), 로베르트 후버(Robert Huber), 하르트무트 미헬(Hartmut Michel) 등에 의해 밝혀졌으며, 2002년 일본의 침건인(岡山大学), 신야 신오(大阪市立大学) 연구팀, 2004년 런던의 Barber 연구팀, 그리고 2005년 베를린의 Zouni와 Saenger 연구팀에 의한 X선 결정 구조 분석을 통해 그 구성이 점차 명확해지고 있다. 하지만 모든 구성 요소의 귀속, 특히 망간 클러스터라 불리는 활성 중심의 상세한 구조는 아직 밝혀지지 않았으며, 광에너지의 산업적 이용 측면에서 더욱 고해상도의 구조 해명이 필요하다.
PSII의 구성 요소는 다음과 같다.
- 반응 중심(반응 중심 P680, 4개의 클로로필＝다량체 모델)
- 안테나 색소 단백질
- 산소 발생에 기여하는 것으로 생각되는 3종류의 서브유닛
- 그 외 기능 불명의 여러 종류의 서브유닛
- 물의 광분해 활성 중심으로서 망간, 그 외 칼슘, 염소 등의 무기 이온
PSII는 홍색 광합성 세균의 반응 중심(bacterial photosynthetic reaction center, bRC)과 서열 유사성이 높다고 알려져 있다.
PSII의 반응 단계는 다음과 같다.
1. 안테나 색소 단백질에 의해 모아진 680 nm 파장의 빛에 의해 클로로필 반응 중심의 클로로필이 여기된다.
2. 클로로필 다량체에서 전자가 방출되어 페오피틴 PheoD1로 전자가 이동한다.
3. 전자는 플라스토퀴논 QA, 그리고 플라스토퀴논 QB로 이동한다. QB는 2회 환원되어 QBH2를 형성한 후, 단백질 내 결합 부위에서 이탈하여 퀴논 풀로 이동한다.
4. 2.의 반응과 함께 망간-칼슘 클러스터(Mn-cluster)가 산화된다. 망간 클러스터의 산화 상태는 가장 산화도가 낮은 S0 상태에서 S1, S2, S3으로 더욱 산화된 상태를 취할 수 있다. 최종적으로 전이 상태인 S4를 거쳐 S0 상태로 돌아올 때, 물 분자가 망간 클러스터에서 산소 분자로 산화된다.
S0 상태가 가장 산화도가 낮지만, 일반적으로 망간 클러스터는 S1 상태로 존재하는 경우가 가장 많이 관찰된다. 이는 YZ와 대응 관계에 있는 YD(D2-Tyr160, TyrD)가 S0 상태를 S1 상태로 산화시키기 때문이라고 여겨진다.
P680 근처의 티로신 D1-Tyr161 또는 TyrZ, YZ로 전자 전달이 일어나고, 망간 클러스터는 S4 상태에서 물을 분해하여 환원형 S0 상태로 돌아온다.
광계 II에서의 수지식은 다음과 같다.
- 12H2O + 12 플라스토퀴논 (PQox) → 24H+in + 6O2 + 12 플라스토퀴놀(PQred, 환원형 플라스토퀴논)
시토크롬 ''b''6/f 복합체는 플라스토퀴놀로부터 전자를 받아 전자 전달 과정에서 양성자 펌프와 스칼라 반응을 일으켜 양성자 농도 기울기를 발생시킨다. 그리고 최종적으로 산화형 플라스토시아닌에 전자를 전달한다. 시토크롬 ''b''6/f 복합체는 호흡 사슬 복합체 III과 서브유닛 구성 및 여러 반응이 매우 유사하다.
시토크롬 ''b''6/f 복합체의 서브유닛 구성은 다음과 같다.
- 시토크롬 ''b''6
- 시토크롬 f
- 플라스토퀴논 2개
- 리스크형 Fe-S 단백질
- 기타 3종류의 단백질
시토크롬 ''b''6/f 복합체의 전자 전달 과정은 호흡 사슬 복합체와 마찬가지로 2가지가 있으며, 다음과 같은 전자 전달 과정을 거친다.
- PQred → 리스크 Fe-S 단백질 → 산화형 플라스토시아닌 (PCyox)
- PQred → 헴 ''b''L → 헴 ''b''H → 리스크 Fe-S 단백질 → PCyox
시토크롬 b6/f 복합체의 수지식은 다음과 같다.
- 12PQred + 24H+out + 24PCyox (Cu2+) → 12PQox + 48H+in + 24PCyred (Cu+)
광계 I(PSI)는 환원형 플라스토시아닌으로부터 받은 전자를 페레독신으로 전달하고, 환원형 페레독신으로부터 NADP+로 전자 전달을 하여, 최종 환원 물질인 NADPH를 생산한다. PSI는 반응 중심으로 P700, 전자 수용체 클로로필 A-1, A0, 피로퀴논 A1, 철-황 클러스터 FX, FA, FB를 포함한다.
PSI 반응 중심은 녹색황세균의 광계 반응 중심과 배열 유사성이 높다고 알려져 있다.
PSI의 반응 단계는 다음과 같다.
1. 안테나 색소 단백질에 의해 집광된 700 nm 파장의 빛으로 클로로필 특수쌍 P700이 여기된다.
2. P700에서 전자가 방출되고 근방에 존재하는 클로로필 A-1, A0, 피로퀴논 A1, 철-황 클러스터 FX, FA, FB를 통해 전자가 전달된다.
3. 환원형 페레독신 (Fdred)은 FNR에 의해 촉매되어 NADPH를 생산한다.
광계 I에서의 수지식은 다음과 같다.
:
:
2. 2. 반응 중심
반응 중심은 틸라코이드 막에 위치하며, 빛 에너지를 엽록소 색소 분자의 이합체로 전달한다. 이 이합체는 광합성에서 근본적인 역할을 하기 때문에 특수쌍(special pair)이라고 불린다. 특수쌍은 광계 I(PSI)과 광계 II(PSII) 반응 중심에서 약간 다르다. PSII에서는 P680이라고 부르는데, 680 nm 파장의 광자를 흡수하기 때문이다. PSI에서는 P700이라고 부르는데, 700 nm의 광자를 흡수하기 때문이다.[16] 세균에서는 특수쌍을 P760, P840, P870 또는 P960이라고 부른다. 여기서 "P"는 색소(pigment)를 의미하고, 그 뒤의 숫자는 흡수된 빛의 파장이다.2. 3. 엽록체에서의 광반응
엽록체에서의 광합성은 PSII의 P680 전자가 높은 에너지 준위에 도달하면서 시작된다.[3] 이 에너지는 더 높은 산화환원 전위를 갖는 전자 수용체들을 환원시키는 데 사용된다. 이러한 전자 수용체들의 사슬을 전자 전달 사슬이라고 한다.[3] PSI에 도달하면 전자가 다시 여기되어 높은 산화환원 전위를 생성한다. 광합성의 전자 전달 사슬은 P680에서 P700까지의 산화환원 다이어그램이 Z자와 유사하여 Z 스킴이라고 불리기도 한다.[3]PSII의 최종 생성물은 막에서 이동하는 전자 운반체인 플라스토퀴놀이다. 플라스토퀴놀은 PSII에서 양성자 펌프인 시토크롬 b6f로 전자를 전달하며, PSII의 전자 공여체는 물이다. 시토크롬 b6f는 플라스토시아닌 분자를 통해 PSI로 전자 사슬을 전달한다.[3] PSI는 두 가지 방식으로 전자 전달을 계속할 수 있다. 순환적 전자 흐름을 생성하는 플라스토퀴놀로 전자를 다시 전달하거나, 비순환적 전자 흐름을 생성하는 FNR(페레독신-NADP(+) 환원효소)이라는 효소로 전자를 전달할 수 있다. PSI는 스트로마로 FNR을 방출하여 NADP+를 NADPH로 환원시킨다.[3]
전자 전달 사슬, 특히 시토크롬 ''b6f''의 활동은 스트로마에서 루멘으로 양성자를 펌핑하여 막을 가로지르는 양성자 기울기를 생성하고, 이는 ATP 합성효소를 통해 ATP를 생성하는 데 사용된다.[3]
엽록체에서 광합성 전자 전달 사슬의 전반적인 과정은 다음과 같다.[4]
:
흥분된 엽록소 P가 페오피틴으로 전자를 전달하면 고에너지 P로 전환되는데, 이는 티로신Z (또는 YZ) 분자에서 수소 원자 하나를 떼어냄으로써 티로신Z를 산화시킬 수 있다. 고에너지로 산화된 티로신은 에너지를 방출하고 양성자를 받아들이며 산소 발생 복합체, 궁극적으로는 물에서 전자를 제거함으로써 바닥 상태로 돌아온다.[4] 콕의 S-상태 다이어그램은 산소 발생 복합체에서 물 분해 반응을 보여준다.
광화학 반응은 전자 전달 과정에 따라 여러 종류가 있으며, 산소 발생형과 산소 비발생형 광합성은 광화학 반응을 담당하는 복합체의 수와 종류 등이 다르다.
- 산소 발생형
- 비순환적 전자 전달계
- 순환적 전자 전달계
- 산소 비발생형
- 녹색황세균형 (순환형 광인산화)
- 적색비황세균형 (비순환적 광인산화)
녹색식물이 담당하는 산소 발생형 광합성의 비순환적 전자 전달계는 "물의 광분해", 즉 산소 발생에 관여하는 광화학계 반응이며, 가장 연구가 많이 진행되었다. 순환적 전자 전달계는 녹색식물에서 ATP 합성의 보조적인 역할을 담당한다. 산소 발생형 광화학계 복합체(I, III)는 각각 산소 비발생형 광화학계 복합체와 상동성이 있다고 알려져 있다.
광화학 반응의 비순환적 전자전달계는 물의 광분해를 수행하며, 식물뿐 아니라 지구과학적으로도 매우 중요한 반응이다. 여러 단백질 복합체가 관여하는 복잡한 반응계이지만, 그 상세가 아직 완전히 밝혀지지는 않았다. 힐 반응이 관찰된 1939년 이후, 광화학계 복합체의 반응 중심 입자의 입체 구조가 밝혀졌고, 전자 전달 과정이 매우 짧은 시간 내에 일어난다는 것도 밝혀졌다.
광화학 반응은 다음 단백질 복합체에 의해 수행된다.
위의 단백질 복합체는 모두 엽록체의 틸라코이드 막에 위치하며, 구조 분석은 매우 어렵다.
비순환적 전자 전달계는 다음 단계로 단순화할 수 있다.
1. 광계 II에서 빛 에너지를 흡수하여 색소 분자가 여기되고 복합체 전체에서 산화환원 반응이 일어나, 물이 분해되어 전자가 끌려나온다. 이때 발생하는 프로톤은 그대로 프로톤 농도 기울기가 된다.
2. 광계 II에서 공급된 전자는 플라스토퀴논을 통해 시토크롬 *b*6/f 복합체로 전달되고, 프로톤 펌프 및 스칼라 반응이 일어나 프로톤 농도 기울기가 형성된다.
3. 전자는 시토크롬 *b*6/f 복합체에서 플라스토시아닌을 통해 빛 에너지를 받아 여기된 광계 I로 전달된다.
4. 광계 I에서 다시 전자가 빛 에너지를 받아 여기되고, 산화환원 전위가 낮은 페레독신으로 전달된다.
5. 환원형 페레독신은 광계 I에 포함된 페레독신-NADP+ 환원효소 (FNR)에 의해 촉매되고, 광화학계의 최종 환원 물질 NADPH가 생성된다.
6. 1.과 2.에서 발생한 틸라코이드 내강 측 프로톤 농도 기울기를 이용하여 CFo-CF1ATP 합성효소에서 ATP의 인산화가 일어난다(광인산화).
7. 5.와 6.에서 합성된 NADPH와 ATP는 캘빈-벤슨 회로에서 탄소 고정에 이용된다.
비순환적 전자 전달계의 수지식은 다음과 같다.
2. 3. 1. 광계 II (PSII)
광계 II(PSII)는 물 분해 복합체, 엽록소와 카로티노이드 색소, 반응 중심(P680), 페오피틴(엽록소와 유사한 색소) 및 두 개의 퀴논을 포함하는 매우 복잡하고 정돈된 막관통 구조이다.[16] 햇빛 에너지를 이용하여 물에서 막에 있는 이동성 전자 운반체인 플라스토퀴논으로 전자를 전달한다.[16]플라스토퀴놀은 시토크롬 b6f에 전자를 전달하고, 이는 광계 I(PSI)로 전자를 공급한다.[16] PSII는 모든 엽록체에서 발견되는 막관통 구조로, 물을 전자, 양성자 및 분자 산소로 분해한다. 전자는 플라스토퀴논으로 전달되고, 플라스토퀴논은 전자를 양성자 펌프로 운반하며, 산소는 대기 중으로 방출된다.[16]
광계 II (PSII)에서는 물의 광분해를 통해 산소를 발생시키고, 생성된 전자를 플라스토퀴논(plastoquinone)으로 전달하는 반응이 일어난다. 동시에 프로톤 농도 기울기 형성도 이루어진다.
PSII의 구성 요소는 다음과 같다.
- 반응 중심 (반응 중심 P680, 4개의 클로로필＝다량체 모델)
- 안테나 색소 단백질
- 산소 발생에 기여하는 것으로 생각되는 3종류의 서브유닛
- 그 외 기능 불명의 여러 종류의 서브유닛
- 물의 광분해 활성 중심으로서 망간, 그 외 칼슘, 염소 등의 무기 이온
PSII는 홍색 광합성 세균의 반응 중심(bacterial photosynthetic reaction center, bRC)과 서열 유사성이 높다고 알려져 있다.
광계 II 에서 일어나는 반응 단계는 다음과 같다.
1. 안테나 색소 단백질에 의해 모아진 680 nm 파장의 빛에 의해 클로로필 반응 중심의 클로로필이 여기된다.
2. 클로로필 다량체에서 전자가 방출되어 페오피틴 PheoD1로 전자가 이동한다.
3. 전자는 플라스토퀴논 QA, 그리고 플라스토퀴논 QB로 이동한다. QB는 2회 환원되어 QBH2를 형성한 후, 단백질 내 결합 부위에서 이탈하여 퀴논 풀로 이동한다.
4. 2.의 반응과 함께 망간-칼슘 클러스터(Mn-cluster)가 산화된다. 망간 클러스터의 산화 상태는 가장 산화도가 낮은 S0 상태에서 S1, S2, S3으로 더욱 산화된 상태를 취할 수 있다. 최종적으로 전이 상태인 S4를 거쳐 S0 상태로 돌아올 때, 물 분자가 망간 클러스터에서 산소 분자로 산화된다.
- S0 상태가 가장 산화도가 낮지만, 일반적으로 망간 클러스터는 S1 상태로 존재하는 경우가 가장 많이 관찰된다. 이는 YZ와 대응 관계에 있는 YD(D2-Tyr160, TyrD)가 S0 상태를 S1 상태로 산화시키기 때문이라고 여겨진다.
P680 근처의 티로신 D1-Tyr161 또는 TyrZ, YZ로 전자 전달이 일어나고, 망간 클러스터는 S4 상태에서 물을 분해하여 환원형 S0 상태로 돌아온다.
광계 II에서의 수지식은 다음과 같다.
- 12H2O + 12 플라스토퀴논 (PQox) → 24H+in + 6O2 + 12 플라스토퀴놀(PQred, 환원형 플라스토퀴논)
2. 3. 2. 시토크롬 b6f 복합체
광계 II와 광계 I는 막을 가로지르는 양성자 펌프인 시토크롬 b6f 복합체(플라스토퀴놀-플라스토시아닌 환원효소)에 의해 연결되어 있다.[3] PSII로부터 나온 전자는 플라스토퀴놀에 의해 시토크롬 ''b''6/f로 운반되며, 여기서 단계적으로 제거되어(플라스토퀴논 재형성) 플라스토시아닌이라고 불리는 수용성 전자 운반체로 전달된다.[3] 이러한 산화환원 과정은 막을 가로질러 4개의 양성자를 펌핑하는 과정과 결합되어 있다.[3]시토크롬 ''b''6/f 복합체는 엽록체 내에 존재하며 미토콘드리아의 시토크롬 bc1과 구조와 기능이 매우 유사하다.[3] 두 시토크롬 모두 막을 가로지르는 구조로, 이동성 지용성 전자 운반체(엽록체의 플라스토퀴논, 미토콘드리아의 유비퀴논)로부터 전자를 제거하고 이동성 수용성 전자 운반체(엽록체의 플라스토시아닌, 미토콘드리아의 시토크롬 c)로 전달한다.[3] 두 시토크롬 모두 막을 가로지르는 양성자 기울기를 생성하는 양성자 펌프이다.[3]
시토크롬 b6와 서브유닛 IV는 미토콘드리아 시토크롬 b와 상동이며,[5] 두 복합체의 Rieske 철-황 단백질 또한 상동이다.[6] 그러나 시토크롬 f와 시토크롬 c1은 상동이 아니다.[7]
시토크롬 ''b''6/f 복합체는 플라스토퀴놀로부터 전자를 받아 전자 전달 과정에서 양성자 펌프와 스칼라 반응을 일으켜 양성자 농도 기울기를 발생시킨다. 그리고 최종적으로 산화형 플라스토시아닌에 전자를 전달한다.
시토크롬 ''b''6/f 복합체의 서브유닛 구성은 다음과 같다.
| 구성 요소 |
|---|
| 시토크롬 b6 |
| 시토크롬 f |
| 플라스토퀴논 2개 |
| 리스크형 Fe-S 단백질 |
| 기타 3종류의 단백질 |
시토크롬 ''b''6/f 복합체의 전자 전달 과정은 호흡 사슬 복합체와 마찬가지로 2가지 경로를 거친다.
| 전자 전달 경로 |
|---|
| PQred → 리스크 Fe-S 단백질 → 산화형 플라스토시아닌 (PCyox) |
| PQred → 헴 bL → 헴 bH → 리스크 Fe-S 단백질 → PCyox |
2. 3. 3. 광계 I (PSI)
PSI는 플라스토시아닌으로부터 전자를 받아 NADPH (''비순환적 전자 전달'') 또는 시토크롬 ''bf'' (''순환적 전자 전달'')로 전달한다.[16]'''플라스토시아닌''' → '''P700''' → '''P700*''' → '''FNR''' → '''NADPH'''
↑ ↓
'''''bf''''' ← '''필로퀴논'''
PSI는 PSII와 마찬가지로 안테나 엽록소, 반응 중심(P700), 필로퀴논, 그리고 중간 산화환원 운반체 역할을 하는 여러 철-황 단백질을 포함하는 복잡하고 고도로 조직화된 막관통 구조이다. PSI의 광수확계는 PSII가 사용하는 것과 동일한 막관통 단백질의 여러 복사본을 사용한다. 흡수된 빛의 에너지(비편재화된 고에너지 전자의 형태)는 반응 중심으로 유입되어 특수 엽록소 분자(P700, 700nm에서 최대 빛 흡수)를 더 높은 에너지 수준으로 여기시킨다.
여기된 엽록소 분자에서 전자가 제거되어 일련의 중간 운반체를 통해 수용성 전자 운반체인 ''페레독신''으로 전달된다. PSII와 마찬가지로 이것은 100% 효율로 작동하는 고체 상태 과정이다.
PSI에는 두 가지 다른 전자 전달 경로가 있다. ''비순환적 전자 전달''에서 페레독신은 전자를 NADPH로 환원시키는 효소 페레독신-NADP+ 환원효소(FNR)로 운반한다. ''순환적 전자 전달''에서는 페레독신의 전자가 (플라스토퀴놀을 통해) 양성자 펌프인 시토크롬 ''bf''로 전달된다. 그런 다음 (플라스토시아닌을 통해) P700으로 돌아온다. NADPH와 ATP는 이산화탄소(CO)로부터 유기 분자를 합성하는 데 사용된다. NADPH 대 ATP 생산 비율은 순환적 및 비순환적 전자 전달 사이의 균형을 조절하여 조정할 수 있다.
PSI는 녹색 황세균에서 발견되는 광합성 구조와 매우 유사하다.[16]
PSI 반응 중심은 녹색황세균의 광계 반응 중심과 배열 유사성이 높다고 알려져 있다.
'''반응 단계'''
# 안테나 색소 단백질에 의해 집광된 700 nm 파장의 빛으로 클로로필 특수쌍 P700이 여기된다.
# P700에서 전자가 방출되고 근방에 존재하는 클로로필 A, A, 필로퀴논 A, 철-황 클러스터 FX, FA, FB를 통해 전자가 전달된다.
# 환원형 페레독신 (Fd)은 FNR에 의해 촉매되어 NADPH를 생산한다.
광계 I에서의 수지식은 다음과 같다.
: 24PCy + 12Fd (2Fe) → 24PCy + 12Fd(2Fe)
: 12Fd + 12NADP → 12Fd + 12NADPH (→캘빈-벤슨 회로로)
2. 4. 세균에서의 광반응
시아노박테리아를 제외한 세균에서의 광반응은 산소를 발생시키지 않는다는 특징이 있다. 세균은 엽록체를 가지지 않고, 대신 반응 중심 입자가 세포막에 존재하여 호흡사슬복합체와 함께 작용한다.홍색비황세균의 광화학계는 비순환적이며, 유비퀴논을 전자 공여체로 사용한다. 반응 중심 P870에서 빛 에너지를 흡수하여 전자가 여기되면, 이 전자는 박테리오페오피틴, QA(유비퀴논), QB(유비퀴논)를 거쳐 유비퀴논으로 전달된다. 여기서 전자는 두 가지 경로로 나뉘는데, 하나는 시토크롬 ''bc''1 복합체를 거쳐 시토크롬 ''c''2로 전달되는 경로이고, 다른 하나는 에너지 의존성 전자 역행 반응을 통해 NAD+로 전달되는 경로이다. 시토크롬 ''bc''1 복합체는 시토크롬 ''c''2로 전자를 전달하면서 프로톤 퀴논 사이클 기구를 통해 프로톤 농도 기울기를 형성한다. 시토크롬 ''c''2로 전달된 전자는 다시 두 가지 경로로 나뉘는데, 하나는 시토크롬 옥시다아제로 전달되어 최종 전자 수용체인 산소에 전달되는 경로이고, 다른 하나는 광화학 반응 복합체로 돌아가 반응 중심 P870의 전자를 보충하는 경로이다. 이러한 과정을 통해 ATP 합성이 주된 목적으로 이루어진다.
녹색황세균의 광화학 반응 복합체는 녹색식물의 광계 I과 유사하며, 박테리오클로로필을 사용하고 환원 물질로 NADH를 생성한다. 반응 중심 P840에서 빛 에너지를 흡수하여 전자가 여기되면, 이 전자는 박테리오클로로필, 메나퀴논(비타민 K₂), 철-황 클러스터 (FX, FA, FB)를 거쳐 페레독신으로 전달된다. 페레독신에서 NAD+로 전자가 전달되어 NADH가 생성되고, 호흡사슬 복합체 I에서 산화되면서 프로톤 농도 기울기가 형성된다. 복합체 I에서 메나퀴논, 시토크롬 bc₁ 복합체로 전자가 전달되면서 다시 프로톤 농도 기울기가 발생한다. 시토크롬 bc₁ 복합체는 시토크롬 c′로 전자를 전달하고, 전자는 다시 P840으로 돌아간다. 이 광화학 반응계 역시 호흡사슬 구동에 사용되며, ATP 합성이 주된 목적이다.
2. 4. 1. 시아노박테리아 (남세균)
시아노박테리아는 PSI와 PSII를 모두 가지고 있다. 이들의 광수확 시스템은 식물에서 발견되는 것과 다르다(안테나 색소로 클로로필이 아닌 피코빌린을 사용한다). 그러나 그들의 전자 전달계는 본질적으로 엽록체의 전자 전달계와 동일하며, 다음과 같다.: → '''PSII''' → '''플라스토퀴놀''' →''' ''b6f'' '''→ '''시토크롬 ''c6'' '''→ '''PSI''' → '''페레독신''' → '''NADPH'''
:↑ ↓
:''' ''b6f'' ''' ← '''플라스토퀴놀'''
이동성 수용성 전자 운반체는 식물에서 플라스토시아닌으로 대체된 시아노박테리아에서 시토크롬 ''c6''이다.[8]
시아노박테리아는 광합성 과정에서 산소를 생성하는 유일한 박테리아이다. 지구의 원시 대기는 무산소성이었다. 시아노박테리아와 같은 유기체가 현재의 산소를 함유한 대기를 만들었다.
광합성 박테리아의 다른 두 가지 주요 그룹인 자색 박테리아와 녹색 황 박테리아는 단 하나의 광계만을 가지고 있으며 산소를 생성하지 않는다.
2. 4. 2. 홍색세균
자색세균은 시아노박테리아와 엽록체의 PSII와 구조적으로 관련된 단일 광계를 포함한다.: P870 → P870* → 유비퀴논 → cyt ''bc1'' → cyt ''c2'' → P870
이것은 여기된 클로로필 분자(박테리오클로로필; P870)에서 전자가 제거되어 전자 전달계를 통해 양성자 펌프(엽록체의 것과 유사함)로 전달된 다음 클로로필 분자로 돌아오는 ''순환적'' 과정이다. 그 결과 양성자 기울기가 생성되고, 이 기울기는 ATP 합성효소를 통해 ATP를 생성하는 데 사용된다. 시아노박테리아와 엽록체와 마찬가지로, 이것은 복잡한 막관통 거대분자 구조 내에서 다양한 기능기의 정확한 방향에 의존하는 고체 상태 과정이다.
NADPH를 생성하기 위해 자색세균은 외부 전자 공여체(수소, 황화수소, 황, 아황산염 또는 숙시네이트 및 젖산과 같은 유기 분자)를 사용하여 전자를 역전자 전달계에 공급한다.
2. 4. 3. 녹색황세균
녹색황세균은 엽록체의 광계 I (PSI)와 유사한 광계를 가지고 있다.'''P840''' → '''P840*''' → '''페레독신''' → '''NADH'''
↑ ↓
'''시토크롬 ''c553'' '''←''' ''bc1'' '''←''' 메나퀴논'''
녹색황세균의 전자 전달에는 두 가지 경로가 있다.
- 순환적 전자 전달: 여기된 엽록소 분자에서 전자가 제거되어 전자 전달계를 통해 양성자 펌프로 전달된 후 엽록소로 돌아온다. 이동성 전자 운반체는 일반적으로 지용성 퀴논과 수용성 시토크롬이다. 생성된 양성자 기울기는 ATP를 만드는 데 사용된다.
- 비순환적 전자 전달: 여기된 엽록소 분자에서 전자가 제거되어 NAD+를 NADH로 환원하는 데 사용된다. P840에서 제거된 전자는 H2S에서 전자를 제거하여 황으로 산화시킴으로써 대체된다.
녹색황세균의 광화학 반응 복합체는 녹색식물의 광계 복합체 I과 유사하며, 다음과 같은 구성 요소를 가진다.
- 광화학 반응 복합체
- 반응 중심 P840, 박테리오클로로필, 메나퀴논(비타민 K₂), 철-황 클러스터 (FX, FA, FB)
- 페레독신
- NAD+
- 메나퀴논
- 시토크롬 bc₁ 복합체(호흡사슬 복합체 III)
- 시토크롬 c′
반응 중심 입자는 홍색비황세균과 마찬가지로 박테리오클로로필의 특수 쌍이다. 전자는 광에너지에 의해 여기되어 프로톤 농도 기울기 형성의 에너지를 얻으며, 다음과 같은 전자전달 과정을 거친다.
1. 반응 중심 P840이 광에너지를 흡수하고 전자가 여기된다.
2. 박테리오클로로필을 초기 전자 수용체 (A₀)로 하여 전자전달을 수행한다.
3. A₁(박테리오클로로필), 철-황 클러스터 (FX, FA, FB)를 거쳐 페레독신으로 전자전달된다.
4. 페레독신에서 NAD+로 전자전달이 일어나 환원 물질 NADH가 생성되고, 호흡사슬 복합체 I에서 산화된다. 이때 프로톤 농도 기울기가 형성된다.
5. 복합체 I에서 메나퀴논, 시토크롬 bc₁ 복합체로 전자전달된다. 이때 다시 프로톤 농도 기울기가 발생한다.
6. 시토크롬 bc₁ 복합체는 시토크롬 c로 전자전달을 하고, 전자는 다시 P840으로 돌아간다(1.으로 돌아감).
녹색황세균의 광화학 반응계는 호흡사슬 구동에 사용되며, ATP 합성이 주된 목적이다.
3. 광인산화
광인산화는 빛 에너지를 이용해 ADP와 무기 인산(Pi)으로부터 ATP를 생성하는 반응이다. 광합성에서는 NADPH로 에너지를 저장하는 것 또한 광인산화에 포함된다.[16] 광인산화 과정에는 순환적 광인산화 반응과 비순환적 광인산화 반응이 있다.
순환적 광인산화는 광계 I을 사용해 ATP를 합성하며 이탈 전자가 ATP 합성 후에 원래 자리로 되돌아온다. 광계 I 의 P700이 전자를 방출하면 전자는 페레독신(Fd)을 거쳐 전자전달계에 도달하는데 여기서 화학삼투적 인산화에 의해 ATP를 합성한다. 이때 합성된 ATP는 탄소고정반응에 이용된다.[16]
비순환적 광인산화는 광계 I 과 광계 II를 사용하는 과정이다. 광계 I에서 P700으로부터 방출된 전자는 전자수용체인 페레독신(Fd)로 들어가며 전자전달계를 거쳐 NADPH를 합성한다. 광계 II에서는 P680에서 고에너지 전자가 방출되며 이 전자는 플라스토퀴논(PQ)로 가서 전자전달계를 거친다. 이때 ATP가 합성된다. 이 과정을 거친 전자는 에너지를 잃은 상태이며 P700으로 들어가 P700을 환원시킨다. 광계 II 에선 전자 방출로 인해 P680이 산화되어 물의 광분해시 발생하는 전자를 사용해 이를 다시 환원시키게 된다. 물의 광분해로 발생한 2개의 H+는 NADP+와 결합 NADPH의 형태로 에너지를 저장하고 탄소고정반응에 전달된다. 2개의 OH-는 물과 산소로 되어, 이때 나온 전자는 P680을 환원시켜 광계 II를 들뜨기 전 상태로 만든다.[16]
3. 1. CF0-CF1 ATP 합성효소에서의 반응
CFo-CF1 ATP 합성효소는 미토콘드리아의 Fo-F1 ATP 합성효소와 마찬가지로, 양성자 농도 기울기를 이용하여 ATP를 합성한다.[16] 다만, 양성자 농도 기울기 형성 방식으로 볼 때 CFo-CF1 ATP 합성효소에서 일어나는 인산화 반응은 광인산화라고 불린다. 반응식은 다음과 같다.:
CFo-CF1 ATP 합성효소는 ATP가수분해효소의 특징인 술프히드릴기가 낮과 밤에 따라 변화하며, 낮에는 활성이 높고 밤에는 활성이 낮다.
- 낮: 티오레독신에 의해 환원되어 술프히드릴기가 된다.
- 밤: 술프히드릴기가 산화되어 S-S 결합을 형성하여 활성이 저하된다.
이 조절 기작은 광합성이 불가능한 야간에 CF1 부위에서의 불필요한 ATP 분해를 방지하는 역할을 한다.
4. 박테리오로돕신
박테리오로돕신(Bacteriorhodopsin)은 고세균의 극호염균(Halobacteria)의 자색막(purple membrane)에서 발견되는 분자량 27,000의 막단백질이며, 레티날 분자로 빛을 흡수하여 양성자 농도 기울기를 형성하는 양성자 펌프이다. 극호염균에는 광합성 경로(탄소 고정 경로)가 전혀 존재하지 않지만, 광화학 반응이라는 관점에서 박테리오로돕신의 반응도 그 범주에 포함되는 경우가 많다. 반응 과정은 박테리오로돕신이 단독으로 수행하는 것이며, 전자 전달 경로는 전혀 존재하지 않는다.
형성된 양성자 농도 기울기는 ATP 합성에 사용되며, 광린산화 반응이 관찰된다. 극호염균은 유기물을 산화시켜 산소를 최종 전자 수용체로 하여 ATP를 합성하는 일반적인 호기성 호흡을 하지만, 포화 염 농도에서는 산소 용해도가 저하되기 때문에 이러한 광화학 반응을 획득한 것으로 생각된다.
따라서 박테리오로돕신의 유도 조건은 다음과 같다.
- 빛의 존재
- 저산소 농도
이러한 조건에서는 극호염균이 바로 광합성 종속영양적으로 성장한다.
21세기에 들어와 박테리오로돕신이 고세균뿐만 아니라 세균에도 널리 분포하고 있다는 사실이 밝혀졌다.[13][14] 하지만, 박테리오로돕신을 가진 원핵생물 중에서 광합성 경로를 가진 것은 아직 발견되지 않았다.
5. 역사
1779년 얀 잉겐하우스는 광합성에 빛이 사용된다는 최초의 아이디어를 제시했다.[9] 1931년 코넬리스 반 니엘은 광합성이 광자를 이용하여 수소 공여체를 광분해하고, 그 수소를 이산화탄소(CO₂)를 환원하는 데 사용하는 일반적인 메커니즘의 한 예라고 제안했다.[11]
그 후 1939년, 로빈 힐은 분리된 엽록체가 산소를 생성하지만 이산화탄소(CO₂)를 고정하지 않는다는 것을 보여주어 명반응과 암반응이 서로 다른 장소에서 일어난다는 것을 증명했다. 명반응과 암반응이라고 불리지만, 두 반응 모두 빛이 존재할 때만 일어난다.[12]
물의 광분해 과정은 광합성의 준비과정으로 물(H2O)이 빛 에너지를 받아 수소 이온과 수산화 이온으로 분해되는 과정이다. 물이 분해되면 수산화 이온은 전자를 잃어 OH가 되는데 2분자의 OH-가 결합해 산소(O2)를 배출한다. 한편 물이 분해되어 나온 수소 이온은 수소의 수용체인 NADP+에 전달되며 NADPH가 된다. NADPH는 광합성의 또 다른 과정인 탄소고정반응에서 수소 공급원의 역할을 한다. 물의 광분해 과정은 발견자인 힐의 업적을 따 힐반응이라고도 한다.[15]
참조
[1]
논문
Janus-faced charge recombinations in photosystem II photoinhibition
https://zenodo.org/r[...]
2009-04-00
[2]
논문
Mechanism of photosystem II photoinactivation and D1 protein degradation at low light: the role of back electron flow
1997-02-00
[3]
웹사이트
The Z-Scheme Diagram of Photosynthesis
http://www.life.uiuc[...]
2006-03-02
[4]
서적
McGraw Hill Encyclopedia of Science and Technology
[5]
논문
Sequence homology and structural similarity between cytochrome b of mitochondrial complex III and the chloroplast b6-f complex: position of the cytochrome b hemes in the membrane
1984-02-00
[6]
논문
Biological identity and diversity in photosynthesis and respiration: structure of the lumen-side domain of the chloroplast Rieske protein
1997-12-00
[7]
논문
Crystal structure of chloroplast cytochrome f reveals a novel cytochrome fold and unexpected heme ligation
1994-02-00
[8]
논문
Cytochrome c6 is the main respiratory and photosynthetic soluble electron donor in heterocysts of the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120.
2019-01-00
[9]
서적
Experiments Upon Vegetables
https://books.google[...]
Elmsly and Payne
[10]
논문
Observations on Different Kinds of Air
[11]
논문
On the morphology and physiology of the purple and green sulfur bacteria
[12]
논문
Oxygen Produced by Isolated Chloroplasts
1939-05-00
[13]
논문
Bacterial Rhodopsin: Evidence for a New Type of Phototrophy in the Sea
https://www.science.[...]
2000-09-15
[14]
논문
Proteorhodopsin in the ubiquitous marine bacterium SAR11
https://www.nature.c[...]
2005-11-00
[15]
서적
생명과학(8판)
바이오사이언스
[16]
서적
생명과학(8판)
바이오사이언스
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