광합성 이야기

광합성과 광변환(태양전지)

 

 

 

광합성

식물은 광합성(photosynthesis )으로  에너지를 만들고(변환이 적합한 표현)  동물은  식물이 만든 에느지를 취하여 사용하는데   이 과정을 살펴 보고자 한다. 또 비슷한 원리로  빛을 에는지로 변환하는  태양전지중에 염료감응형과 비교해 보고자 한다.

 식물은  내부에서  햇빛을 받아  포도당을 합성하는 화학반응을 하여 녹말과 셀룰로오스로 변환한다.  이 합성된 포도당을  생존을 위해 사용하는 식물의 동력시스템(엔진)을 보자. 아래 그림은 식물과 동물의 진화에 따른 현재의 능력확보방법을 도시했다.  

 

광합성은  세균의 막, 조류의 세포, 식물의 잎에서 일어난다. 먼저 식물이 빛에너지를 얻어서 저장하는 방법을 살펴보자. 우리가 잘아는 식물의 뿌리와  줄기및 잎을  살펴보면 뿌리에서 모세관을 통하여 삼투압현상으로 물을 흡수하여 잎까지 끌어올리고  잎에서 공기중에  이산화탄소를 기공을  통하여 획득하고 최종적으로 햇빛을 받아  포도당(녹말)을 만들어  줄기,뿌리에 공급한다.  쉽게  다시 한번 살펴보자.

광합성은 물(H2O)과  이산화탄소(CO2)를  가지고   특정공간에 넣고  빛을 쪼여서   포도당(C6H12O6)과  산소(O2)와  물(H2O)을 만든다. 

 

  6CO₂+12H₂O + 빛에너지 -> C6H12O6 + 6H₂O +6O₂

 

 즉 있는 분자에서 원자들을 잘 배합하여   필요한 분자로  만드는 과정이므로  새로 원자가 만들어지는  원자핵반응은 없고 단지  분자 재합성인  화학반응이다. 화학반응은  촉매와  반응으로 정리될수 있는데  화학반응은 분자를 이루는 원자들의 재배치가 일어난다.  화학반응은 소화과정,단백질합성,플라스틱,의약품등 수없이 많이 이용되는데 이중에 광합성도 하나이다. 학반응의 많은 종류(치환반응,침전반응,산화환원반응,분해반응,합성반응,산영기반응 등)중에서  광합성은  산화환원반응에 속한다. 즉 수소가  이산화탄소로 환원된다.

 

광합성의 과정

 1) 태양광선으로부터 에너지를 획득. 2) 획득한  에너지를 이용하여 ATP 및 NADPH를 합성. 3) ATP와 NADPH를 이용하여 공기 중의 CO₂로부터 탄수화물 합성의 동력을 얻는다.

1),2)단계는 빛이 있을 때만 일어나는 명반응(light-dependent reactions)이며  3)은 빛을 직접 필요로 하지 않기 때문에 암반응(light-independent reactions)이라 하며  암반응도 명반응에서 생성되는 ATP와 NADPH를 필요로 하는데 CO₂로부터 유기 분자가 합성되는  캘빈회로(Calvin cycle)로 동작.

  

 광합성 색소는

단백질과 복합체를 이루고 있는데, 이 가운데서 안테나계의 색소들과 단백질의 복합체를 광수확복합체(light harvesting complex, LHC)라고 한다). 틸라코이드막을 분리하여 계면활성제를 낮은 농도로 처리하면 막단백질들이 들어 있는 용액을 얻을 수 있고,

이들로부터 광수확복합체뿐 아니라 반응중심을 포함한 핵심복합체(core complex, CC)들을 전기영동법으로 분리할 수 있다.

광계 I과 광계 II는 각각 핵심복합체들과 광수확복합체를 가지는데, 광계 I은 CC I과 LHC I으로 구성되고 광계 II는 CC II와 LHC II로 구성된다고 말할 수 있다.  CC에는 엽록소 b가 거의 없고 주로 엽록소 a를 가지며 LHC는 상대적으로 많은 양의 엽록소 b를 가진다. 따라서 LHC는 엽록소 a/b 안테나 단백질(chlorophyll a/b antenna protein)이라고도 불린다.

그런데, 전기영동에 의하여 분리된 LHC는 한 가지 종류가 아니며 광계의 흡수 스펙트럼도 여러 개의 LHC가 존재함을 보여주고 있다. 이는 광수확 복합체가 모두 같은 종류의 카로티노이드, 엽록소 a, b를 가지지만 엽록소 주위의 단백질이 엽록소 분자들의 들뜬에너지를 조금씩 차이가 나게 하여 광수확 과정에서 에너지 손실을 최소화 하고 있음을 의미한다.

 

광합성작용은

엽록소 분자 하나하나가 따로  광합성을  하는것이 아니라, 몇 개의  엽록소 분자가 모여서  그것이  1개의 단위가 되어  광합성이 이루워지는데 단위는  2000~3000분자로 추정하고 있다.광합성의 세부구조중에  엽록체기관내의 그라나를 확대한 틸라코이드에서 일어나는 과정을 도시했다.

 

 

 광합성과정 모식도 

1. 빛의 포획 : 엽록소 분자에 맞는 파장을 가진 광자가 색소 분자에 의해 포획되고, 여기에너지는 한 엽록소 분자로부터 다른 엽록소 분자로 전달된다.

 

2. 전자의 여기 : 여기에너지는 반응중심(reaction center)이라고 하는 중요한 엽록소α 분자로 보인다. 이 여기에너지를 통해 반응중심으로부터 여기된 전자가 다른 분자인 전자수용체로 전달된다. 반응중심은 잃은 전자를 물 분자로부터 얻고 이 과정의 부산물로 산소가 나온다.

 

3. 전자 전달 : 여기된 전자는 전자전달계(electron transport system)이라는 막에 결합된 일련의 전자전달 분자들을 거쳐 이동한다. 이 과정에서 조금씩 흘러나온 전자의 에너지를 이용하여 양성자를 펌핑해 막을 가로질러 수송하고 그 결과 막 한쪽에 양성자가 몰린다.

 

4. ATP 생성 : 고농도의 양성자는 특수 통로를 통해서 물이 댐을 통과하듯이 쏟아져 나오는데, 이때 방출되는 운동에너지가 ADP로부터 ATP를 합성하는 위치에너지가 된다. 이 과정은 화학삼투(chemiosmosis)라고 불리며 이 과정에서 생산된 ATP는 캘빈회로에서 탄수화물을 합성하는데 사용된다.

 

5. NADPH의 생성 : 전자는 전자 전달계를 떠나 다른 광계로 이동하며, 여기에서 다른 광자의 흡수에 의해 에너지를 공급받고 다시 여기된다. 다시 여기된 전자는 다른 전자전달계로 들어가 다시 일련의 전자전달 분자들을 따라 이동한다. 이 전자전달계의 결과로 NADPH가 만들어진다.NADPH는 캘빈회로에서 탄수화물의 합성에 큰 역할을 한다.

태양광선전체에서 광합성에 이용되는  빛에는지는  5%정도로  광합성효율은  빛과 온도와 C02농도에 영향을 받는다외부의 이  식물잎의  안테나(antenna complex)에 도달되고  각 antenna pigment modulecules에서 전달전달되어 Reaction center로 집결되는데  이때 공명현상이 관련된다. 안테나계는 반응중심으로 에너지를 효율적으로 보내주는 역할을 한다.

 

안테나계의 크기는 생물 종에 따라 매우 다양한데 광합성 세균의 경우, 반응중심당 적어도 20∼30 분자의 세균엽록소가 있고, 고등식물의 경우 200∼300 분자의 엽록소가 있으나,  일부 세균은 수천 개의 색소를 갖고 있다.

엽록체 안에 존재하는 엽록소에서  특정한 파장의 빛(청색파장(450nm 부근)과 적색파장 영역(650nm 부근))을 흡수하면 엽록소 분자내 전자가 들떠서 전자전달계에 있는 다른 분자에 전달된다. 전자전달계에서는 들어온 전자 에너지로 산화환원반응을 진행하여 ADP를 ATP로 바꾸어주는 광인산화 반응을 한다.

 

빛에너지의 흡수는 짧은 파장의 안테나계의 색소에서  보다 장파장의 색소로 전달되어 반응중심으로 모이게 된다. 아래 그림은  어느 색소가 흡수한 빛이라도 반응중심으로 전달되는 현상을 보여주고 있다. 안테나계가 반응중심에 가까울수록 그 흡수극대는 보다 적색 파장 쪽에 위치함을 볼 수 있는데 이것은 반응중심 근처에서  들뜬상태의 에너지가 다소 낮음을 의미한다.

예를들면 650 nm의 흡수극대를 갖는 엽록소 b분자에서 670 nm의 흡수극대를 갖는 엽록소 a 분자로 들뜬 에너지가 전달될때, 이들 두 들뜬 엽록소 분자 사이의 에너지 차이는 열로써 주위로 소실된다.

 

안테나계의 색소들과 단백질의 복합체를 광수확복합체(light harvesting complex, LHC)라고 하는데  광수확복합체뿐 아니라 반응중심을 포함한 핵심복합체(core complex, CC)들을 전기영동법으로 분리할 수 있다.

 

광계 I(photosystem 1)과 광계 II(photosystem 2)는 각각 핵심복합체들과  광수확복합체를 가지는데, 광계 I은 CC I과 LHC I으로 구성되고  광계 II는 CC II와 LHC II로 구성된다고 말할 수 있다.

 

CC에는 엽록소 b가 거의 없고 주로 엽록소 a를 가지며 LHC는 상대적으로 많은 양의 엽록소 b를 가진다. 따라서 LHC는 엽록소 a/b 안테나 단백질(chlorophyll a/b antenna protein)이라고도 불린다. 그런데, 전기영동에 의하여 분리된 LHC는 한 가지 종류가 아니며 광계의 흡수 스펙트럼도 여러 개의 LHC가 존재함을 보여주고 있다. 이는 광수확 복합체가 모두 같은 종류의 카로티노이드, 엽록소 a, b를 가지지만 엽록소 주위의 단백질이 엽록소 분자들의 들뜬에너지를 조금씩 차이가 나게 하여 광수확 과정에서 에너지 손실을 최소화 하고 있음을 의미한다.

 

Photosystem(광계)는 안테나로 모은  여기에너지를 반응중심 엽록소인 엽록소α로 모은 후 전자의 형태로 이 에너지를 전달하여 ATP와 유기 분자 합성의 동력이 되도록 구조화된 것으로 광계1,광계2가 있다.

참조 : http://home.pusan.ac.kr/~pmbl/photosyn.htm

 참조_0 : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/antpho.html

참조_1 : http://home.pusan.ac.kr/~pmbl/photosyn.htm

참조_2 : http://blog.naver.com/rnstkddl/70000342579

참조_3 : http://blog.naver.com/dextermh/10016627186

광합성세균 :  http://ask.nate.com/knowhow/view.html?num=380545

 

 광변환

태양전지의 광변환

 

여기를 참조 :  http://blog.naver.com/msnayana/80091607844

 

  연료감응 태양전지

  광합성과 가장 비슷한 메커니즘으로 동작되는 연료감응 태양전지는 요즘 많이 알려지기 시작했다.  이것은  태양빛을 받으면 흡수하는 유기염료와  이동을 담당하는 나노구조의 실리콘과 결합된 태양전지로 실리콘형 태양전지 대비 5분의 1수준으로 저렴하고  투명하게 유리에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 1971년 스위스연방기술원의  마이클그랏젤교수가 개발한 것으로 ... 

태양전지는 아래와 같은 대단지의 태양전지 발전소가 형성되고 있다. 광합성을 하는 울창한  숲을 밀어내고  실리콘으로 된  태양전지 나무숲을 만드는  인간의 모습을 신을 그저 바라만 보고 있다..인간의 진화가 어디까지인지 궁금해 진다.

 

 참조_0 :  http://blog.naver.com/eunbin90a/80059502090

 참조_1 :  http://richis.tistory.com/archive/200706

 참조_2 :  http://kimwootae.com.ne.kr/bio2/2/2-1.htm 

 

[출처] 광합성 광변환