광합성 빛의 역활과 광독립체의 발견

광독립체의 발견과 반응

Ingenhousz의 광합성 초기 방정식에는 우리가 논의하지 않는 한 가지 요인이 포함되어 있었습니다. 바로 빛 에너지입니다. 광합성에서 빛의 역할은 무엇입니까? 지난 세기 초 영국의 식물생리학자 F. F. 블랙맨은 광합성에서의 빛의 역할 문제에 대처하기 시작했습니다. 1905년 그는 광합성이 실제로는 2단계 과정이라는 놀라운 결론에 도달했습니다
그중 하나는 빛을 직접 이용하고 있다는 것입니다.

블랙맨은 광합성에 대한 서로 다른 광강도, CO2 농도, 온도의 영향을 측정했습니다. 빛의 강도가 상대적으로 낮은 한, 빛의 양을 늘림으로써 광합성을 촉진할 수는 있지만, 온도나 이산화탄소 농도를 높일 수는 없다는 사실을 발견했습니다. 단, 광강도가 높은 경우는 온도 또는 CO2의 증가하고 광합성을 대폭 촉진했습니다.  블랙맨은 광합성은 주로 온도에 의존하지 않는고 '빛' 반응의 초기 세트와 빛에는 의존하지 않는 것처럼 보이지만 CO2에 의해 제한된 '어두운' 반응의 두 번째 세트로 구성되어 있다고 결론지었습니다. 블랙맨 라벨에 현혹되지 마세요. 이른바 '어두운' 반응은 빛 속에서 일어납니다(실제로는 빛 반응 생성물을 필요로 합니다). 그 이름은 빛이 그러한 반응에 직접 관여하지 않는다는 것을 보여줄 뿐입니다.

블랙맨은 온도 상승으로 다크카본 환원반응 속도가 증가하는 것을 발견했지만 최대 약 35℃까지만 상승하는 것을 확인했습니다. 기온이 상승하자 그 비율은 급속히 저하되었고 35℃는 많은 식물 효소가 변성되기 시작하는 온도이기 때문에(특정 촉매 형태로 효소를 보유하는 수소결합이 파괴되기 시작함) 블랙맨은 효소는 암흑반응을 수행해야 한다고 결론지었습니다. 

 

블랙맨은 광합성 에너지를 포착하려면 태양광이 필요하지만 유기 분자를 만들려면 그렇지 않음을 보여주었습니다.

광합성 빛의 역활과 광독립체의 발견

 

빛의 역할

이른바 명암 반응에 있어서의 빛의 역할은 1930년대에 대학원생이었던 C.B. 반 닐에 의해서 해명되었습니다
스탠퍼드 대학은 세균의 광합성을 연구하고 있습니다. 그가 연구하던 세균 중 하나인 보라색 유황세균은 광합성 중 산소를 방출하지 않고 대신 황화수소(H2S)를 내부에 축적하는 순수 원소 유황의 구체로 변환합니다. 반 니엘이 관측한 프로세스는, CO2+ 2H2S + 빛에너지→ (CH2O) + H2O + 2S였습니다.

이 방정식과 강겐호스 방정식의 놀라운 평행성으로 반 니엘은 일반화된 과정을 제안하게 되었습니다
광합성은 실제로는 CO2+ 2H2A+빛에너지→(CH2O)+H2O+ 2A 인 

이 식에서 물질 H2A는 전자공여체로서 기능합니다. 녹색 식물에 의해 행해지는 광합성에서 H2A는 물이며,
한편 보라색 유황세균 중 H2A는 황화수소. 제품 A는 H2A의 분해에서 유래함. 따라서
녹색식물의 광합성 중 생성되는 O2는 이산화탄소가 아닌 물을 깨는 것으로 인해 발생합니다.

1950년대 초에 동위원소가 생물학에서 일반적으로 사용되게 되었을 때, 반 니엘의 혁명적인 제안을 시험하는 것이 가능해졌습니다. 연구자들은 18O 물을 공급하는 녹색 식물의 광합성을 조사했습니다. 18O 라벨은 반 닐이 예측했던 것처럼 탄수화물이 아닌 산소 가스로 되어 있는 것으로 나타났습니다: 
CO2 + 2 H218O + 빛에너지—→(CH2O)+H2O+18O2

녹색식물이나 녹색식물에서, 광합성을 통해 전형적으로 생성되는 탄수화물은 6개의 탄소를 가진 당글루코스입니다. 따라서 이들 생물에서의 광합성의 완전한 평형방정식은 6CO2+12H2O+ 빛 에너지 - → C6H12O6 + 6 O2 + 6H2O입니다.

광합성의 첫 단계인 광반응은 NADPH(전자 운반체 분자)를 NADPH로 환원하고 ATP를 제조하기 위해 빛의 에너지를 이용하는 것으로 알려져 있습니다. 이후 광합성 1단계부터 NADPH와 ATP를 2단계인 캘빈 사이클에 사용해 이산화탄소 속 탄소를 줄이고 탄소 골격을 이용해 다른 유기 분자를 합성할 수 있는 단순한 당질을 형성합니다.

반 닐은 광합성이 물 분자를 분열시켜 이산화탄소 가스인 탄소 원자와 물 수소 원자를 유기 분자에 집어넣고 산소 가스를 남긴다는 것을 발견했습니다.

전력을 줄이기 위한 역할

광반응에 대한 그의 선구적인 연구에서 반 닐은 더 나아가 물의 분열에 의해 생성되는 환원력(H+)을 그가 탄소고정이라고 부르는 과정에서 CO2를 유기물로 변환하는 데 사용할 것을 제안했습니다. 그가 옳았습니까? 

1950년대 로빈 힐은 반 닐이 옳다는 것을 증명하고 빛 에너지를 이용해 전력을 절감할 수 있었습니다. 엽세포에서 분리된 엽록체는 빛에 반응하여 색소를 감소시키고 산소를 방출할 수 있었습니다. 이후 실험에서는 물에서 방출된 전자가 NADP+로 전달됨을 보여주었습니다. Arnon 씨와 동료들은 CO2를 빼앗긴 발광 엽록체가 ATP를 축적한다는 것을 보여주었습니다. CO2가 도입되면 ATP도 NADPH도 축적되지 않고 CO2는 유기물에 동화됩니다
분자. 이 실험들은 3가지 이유로 중요합니다. 

첫째, 광합성은 엽록체 안에서만 일어난다는 것을 확실히 보여줍니다.

둘째, 광의존성 반응은 NADP+를 감소시키고 ATP를 제조하기 위해 광에너지를 사용한다는 것을 보여줍니다.

셋째, 그들은 광합성 초기 단계의 ATP와 NADPH가 나중의 광독립 반응에서 사용되어 이산화탄소를 감소시키고 단순한 당을 형성하는 것을 확인합니다.

힐 차관보는 발전소가 빛 에너지를 이용하여 전력을 절감할 수 있음을 보여주었습니다. 광독립 반응에서 유기 분자에 이산화탄소를 흡수하는 것은 탄소 고정이라고 불립니다.