여러분은 지금 바삭거리는 탄소로 가득찬
거대한 에너지 그릇을 마주하고 있습니다.
숟가락 가득 한번, 두번, 세번 떠 먹습니다.
곧, 여러분은 그 음식으로 부터 에너지를 받아
생기가 충전됩니다.
그런데, 어떻게 그런 에너지가 여러분의 그릇에 담겨져 있을까요?
에너지는 당의 형태로 존재합니다.
밀이나 옥수수 같은 여러분이 먹는 시리얼의 원천인 곡물들에
의해 만들어지죠.
아시다시피 탄소는 화학물질의 기본을 이룹니다.
그리고 식물들은 우리 모두 호흡하는 공기에 존재하는
이산화탄소, 즉 CO2의 형태로 탄소를
받아들이게 됩니다.
그러나 엽록체 기질내에 들어있는
식물의 에너지 공장이 어떻게 기체 상태의 탄소를,
즉 이산화탄소같은 하나의 기체 단위를
여섯개의 탄소 고체 단위로 이루어진 포도당과 같은 물질로 바꿀 수 있을까요?
광합성을 생각하신다면, 정답입니다.
하지만, 광합성은 두가지의 단계로 나누어집니다.
첫째로, 태양으로부터 에너지를 아데노신3인산, 또는 ATP의
형태로 저장하는 단계와,
둘째로, 탄소를 흡수해서 당으로 바꾸는
캘빈회로의 단계가 있습니다.
이 두번째 단계가 자연에서 가장 오랫동안 지속되어온
생산공정입니다.
자 그럼 그 두번째 단계와 함께, 세상에서 가장 작은 공장으로 견학을 가 보도록 하겠습니다.
생산재료가 뭘까요?
공기중에 존재하는 CO2 분자 덩어리와,
이미 조합되어 있는 분자인,
리불로오스 인산, 또는 RuBP 이 재료이며,
각각 탄소 다섯개씩 가지고 있습니다.
시작하는 것? 루비스코라고 불리는 부지런한 효소입니다.
그 효소는 CO2 분자에서 탄소 하나를
RuBP 고리에 접착시켜서
최초단계에서 필요한 여섯개 탄소 연속체를 만듭니다.
그것이 빠르게 두개의 더 작은 고리들로 나눠져서,
각 고리는 이제 세개의 탄소를 지니게 되는데,
이것은 포스포글리세린산, 또는 줄여서 PGA 라고 불립니다.
ATP(아데노신3인산), 그리고 또 하나의 화학물질인,
니코틴아미드 아데닌 디누우클레오티드 인산,
또는 줄여서 NADPH 단계에 들어가보죠.
ATP는 윤활제 역할을 하면서 에너지를 전달하고,
그동안 NADPH 는 각 PGA 고리에 하나의 수소를 붙이면서,
각 PGA 고리를 글리세르알데히드 3인산, 또는 G3P 라고 불리는
분자로 변형시킵니다.
포도당이 형성되려면 여섯개의 탄소가 필요하고,
그 여섯개의 탄소는 두개의 G3P 분자로 부터 형성될 수 있죠.
왜냐면, 두개의 G3P를 합치면 우연히 여섯개의 탄소가 될수 있으니까요.
자 그럼 당이 완성되었나요?
아직 아닙니다.
캘빈회로과정은 지속적인 생산공정처럼 작동합니다.
원래의 RuBP 들은
작업을 시작시키는 역할을 하기 때문에,
캘빈회로과정내에서
재료들을 재사용해서 다시 만들어져야 한다는 뜻이죠.
그러나 각각의 RuBP는 다섯개의 탄소를 보유하고 있고,
포도당을 만들려면 여섯개의 탄소가 필요하죠.
갯수가 안맞습니다.
해답은 경이로운 하나의 현상에서 찾을 수 있습니다.
우리가 지금껏 한가지 생산공정에만 집중하는 사이에,
다섯개의 다른 공정이 동시에 돌아가고 있었던 것이죠.
여섯개의 생산공정이 동시에 돌아가면서,
하나의 탄소가 하나의 RuBP 고리에
붙게 되는 것이 아니라,
여섯개의 탄소가 여섯개의 RuBP에 붙게 되는 것입니다.
이렇게 되면, 두개가 아닌 12개의 G3P 가 만들어지고,
모두 합쳐서 36개의 탄소가 존재하게 된다는 뜻이죠:
당을 생산해내는 것과, 처음 공정에 존재하는 RuBP를
재생산하는 데 필요한 정확한 탄소 갯수입니다.
그 모여진 12개의 G3P 중,
두개가 떨어져 나와서
에너지 가득한 탄소 여섯개짜리 포도당 고리를 형성합니다.
바로 여러분이 아침 식사를 통해 에너지를 얻게 되는 그 당입니다. 성공이죠!
그러나 생산공정으로 다시 돌아가면,
당분 생산중에 생기는 부산물들은 재빠르게 옮겨 붙어서
여섯개의 RuBP를 만듭니다.
그것은 30개의 탄소들을 필요로 하는데,
남아있는 10개의 G3P 로 부터 얻어질 수 있는 정확한 숫자죠.
이제 분자 합성과 결합이 일어납니다.
여섯개의 탄소를 가진 연속체를 만들면서,
두개의 G3P 가 합쳐집니다.
세번째의 G3P를 더하면서, 탄소 아홉개를 가진 고리가 만들어집니다.
탄소 다섯개로 이루어졌던 첫번째 RuBP는
이번 단계에서 사라지면서
네개의 탄소를 남깁니다.
그렇다고 해서 그 네개의 탄소들은 버려지지 않습니다.
그것들은 네번째의 G3P 분자에 붙여져서
일곱개의 탄소를 가진 고리를 만들게 됩니다.
다섯번째 G3P 분자에 결합되면서
탄소 열개로 구성된 고리가 만들어지고,
RuBP 를 두개 더 만들 수 있게 됩니다.
열개의 G3P 중 다섯개로 부터 만들어진 세개의
완벽한 RuBP 를 가지고,
이 과정을 반복하기만 해도
여섯개의 RuBP 고리가 재생산 되게 됩니다.
이 여섯개의 고리는 캘빈회로과정을 다시 시작시킬 수 있죠.
그러니까, 캘빈회로공정은 이러한 생화학적 생산과정이
끊임없이 돌아갈 수 있는
정확한 갯수의 원소와 절차를
만들어 냅니다.
그리고 그것은 자연에 존재하는 수 백가지의 많은
회로공정들 중 하나일 뿐입니다.
왜 그렇게 많냐구요?
만약에 생물학적 생산과정이 선형이라면,
당분과 같은 자연이 의존하는 물질들을
생산할 때, 에너지를 비효율적으로
또는 높지 않은 성공율로 사용하게 됩니다.
회로공정들은 중요한 송환 회전 구조를 만들어서
재료들을 반복적으로 재사용하고 재생산해 냅니다.
자연에서 얻을 수 있는 자원들로 부터
가능한 많은 양을 만들어 내면서 말이죠.
가공되지 않은 태양빛과 탄소를
사용해서,
식물내의 공장에서 변환되어,
여러분에게 힘을 주며,
여러분 일상의 회전 바퀴를 돌리는 그 당분처럼 말이죠.