광합성

광합성의 기초

이번 동영상에서는
생물학적으로 가장 중요한

의미를 지닌 반응 중
한 가지에 대해 설명하겠습니다

사실 이 과정이 없었다면

지구상에 생명체는
존재하지 못했을 것입니다

저도 여러분을 위해 이 동영상을
만들 수 없었을 것입니다

제가 음식을 얻을 수 없기 때문이죠

이 과정은 '광합성'이라고 부릅니다

광합성이라는 말은
아주 많이 들어봤을 겁니다

기본적으로 식물 뿐 아니라

박테리아와 해조류 등
여러 생명체에서도 일어나지만

보통은 식물에서 일어나는 과정입니다

매우 간단하게 말해서

식물과 가장 큰 관련이 있다고
보면 됩니다

식물들은 이 과정에서

아마 어렸을 때
배운 적이 있을 텐데요

식물들은 이 과정을 통해
이산화탄소를 섭취하고

물과
햇빛을 받아

당분이나 탄수화물로
전환시킵니다

탄수화물이나 당분
그리고 산소를 생산하죠

이 두가지 물질은
살아 있는 우리에게

없어서는 안 될 물질들입니다

첫번째로 우리는 우리의 몸을
충전하기 위해

당분과 탄수화물이 필요합니다

세포 호흡에 관한 영상에서
배웠겠지만

우리는 필요한
ATP(Adenosine Tri-Phopsphate)를

글루코스(포도당)를 이용한 세포 호흡을
통해서 만들어냅니다

단당류인 글루코스는 다른 과정의 부산물이나
분해된 탄수화물이라고 볼 수 있죠

우리가 세포호흡을 통해 제일 쉽게
소화할 수 있는 물질입니다

두번째로 중요한 부분은

산소를 얻는 것입니다

다시 한번 말해
우리가 글루코스를 분해하고

숨을 쉬고
세포 호흡을 하기 위해서는

산소를 들이마셔야 됩니다

그래서 이 두 가지 물질은
생명의 열쇠입니다

특히 산소를 호흡하는
생물에게는 말이죠

이 과정은 흥미롭기도 하지만
중요한 의미가 있습니다

우리 주변에 햇빛을 실제로 사용할 수 있는

생명체가 존재한다는 것입니다
이 생명체는 대부분 식물입니다

1억 4천 9백만 킬로미터 떨어진
태양에서

수 많은 핵융합 반응이 일어납니다
핵융합 반응은 광자(빛의 입자)를 뿜어내는데,

광자의 극소량이
지구의 표면까지오게 됩니다

구름이고 뭐고
뚫고 오지요

지구 표면에 있는
식물과 박테리아, 해조류는

광자를 이용해 우리가 섭취할 수 있는
당분으로 만들고

이 당분을 섭취한 소를 우리가 먹고
(채식 주의자가 아니라면요)

우리는 이를 통해 에너지를 만듭니다

소가 탄수화물만으로
이루어진 것은 아니지만

이는 우리가 먹는
모든 음식의 기본적인

영양소이며 에너지원입니다

우리의 연료는
여기서 나옵니다

이는 동물들의 연료입니다

물론 감자를 먹으면

탄수화물을 바로 섭취할 수도
있습니다

어찌됐든 이것이 광합성을
매우 간단히 설명한 겁니다

가장 간단하지만
정확한 사실입니다

광합성에 대하여
꼭 알아야 될 것은

바로 이 과정입니다

하지만 우리는 이를 조금
더 깊이 탐구해

광합성의 내부까지 파고들어
어떻게 작용하는지

알아보도록 하겠습니다

저는 개인적으로
태양에서 오는 광자들이

설탕 분자나 탄수화물의 생성에
쓰인다는게 놀랍습니다

조금만 더 깊이 알아봅시다

우리가 광합성의 분자식을
쓸 수 있을만큼만 깊게 들어가 봅시다

여기에 거의 맞게 적었지만

조금 더 과학적으로
올바른 방법으로 적겠습니다

이산화탄소가 있습니다

이에 물을 조금 더하고요
거기에

빛이라기보다는
광자라고 적겠습니다

왜냐면 엽록소내의
전자들을 활성화시키는 것이

원칙적으로 광자이기 때문이죠

이에 대해서는 다음 동영상에서
더욱 깊게 탐구할 겁니다

활성화된 전자는
높은 에너지 상태가 되고

안정화된 낮은 에너지 상태로 전환할 때
나오는 에너지를 사용해서

ATP (Adenosine Tri-Phosphate)를 생성하고
여기서 NADPH도 나타납니다

이들은 탄수화물의
생성에 사용되는데

이는 조금 있다가 알아 보겠습니다

광합성을
전체적으로 바라보자면

이러한 요소들로 시작합니다

그 결과물은

탄수화물입니다

탄수화물은
주로 글루코스(포도당)인데

(꼭 글루코스가 아니어도 됩니다)

탄수화물은 일반적으로
CH2O라고 표기합니다.

여기에 계수 n을 붙이겠습니다
이렇게 하면

(CH2O)가 n개 있다는 뜻이고
보통 n은 3 이상입니다

글루코스의 경우에는
n은 6이 됩니다

탄소 원자 6개, 수소 원자 12개,
산소 원자 6개가 글루코스를 이룹니다

이는 탄수화물을 일반적으로
표기하는 방법입니다

이를 여러 번 곱해서

탄수화물의 길쭉한 체인이
형성되기도 합니다

결국 광합성의 결과로
탄수화물과

산소가 생성됩니다

위에 제시한 광합성의
기본적인 틀과

거의 비슷합니다
우리가 평소 광합성이라고

생각하는 것과
거의 맞아 떨어집니다

그러나 이 등식이 성립하기 위해선

n개의 탄소 분자가 있으므로
여기에 탄소 분자 n개가 필요합니다

여기는 수소 분자는 2n 개가 있는데

수소가 두 개 있고
n이 있으니,

여기는
2n 수소가 필요합니다.

여기에 n을 놓겠습니다

산소는 몇 개 필요한지 봅시다

2n 산소가 있고
n이 하나 더 있네요

3n 개의 산소가 있습니다

여기에 n이 하나 있고
n을 하나 더 놓으면

2n이 됩니다
이렇게 하면 등식이 성립됩니다

이는 광합성을 아주 대략적으로

설명하는 등식입니다

하지만 조금 더 깊이 들어가 보면

이 과정은 직접적으로 일어나지 않고
탄수화물에 이르기까지

여러 단계를 거친다는 것을
알 수 있습니다

일반적으로
우리는 광합성 반응을 나눌 수 있습니다

조금 다르게 표현하자면

우리는 광합성을
두 단계로 나눌 수 있습니다

이건 나중에 다른 강의에서
더 알아보겠지만

일단은 전체적인 흐름을
두 단계로 나누어 보겠습니다

먼저 하나는
명반응이라고 부릅니다

빛에 의존하는 반응이라고도 합니다

사실 이게 더 나은 표현인 것 같습니다

그렇게 쓰도록 하지요

빛 의존 반응이란
빛이 필요하다는 것입니다

빛 의존 반응

그리고 또
암반응이라는 것이 있는데

이는 사실 그리
적합한 이름은 아닙니다

이 반응은 빛이 있을 때도
일어나기 때문입니다

암반응은 약간
어두운 색으로 적겠습니다

이를 적합하지 않은
이름이라고 하는 이유는

이 반응이 빛 속에서도
일어나기 때문입니다

그래도 암반응이라고
부르는 이유는

반응 과정에 빛이 필요가
없기 때문입니다

반응이 일어날 때
꼭 광자가 필요하지는 않습니다

더 나은 표현은

빛에 의존하지 않는 반응인 것 같습니다

다시 정리해서 말하자면
빛 의존 반응은

햇빛을 필요로 합니다

실제 광자가 필요합니다

반대로 암반응은
광자가 필요없지만

광자가 있을 때에도
일어납니다

광자 자체는 필요없지만
명반응에서 나오는

산출물이 필요하기 때문에

빛에 의존하지 않는 반응이라고 합니다

해가 떴을 때
반응이 일어나지만

태양이 꼭 필요하지는 않습니다

반면 명반응은
태양을 꼭 필요로 합니다.

명반응은 꼭 햇빛이 필요합니다

좀 더 자세히 말하면
광자가 필요한 겁니다

간단히 정리합시다

이로써 우리가 나중에
더욱 깊이 파고들 수 있는

기틀을 마련했으면 합니다

명반응은 광자와

물을 필요로 합니다.

물이 들어가서
명반응을 거치고 나오는데

이 과정에서
산소 분자가 생성됩니다

이것이 명반응 입니다

구체적으로 무슨 일이 일어나는지
후에 더 깊이 알아보겠습니다

명반응의 산출물은
바로 ATP입니다

이는 세포 혹은 생명체의
에너지 현금이라 보면 됩니다

ATP와 NADPH가
명반응에 의해 생성됩니다

우리가 얼마 전
세포 호흡에 대해 공부했을 때

NADH이라는 분자를 봤는데요

NADPH는 이와 매우 비슷합니다

단지 여기 이 P (인산기)가
하나 붙었을 뿐이죠

이 물질은 NADH와
거의 동일한 작동 원리를 가집니다

여기 있는 NADPH는
자기가 갖고 있는 수소와

수소에 딸려 있는 전자를
떼어낼 수 있습니다

그러므로 전자 하나를
다른 분자로 넘기거나

다른 분자가 전자를 얻으면

어떤 것은 전자가 줄어듭니다

여기에 따로 쓰도록 하지요

쉽게 기억할 수 있습니다

OIL RIG
(유조선이라는 뜻, 여기선 아래 과정의 약자)

산화(oxidation)는 전자(electron)를
잃는(losing) 과정이며

환원(reduction)은 전자를
얻는(gaining) 과정입니다

전자를 얻는 물질은

음전하를 띠게 됩니다

따라서 NADPH는 환원제입니다

자신은 수소와 그에 딸린 전자를

잃음으로써 산화됩니다

산화에 대한 생명학적 관점과
화학적 관점에 대한

강의도 하나 만들었지만
결국 기본적인 것은 같습니다

내가 수소 원자를
하나 잃으면

그 원자의 전자를 소유할 수도
없습니다

그러므로 이것이 다른 물질과 반응할 때
환원제로 작용합니다

NADPH는 수소 원자와
그에 엮인 전자를 놓아주고

이를 통해
다른 물질을 환원시킵니다

그러므로 이는 환원제
(Reducing agent)입니다

NADPH가 유용한 이유는

이 수소 원자와
그에 엮인 전자가

NADPH에서
다른 분자로 옮겨 가며

더 낮은 에너지 상태로 전환되고

이 에너지가 암반응에서
사용될 수 있기 때문입니다

세포 호흡 과정에서도

비슷한 분자 NADH가
크렙스 회로와

더욱 중요한
전자 전달계를 통해

ATP를 생성할 수 있게 돕습니다

이는 NADH가 전자를 방출하며
낮은 에너지 상태로 전환할 때 일어납니다

너무 헷갈리지 않으셨으면 합니다

정리하자면
명반응은 광자와 물을 흡수하고

산소와 ATP,
그리고 NADPH를 내보냅니다

이 물질들은 암반응에서도
사용될 수 있습니다

대부분의 식물에서 일어나는
암반응은 일반적으로

캘빈 회로라고 부릅니다

여기서 구체적으로 무슨 일이 일어나는지는
나중에 알아보겠습니다

대략적으로 암반응에서는
ATP와 NADPH를 흡수하고

간접적으로
글루코스를 생성합니다

우리가 어디선가 봤던

PGAL이나 G3P라고도 부르는 물질을

이용해 간접적으로 생성됩니다

이들은 모두 인산 글리세르산
(Phosphoglyceraldehyde)의 약자 입니다

글씨체가 살짝 이상해졌네요

또는 글리세르 알데히드 3인산
(Glyceraldehyde 3-phosphate)이라고도 합니다

이 둘은 같은 분자입니다

이를 매우 단순화시켜
시각화하자면

세 개의 탄소 분자에
인산기가 붙어 있는

형태입니다

이들은 글루코스를 포함한
또 다른 종류의 탄수화물을

생성하는 데 쓰입니다

이러한 분자가
두 개 있으면

글루코스를 생성할 수 있습니다

이건 매우 중요하니
한번 더 짚고 넘어가겠습니다

명반응과 암반응에 대한

더 자세한 과정도

이 다음 두 동영상으로
만들 것입니다

광합성은 광자로부터 시작합니다

이 모든 과정은
태양이 있을 때 일어나지만

광자를 필요로 하는 것은
명반응 밖에 없습니다

명반응은 광자를 흡수하고

-자세한 과정은 나중에 더 알아 보겠습니다 -

물을 흡수합니다

이때 산소가 생성되고

ATP와 NADPH 역시
생성됩니다

이들은 암반응,
또는 캘빈 회로,

또는 빛 비의존 작용에서 사용됩니다

이 과정은
굳이 빛을 필요로 하지 않습니다

광자가 불필요하므로

이들은 빛에
의존하지 않는 반응에 속합니다

그리고 ATP와 NADPH를
또 다른 분자와

함께 사용하는데
이는 나중에 소개하겠습니다

암반응에서
매우 중요한 부분을

잊고 있었습니다

암반응은
이산화탄소를 필요로 합니다

Phosphoglyceraldehyde를
생성할 때 필요한

탄소가 바로
이산화탄소에서 나옵니다

이산화탄소는
매우 중요한 물질입니다

명반응의 산출물과
이산화탄소가

캘빈 회로를 거치면서

다른 탄수화물의
기본 구성 요소가 되는

간단한 탄수화물 체인을 만듭니다

해당작용 (Glycolysis)에서는

글루코스를 분해할 때
생기는 첫 번째 생성물이

PGAL 또는 G3P (같은 물질이죠)
입니다

광합성은 그와 반대되는 과정입니다

나중에 분해해서
에너지를 얻기 위해

글루코스를 생성하는 과정입니다

지금까지 광합성을
대략적으로 살펴 봤습니다

다음 동영상들에서
이에 대해 조금 깊이 파고들어

명반응과 암반응에 대한 깊은 내용과

어떻게 일어나는지에
대해 알아보겠습니다