생명과학 고3 세포호흡과 광합성 심화

탄소 고정 반응(캘빈 회로)

Q: 포도당 한 분자를 만드는 데 ATP와 NADPH가 얼마나 드나요?

CO2 6분자 기준으로 ATP 18분자, NADPH 12분자가 듭니다. NADPH가 환원 단계에만 쓰이는 반면 ATP는 환원 단계와 RuBP 재생 단계에 모두 쓰이기 때문에 ATP가 더 많이 필요합니다.

Q: 루비스코가 CO2 대신 O2와 반응할 수도 있나요?

네. 루비스코는 O2와도 RuBP를 반응시킬 수 있고, 이 경로는 당을 만들지 못한 채 에너지를 소모합니다. 그래서 덥고 건조해 기공이 닫혀 잎 안의 CO2가 줄고 O2가 쌓이면 광합성 효율이 떨어집니다.

엽록체 기질에서 ATP와 NADPH를 이용해 CO2를 포도당으로 고정하는 광합성 2단계이다.

엽록체 스트로마에서 명반응이 만든 ATP와 NADPH를 써서

C O_{2}

를 탄소 골격에 붙이고 당으로 환원하는, 빙글빙글 도는 회로 반응입니다.

명반응이 발전소라면 탄소 고정 반응은 그 전기를 받아 돌아가는 공장입니다. 공장은

C O_{2}

라는 부품을 컨베이어 벨트(회로)에 하나씩 얹어 당을 조립하고, 벨트는 다시 처음 자리로 돌아옵니다.

쉽게 말하면

명반응의 산물인 ATP와 NADPH는 엽록체 밖으로 나가지 못하고 스트로마에 머뭅니다. 탄소 고정 반응은 바로 그 자리에서 이 둘을 소비해 $C O_{2}$ 를 유기물로 바꿉니다. 광합성 전체 반응식에서 오른쪽의 포도당은 이 단계에서 만들어집니다.

회로는 세 국면으로 돌아갑니다. ① 탄소 고정: 5탄소 화합물인 RuBP에 $C O_{2}$ 가 붙어 곧바로 둘로 쪼개져 3탄소 화합물(3PG) 두 분자가 됩니다. 이 반응을 촉매하는 효소가 루비스코입니다. ② 환원: ATP와 NADPH를 써서 3PG를 3탄소 당인 G3P로 환원합니다. 광합성에서 '에너지가 저장되는' 지점이 여기입니다. ③ RuBP 재생: 만들어진 G3P의 대부분은 다시 ATP를 써서 RuBP로 되돌아갑니다. 그래야 다음 $C O_{2}$ 를 받을 자리가 생깁니다.

회로가 왜 '회로'인지가 핵심입니다. 받아들이는 그릇(RuBP)을 스스로 다시 만들어 내지 않으면 반응은 한 바퀴 만에 멈춥니다. 그래서 만든 G3P의 일부만 회로 밖으로 빠져나가 포도당·녹말·셀룰로스가 되고, 나머지는 그릇을 다시 빚는 데 쓰입니다.

이렇게 대기 중의 무기 탄소가 생물의 몸을 이루는 유기 탄소로 들어옵니다. 탄소·물 순환에서 '식물이 탄소를 흡수한다'고 말할 때, 그 흡수가 실제로 일어나는 화학 반응이 바로 이 회로의 첫 단계입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

포도당 한 분자를 만들려면 회로가 몇 바퀴 돌아야 할까

$6 C O_{2} \to 12 G3P (3 탄소) \to C_{6} H_{12} O_{6} + RuBP 재생$

$C O_{2}$ 는 한 바퀴에 하나씩만 들어옵니다. 포도당은 탄소가 6개이므로 회로가 6바퀴 돌아야 하고, 그동안 만들어진 G3P 12분자 중 2분자만 빠져나와 포도당이 됩니다. 나머지 10분자는 RuBP를 다시 만드는 데 들어갑니다.
예시 2

탄소 수로 검산하기

$3 C O_{2} (3 C) + 3 RuBP (15 C) = 18 C \to 6 \times 3PG (18 C)$

탄소는 사라지지도 생기지도 않습니다. 회로 문제에서 헷갈리면 항상 탄소 개수를 세어 보세요. 3바퀴를 돌면 G3P 한 분자(3탄소)가 밖으로 나가고, 남은 5개 G3P(15탄소)가 RuBP 3분자(15탄소)로 되돌아갑니다.
예시 3

빛을 끄면 3PG와 RuBP는 어떻게 될까

빛을 끄면 ATP와 NADPH 공급이 끊깁니다. 그러면 3PG를 G3P로 환원하는 단계가 멈추므로 3PG는 쌓이고, 반대로 RuBP는 재생되지 못한 채 남은 $C O_{2}$ 와 계속 반응해 소모되어 줄어듭니다. 이 실험 결과 하나가 '탄소 고정 반응은 명반응에 매달려 있다'는 사실을 그대로 보여 줍니다.

자주 하는 오해

'암반응'이니까 밤에, 어두운 곳에서 일어나는 반응이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움낮에는 명반응, 밤에는 암반응(탄소 고정 반응)을 한다

실제로는탄소 고정 반응은 빛이 있는 낮에 활발하고, 빛이 끊기면 곧 멈춥니다. 어두워도 일어나는 반응이 아닙니다.

빛을 직접 흡수하지 않을 뿐, 연료인 ATP와 NADPH는 전부 명반응이 대 줍니다. 게다가 회로의 여러 효소는 빛이 있을 때 활성화됩니다. 그래서 요즘은 '암반응'이라는 이름 대신 '탄소 고정 반응'이라고 부릅니다.

C O_{2}

여섯 개가 서로 달라붙어 포도당이 된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C O_{2}

6분자가 모여 탄소 6개짜리 포도당이 조립된다

실제로는

C O_{2}

는 한 번에 하나씩, 이미 있던 5탄소 화합물(RuBP)에 붙습니다. 회로의 첫 산물은 포도당이 아니라 3탄소 화합물입니다.

C O_{2}

는 안정해서 자기들끼리 결합하지 않습니다. 반드시 받아 줄 그릇이 필요하고, 그 그릇이 RuBP입니다. 그래서 포도당은 회로를 6바퀴 돌린 뒤에야 회로 '바깥'에서 완성됩니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

명반응고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

광합성 영향 요인고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

탄소·물 순환고3

같은 단원의 개념 — 세포호흡과 광합성

광계 I·II고3 광합성고3 광합성 영향 요인고3 명반응고3 발효고3 세포 호흡고3 전자전달계와 산화적 인산화고3 해당 과정고3 화학삼투고3 TCA 회로고3

자주 묻는 질문

Q1이 반응은 왜 하필 엽록체 스트로마에서 일어나나요?

명반응이 틸라코이드 막에서 만든 ATP와 NADPH가 바로 스트로마 쪽으로 방출되기 때문입니다. 연료를 만드는 곳 바로 옆에서 소비하는 구조라 에너지를 멀리 나를 필요가 없습니다.

Q2포도당 한 분자를 만드는 데 ATP와 NADPH가 얼마나 드나요?

C O_{2}

6분자 기준으로 ATP 18분자, NADPH 12분자가 듭니다. NADPH가 환원 단계에만 쓰이는 반면 ATP는 환원 단계와 RuBP 재생 단계에 모두 쓰이기 때문에 ATP가 더 많이 필요합니다.

Q3루비스코가

C O_{2}

대신

O_{2}

와 반응할 수도 있나요?

네. 루비스코는

O_{2}

와도 RuBP를 반응시킬 수 있고, 이 경로는 당을 만들지 못한 채 에너지를 소모합니다. 그래서 덥고 건조해 기공이 닫혀 잎 안의

C O_{2}

가 줄고

O_{2}

가 쌓이면 광합성 효율이 떨어집니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 세포호흡과 광합성 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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