생명과학 고3 세포호흡과 광합성 심화

광계 I·II

광계 II(P680)는 물을 분해하고 전자를 공급하며, 광계 I(P700)은 NADPH를 생성하는 광합성 광흡수 단위이다.

틸라코이드 막에서 빛을 붙잡는 색소 단백질 복합체로, 광계 II(P680)는 물을 분해해 전자를 공급하고 광계 I(P700)은 그 전자를 받아 NADPH를 만듭니다.

광계는 오목 거울처럼 넓게 빛을 모아 한 점에 쏟아붓는 장치입니다. 수백 개의 색소가 받은 빛에너지를 중앙의 반응 중심 색소 하나에 몰아 주고, 그 한 분자가 전자를 튕겨 냅니다.

쉽게 말하면

명반응의 실제 작동 부품입니다. 광계 하나는 빛을 모으는 다수의 안테나 색소(주로 엽록소)와, 그 에너지를 최종적으로 받아 전자를 방출하는 반응 중심 색소 한 분자로 이루어져 있습니다. 안테나는 빛을 모을 뿐이고, 전자를 실제로 내보내는 곳은 반응 중심 하나뿐입니다.

두 광계는 이름의 숫자와 정반대 순서로 작동합니다. 전자는 광계 II → 광계 I 순으로 흐릅니다. 번호는 발견된 순서일 뿐, 작동 순서가 아닙니다.

광계 II(P680): 빛을 받아 전자를 잃으면 P680은 매우 강한 산화력을 갖게 됩니다. 그 힘으로 물에서 전자를 빼앗고, 그 결과 물이 분해되어 $H^{+}$ 와 $O_{2}$ 가 나옵니다. 광합성이 산소를 내놓는 지점이 바로 여기입니다. 튕겨 나간 전자는 전자전달계를 타고 광계 I로 내려가며, 그 과정에서 $H^{+}$ 가 틸라코이드 내부로 퍼내어져 화학삼투용 기울기가 만들어집니다.

광계 I(P700): 전자전달계를 거치며 에너지를 잃은 전자를 받아, 빛으로 한 번 더 밀어 올립니다. 이 전자가 최종적으로 $NAD P^{+}$ 에게 넘어가 NADPH가 됩니다.

전자가 두 번 솟았다가 내려오는 이 흐름을 그림으로 그리면 알파벳 Z를 눕힌 모양이 되어 Z 도식이라고 부릅니다. P680, P700의 숫자는 그 색소가 가장 잘 흡수하는 빛의 파장(680 nm, 700 nm)을 뜻합니다. 색소가 흡수하는 것은 결국 빛의 알갱이, 즉 광자 (포톤) 한 개이고, 광자 하나가 전자 하나를 들어 올립니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

왜 안테나 색소가 수백 개나 필요할까

반응 중심 색소 한 분자가 혼자 빛을 기다리면 광자를 만날 확률이 너무 낮습니다. 안테나 색소가 넓은 면적에서 빛을 받아 에너지를 중앙으로 넘겨 주면, 반응 중심은 훨씬 자주 작동할 수 있습니다.
예시 2

물이 쪼개지는 진짜 이유

물은 매우 안정한 분자라 웬만해서는 전자를 내주지 않습니다. 전자를 잃은 P680은 생물이 만들어 내는 가장 강력한 산화제 중 하나이고, 그 정도로 강해야만 물에서 전자를 뜯어낼 수 있습니다. 광계 II가 강한 빛에 손상되기 쉬운 것도 이 극단적인 화학 때문입니다.
예시 3

순환적 전자 흐름

광계 I이 내보낸 전자가 $NAD P^{+}$ 로 가지 않고 전자전달계로 되돌아가 광계 I로 돌아오는 경로도 있습니다. 이때는 NADPH도 $O_{2}$ 도 생기지 않고 ATP만 만들어집니다. 캘빈 회로가 NADPH보다 ATP를 더 많이 필요로 하기 때문에, 식물은 이 우회로로 부족한 ATP를 메웁니다.

광계 II와 광계 I

구분	광계 II (P680)	광계 I (P700)
전자 흐름 순서	먼저 작동	나중에 작동
전자를 어디서 받나	물 ( $H_{2} O$ )	광계 II에서 내려온 전자
전자를 어디로 보내나	전자전달계 → 광계 I	$NAD P^{+}$ → NADPH
특징	물 분해, $O_{2}$ 발생	NADPH 생성
최대 흡수 파장	680 nm	700 nm