광합성 과정 캘빈 회로란?

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광합성의 화학변화 진행 과정

- 캘빈(Calvin) 회로

 

  

식물은 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 원료로 하여 태양의 에너지를 이용하여 복잡한 화합물인 당분(C6H12O6)과 산소(O2)를 만든다. 잎 세포 속의 엽록체에서 일어나는 이 과정을 광합성 또는 탄소동화작용이라 한다.

 

식물의 잎에서는 어떤 방법으로, 어떤 과정을 거쳐 이러한 화학반응이 일어날까? 잎에서 일어나는 광합성 과정의 신비를 알아내기만 한다면, 화학공장에서 인공적으로 광합성 반응을 시켜 탄수화물 식량을 생산할 수 있지 않을까? 이것은 과학자들의 오랜 꿈이다.

 

오늘날 과학자들은 잎에서 일어나는 광합성 과정에 대해 많은 것을 알고 있다. 1958년 미국의 생화학자 멜빈 캘빈(Melvin Calvin, 1911-1997)은 동료 과학자 앤드류 벤슨(Andrew Benson 1917-) 그리고 제임스 배스햄(James Bassham 1922-)과 함께 광합성 과정 중에서 중요 부분을 밝혀냈다. ‘캘빈 회로’(Calvin Cycle)라 불리는 이 과정은 광합성이 진행되는 핵심 부분이다.

 

 

그들은 광합성 과정을 조사할 때, 방사성 탄소-14를 사용했다. 캘빈은 CO2의 C가 방사성 탄소(C-14)인 방사성 이산화탄소(*CO2)를 광합성 실험에 사용하는 놀라운 발상을 한 것이다. 그는 *CO2의 탄소가 산소와 분리되어 광합성 화학반응에서 어떤 화합물로 차례로 변해 가는지 추적했던 것이다. 이 과정 추적에서는 C-14에서 방출되는 방사능을 확인하면 되었다.  화학변화 과정을 추적하기 위해 사용하는  C-14와 같은 방사성 원소를 ‘추적자’(tracer)라 한다.

 

방사성 탄소를 추적자로 사용한 광합성 진행과정에 대한 연구 업적으로 캘빈은 1961년에 노벨 화학상을 수상하게 되었고, 이후부터 '캘빈회로(Calvin cycle)'는 '광합성 과정 전체를 의미하는 용어가 되었다. 이후 다른 과학자들도 캘빈의 발상을 따라 방사성 추적자를 사용하여 광합성 과정뿐만 아니라 생명체 내에서의 다른 화학변화 과정, 심지어 인체 내에서 일어나는 화학변화 과정도 조사하게 되었다. 광합성 과정에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있으나 연구해야 할 문제가 많이 남아 있다.  

 

 

 

캘빈이 광합성 연구에 사용한 식물은 '클로렐라'라 부르는 단세포의 하등 녹조식물이었다. 왼쪽 사진은 광합성 반응이 일어나는 잎 세포 속의 엽록체 모습이다. 엽록체 속에는 광합성을 촉매하는 엽록소가 들어 있다.

 

 

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