071025 홍진희 (식물세포모식도, 켈빈회로도, C4경로, 크랩스회로)

[홍진희]

세포막(형질막)

세포막은 인지질과 여러 종류의 단백질로 이루어진 유동성의 이중층(bilayer) 막이다. 세포막은 세포 내용물을 보존하며 여러 가지 이온이나 물질을 선택적으로 수송하는 계를 포함하고 있다. 또 각종 호르몬의 수용부위와 세포 사이의 접착에 관계하는 복잡한 다당류와 단백질을 가지고 있으며 세포의 독특한 면역학적 성질이 나타나게 한다. 생체막에 대한 상세한 것은 다음 절에서 설명할 것이다.

세포질

세포질은 세포막과 핵 사이에 있는 세포의 원형질(protoplasm)을 말하며 생명현상의 기본 특성은 모두 이곳에서 나타난다. 세포질은 반 유동성의 액체로 물(75∼85%), 전해질(1.5%), 단백질(10∼20%), 지질(2∼3%), 탄수화물(1%)로 구성되어 있다. 세포질에는 해당경로, HMP 경로, 지방산 생합성 등 여러 가지 대사에 관여하는 효소계가 존재한다. 또 세포질 내에는 일정한 생체기능을 나타내는 세포소기관이 존재한다.

핵과 핵소체

핵(nucleus)은 염색체와 핵소체(인, nucleolus)를 함유하고 있고 염색체의 DNA에는 유전정보가 축적되어 있으며 이것을 전사하기 위한 장소를 제공한다. 또 핵에는 여러 가지 가수분해 효소를 함유하고 mRNA 및 tRNA를 합성하는 장소가 되는 핵질이 있다. 핵소체는 다량의 RNA를 함유하며 rRNA를 합성하고 수식하여 세포질로 보내는 역할을 한다.

미토콘드리아

미토콘드리아(mitochondria)는 2개의 막, 즉 평활한 외막과 굴곡이 많은 내막으로 둘러싸인 구조로 되어 있으며 세포내 에너지 대사의 중심적인 역할을 한다. 세포의 에너지 대사에 관여하는 효소가 외막, 외막과 내막의 사이, 내막, matrix 내에 모여 있으며 보효소, 기질, 효소 등을 외부보다 훨씬 고농도로 농축할 수 있고 이것은 효소반응 속도에 영향을 준다. 내막과립에서는 산화적 인산화의 최종반응인 ATP의 합성이 일어난다.

미토콘드리아 내막은 oxaloacetate, fumarate, NAD+, NADH 등은 통과할 수 없으나 pyruvate, malate, aspartate, sn-glycerol-3-phosphate, dihydroxyacetone phosphate, glutamate, citrate, isocitrate 등은 통과할 수 있다. 또 ATP와 ADP는 교환에 의해 통과할 수 있다. 미토콘드리아는 자신의 유전정보를 제공하는 독자적인 DNA를 함유하고 있다.

소포체

소포체(endoplasmic reticulum, ER)는 막으로 된 통로로서 세포 전체에 걸쳐서 존재하며 원형질막과 연결되어 있다. 소포체의 주요 기능은 세포소기관을 구성하는데 필요한 거대분자의 생합성과 세포 외로 분비할 단백질을 저장하고 가공하는 것이다. 또 세포내부와 외부로 물질을 수송하는 작용을 한다.

일부 소포체의 표면에는 핵단백질로 된 리보좀(ribosome)이라는 작은 입자들이 부착되어 있다(조면소포체, RER). 리보좀은 세포에서 단백질 합성이 일어나는 장소이다. 이외에 소포체에는 여러 가지 막성의 효소가 존재한다.

리소좀

리소좀(lysosome)은 단일막으로 둘러싸인 작은 주머니로 되어 있으며 phosphatase, protease, glycosidase, lipase, 핵산가수분해효소 등 약산성에서 작용하는 30∼50종 이상의 가수분해효소가 집중되어 있다. 이것은 세포에서 청소부 역할을 하며 세포가 죽으면 바로 세포성분들을 분해한다. 또 식작용의 과정에서 이물질들을 분해할 필요가 있을 때도 관여하는 것으로 생각된다. 골기체에 의해 조직화된 lysosome은 탐식과립과 합체하여 소화액포를 형성하고 미소화물은 세포 외로 배출되거나 자가탐식소포를 만든다.

미소세관

미소세관(microtubulus)은 tubulin이라고 하는 단백질로 만들어진 긴 섬유로서 이들은 세포내 골격을 만들고 세포의 운동에 관여하는 것으로 생각된다.

세포벽

세포벽은 식물의 세포에 있는 것으로 여러 층의 섬유소(cellulose)로 구성된 두껍고 단단한 구조물이다. 이것은 식물세포에 매우 큰 물리적 강도를 부여하여 세포를 보호하는 작용을 한다.

엽록체(chloroplast)

엽록체는 모든 광합성 식물의 세포에서 발견되는 이중막을 가진 세포내 소기관으로 태양에너지를 화학에너지로 바꾸고 저장하는 복잡한 과정이 일어나는 부위이다. 광합성에 이용되는 엽록소 (chlorophyll)와 효소는 lamella라는 막에 농축되어 있고 이것은 원판모양의 thylakoid를 형성한다. Thylakoid가 모여서 stroma 막으로 서로 연결된 grana를 형성한다. 엽록체도 미토콘드리아와 같이 자신의 독특한 DNA를 가지고 있다.

켈빈 회로

광합성의 암반응(暗反應)에서 이산화탄소가 유기화합물로 동화되는 순환 과정을 말하는데, 캘빈 학파가 방사성탄소를 이용하여 광합성의 순환과정을 밝혔다 하여 캘빈회로라고 명명되었다. 그 순환과정은 직접 빛과는 관계가 없고, 광화학반응에 의하여 공급되는 ATP(3중인산아테노신)와 환원형 NADP(니코틴아미드 아데닌 뉴클레오티드 인산)를 소비하면서 진행된다.

캘빈-벤슨 사이클·광합성회로·환원적 펜토오스인산회로라고도 하며, 캘빈 학파가 방사성탄소를 이용하여 광합성의 순환과정을 밝혔다 하여 이 이름이 붙여졌다.

이 순환과정은 직접 빛과는 관계가 없고, 광화학반응에 의하여 공급되는 ATP(3중인산아테노신)와 환원형 NADP(니코틴아미드 아데닌 뉴클레오티드 인산)를 소비하면서 진행된다. 즉 회로에서 이산화탄소는 먼저 5탄소화합물인 리불로오스 2인산과 결합하여 분자의 3탄소 화합물인 포스포글리세르산이 된다. 이것이 명반응(明反應)해서 만들어진 물질에 의해 3탄당(三炭糖) 인산 화합물이 되고 그 일부가 최종 산물인 포도당과 전분이 되며, 나머지는 복잡한 반응경로를 거쳐 다시 리불로오스 2인산으로 변화한다. 캘빈회로는 C₃식물의 경우 엽육 세포에 존재하는데, C₄식물의 경우는 유관속초세포의 엽록체에만 존재한다.

C4경로

옥수수 같은 C4 식물은 명반응과 탄소반응을 물리적으로 분리시켜주는 세포구성(A,B)을 갖고 있다. 광합성을 하는 엽육세포는 CO2를 포획하고 3탄소화합물인 포스포엔올피루브산(PEP)에 결합시켜 4탄소화합물인 옥살로아세트산(OAA)을 만든다. OAA는 인접해 있는 유관속초 세포로 운반되고, 그곳에서 분해되어 CO2와 피루브산을 방출하는 말산과 아스파르산(C)으로 전환된다. 유관속초 세포에서의 탄소반응은 방출된 CO2로부터 포도당을 만들고, 피루브산은 PEP로 전환되거나, 다른 CO2를 획득하는 엽육세포로 되돌아가 C4 회로를 다시 시작한다. 유관속초 세포에 CO2가 농축됨에 따라 C4 식물은 광호흡을 감소시킨다.

크렙스 회로

먼저 해당과정의 3탄소 화합물인 피루브산은 2탄소 화합물인 아세틸 COA로 전환된다.(이때 CO2를 방출하고 에너지의 일부를 NADH의 형태로 저장한다.) 크렙스 회로에서 아세틸기는 4탄소 화합물인 옥살로아세트산과 결합하여 6탄소 화합물인 시트르산을 생성한다.(COA는 방출되어 또 다른 피루브산과 결합할 수 있다.) 일련의 단계를 거쳐 시트르산은 4탄소 화합물인 말산으로 전환되며, 말산은 옥살로아세트산으로 재생되어 회로를 완성한다. 이 회로에서 시트르산으로부터 제거된 2개의 탄소원자는 CO2의 형태로 방출되며, 고에너지 화합물(ATP, NADH, FADH2)이 형성된다.