동화작용(anabolism, 광합성과 유기화합물 합성)

광합성, 호흡, 소화와 같이 유기물질의 합성이나 분해 그리고 에너지를 생성하기 위해 생물체에서 일어나는 유기화합물의 연속적 화학반응을 물질대사라 한다(물질대사의 일부분인 한 개의 화학반응도 물질대사라 한다).
물질대사 중에서 무기물질이나 단순한 유기물질과 에너지를 이용하여 보다 복잡한 유기 화합물(녹말, 글리코젠, 셀룰로오스, 지질, 단백질, 핵산 등)을 합성하는 과정을 동화작용(anabolism)이라고 한다.

* 동화작용(同化作用)의 영어 용어에는 anabolism과 assimilation이 있으며 이들은 동의어로 쓰기도 하지만 다음과 같이 구분하여 쓰기도 한다.

• anabolism(동화작용 同化作用, 합성대사 合成代謝)

물질대사(物質代謝, metabolism) 중 작은 단위의 간단한 물질로부터 더 큰 단위의 복잡한 물질을 합성하는 대사 경로로 이화작용(異化作用, catabolism)에 대응하는 말.

• assimilation(동화작용 同化作用)

생물(식물)이 외계(外界)에서 받아들인 물질(무기물질)을 재료로 생체 구성 성분이나 필요한 분자를 만드는 작용(예, 광합성, 질소동화작용)

1. 광합성(光合成, photosynthesis)

지구상의 모든 생물이 이용하는 에너지의 원천은 태양의 빛 에너지이다. 녹색 식물이나 광합성 세균은 태양의 빛 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물 등을 재료로 유기물과 산소 등을 생성하는 작용을 한다.
이 중에서 녹색식물이 태양의 빛 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물을 재료로 탄수화물과 산소를 생성하는 작용을 광합성(photosynthesis)이라 한다.
이와 같이 식물은 광합성 작용으로 태양의 빛 에너지를 생물이 사용할 수 있는 화학 에너지로 전환하는 것이다. 식물체에서 광합성이 일어나는 장소는 세포에 있는 엽록체(葉綠體, chloroplast)라는 세포소기관(細胞小器管, organelle)이며, 엽록체 속에는 엽록소(葉綠素, chlorophyll)라는 빛 에너지를 흡수하는 색소가 있으며 이 색소에 의해 녹색을 띤다. 식물은 광합성 작용으로 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하여 먼저 탄수화물에 저장한다.

6CO2 + 12H2O →빛 에너지, 엽록체 → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

광합성 작용과 호흡 작용에는 산화 환원 반응이 동시에 일어난다. 광합성 작용을 보면 엽록소가 빛 에너지를 흡수하면 물의 산소는 얻었던 전자, 수소를 잃고 산화되어 O2 생성하고 수소는 산소를 잃고 환원되며 수소와 결합한 CO2는 환원(전자, 수소를 얻음) 되어 탄수화물이 합성되는 것이다. 광합성에 의한 탄수화물의 생성은 이산화탄소(CO2)가 수소를 얻고 산소를 잃는 환원 작용에 의한 것이다.
광합성 작용은 빛 에너지를 흡수하는 흡열 반응이다. 빛 에너지로 물(H2O)에 있는 전자의 에너지 준위를 높여 비교적 약한 전자 수용 체인 이산화탄소(CO2)로 이동시킨 것이다.

*탄소동화작용(炭素同化作用, carbon dioxide assimilation)

탄소동화작용(炭素同化作用, carbon dioxide assimilation, 탄소 고정, Carbon fixation)은 녹색식물, 세균류가 이산화탄소와 물 등으로 탄수화물과 같은 유기물을 합성하는 작용으로 녹색식물의 광합성(photosynthesis), 광합성 세균(photosynthetic bacteria)의 광환원(光還元, photoreduction), 세균류의 화학합성(chemosynthesis) 등이 여기에 속한다.
녹색식물의 광합성(photosynthesis)에는 디히드로포르핀(dihydroporphin) 고리로 된 엽록소가 빛을 흡수하고 환원 물질로 H20(물)을 이용하며 발생하는 기체는 O2(산소)이다.
광합성 세균(photosynthetic bacteria)은 테트라히드로포르핀(tetrahydroporphin) 고리로 된 박테리오클로로필(bacteriochlorophyll, 세균엽록소)이 빛을 흡수하고 고등식물이 환원 물질로 이용하는 H20(물) 대신에 H2S(황화수소) 등을 이용하여 포도당 등의 유기물을 생성하며, 발생하는 기체도 O2(산소)가 아니라 S(황) 등이다. 광합성세균(光合成細菌, photosynthetic bacteria)으로는 홍색비황세균(紅色非硫黄細菌, nonsulfur purple bacteria, 전자전달계의 최종 전자수용체로 황 이외의 것을 이용함), 홍색황세균(紅色黃細菌, purple sulfur bacteria), 녹색황세균(綠色黃細菌, green sulfur bacteria) 등이 있다.
세균의 화학합성(chemosynthesis)에는 빛이 이용되지 않으므로 광 흡수 색소는 없고 암모니아, 수소, 황, 황화수소 및 제1철과 같은 무기물을 산화시켜 발생하는 에너지를 이용하며 환원 물질도 무기물을 사용한다. 이렇게 얻은 에너지를 이용하여 이산화탄소나 무기염을 반응시켜 유기화합물을 합성한다.
화학합성을 하는 황세균을 보면 황이나 무기 황화물을 산화시켜 발생하는 에너지로 포도당 등의 유기물을 합성한다. 화학합성을 하는 세균에는 황세균을 비롯하여 수소세균, 질산세균, 아세트산세균 등이 있다.

*광합성 연구 역사

1600년 반 헬몬트 (Jan Baptista van Helmont, 1579 ~ 1644, 벨기에, 화학자)는 식물이 필요한 물질을 물에서 흡수한다고 하였다.
헬 몬트는 2kg 정도의 버드나무를 90kg의 흙에 심고 규칙적으로 물을 주면서 5년을 키운 결과 버드나무의 무게는 75kg 이 되었으나 흙은 57g 만 줄어들었다. 그래서 헬몬트는 나무를 구성하는 물질이 흙에서 온 것이 아니라 물에서 흡수한 것이라는 결론을 내렸다.
보일(Robert Boyle, 1627 ~ 1691), 마이요(John Mayow, 161 ~ 1679) 등이 생명체에는 공기가 필요하다는 것을 증명하였다.
스테판 헤일스(Stephen Hales, 1677 ~ 1761, 1727년 Vegetable Staticks, 영국)는 식물의 뿌리에서 흡수한 물이 줄기를 통과하여 잎의 기공을 통해 공기 중으로 나간다(증산작용)는 것을 증명하였다. 그리고 식물의 성장에 빛을 에너지원(광합성)으로 사용할 수도 있다고 추측하였다(뉴턴의 이론에 근거해서 추론).
프랑스의 라부아지에(Lavoisier, 1743 ~ 1794)는 호흡은 산소를 흡수하고 이산화탄소를 배출하는 과정이라는 것을 밝혔다.
식물 뿌리에서 무기원소(無機元素, mineral elements)를 흡수하고 잎에서는 공기 중에서 이산화탄소를 받아들인다는 것을 증명하였다.
그리고 식물의 뿌리가 산소를 흡수한다는 것을 증명했다.
1771년, 영국의 조셉 프리스틀리(Joseph Priestley, 1733 ~ 1804, 산소 발견, 인공 탄산수 개발)는 밀폐된 용기 안에 식물과 양초 불을 같이 넣어 두면 양초 불이 꺼지지 않고 계속 타는 것을 발견했다.
1792년 프리스틀리(Joseph Priestley)는 이산화탄소 농도가 높은 방에 식물을 놓아두면 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출한다는 사실을 발견했다.
1779년 장 인제인 후우즈(얀 잉 엔 하우스, Jean Ingen Housz, 1730 ~ 1799)는 식물을 이산화탄소의 농도가 높은 방에 놓아두고 햇빛을 비추면 곧 이산화탄소가 산소로 대체된다는 것을 증명하였는데 이것은 광합성에 햇빛을 필요로 한다는 것을 증명하는 것이다.
1782년 장 제네비어(Jean Senebier, 1742 ~ 1809, 스위스, 식물학자)는 녹색 식물이 이산화 탄소를 흡수하고 빛의 영향을 받아 산소를 방출한다는 것을 증명했다.
그는 이산화탄소가 용해되지 않은 물속의 녹색 잎은 빛을 비추어도 산소를 방출하지 않지만 이산화탄소로 포화된 물속의 녹색 잎은 빛을 비추면 많은 산소가 방출된다는 것을 발견했다.
1804년 니콜라스 시어도어 드 소쉬르(Nicolas Théodore de Saussure, 니콜라스 드 사우 수레, 1767 ~ 1845)는 식물체를 구성하는 원소는 물, 토양, 공기로부터 받아들인 원소로 이루어져 있다고 발표했다. 그리고 식물의 생체량이 증가하는 것은 CO2 흡수량과 물의 양에 따라 변한다는 것을 알아냈다.
1862 ~ 1864년 작스(Julius von Sachs, 1832 ~ 1897)는 이산화탄소를 재료로 엽록체에서 빛을 이용하여 녹말이 합성된다는 것을 증명하였다.
그는 잎의 일부를 가리고 빛을 쪼인 후 잎을 탈색하여 아이오딘-아이오딘칼륨으로 검출하여 현미경으로 확인한 결과 빛을 쪼인 부분의 엽록체에서만 녹말을 검출하여 녹말 합성은 엽록체에서 일어나고 빛이 필요하다는 것을 발견했다.
1893년 배른(Charles Reid Barnes, 1858 ~ 1910, 미국, 식물학자)은 엽록체에서 엽록소와 빛을 이용하여 탄소화합물을 합성하는 작용을 광합성(photosynthesis)이라고 하였다.

가. 엽록체(葉綠體, chloroplast)

광합성 작용이 일어나는 장소는 세포소기관인 엽록체(葉綠體, chloroplast)이다. 엽록체는 이중막으로 싸여 있으며, 이중막 안쪽에는 틸라코이드(thylakoid)라는 막 모양의 구조가 있다. 디스크 모양의 틸라코이드가 쌓여있는 것을 그라나(grana, 주머니)라 하며 그라나 틸라코이드(grana thylakoid)라 한다. 스트로마(stroma)에 쌓여있지 않은 비 중첩 틸라코이드(非重疊, non appressed thylakoid)를 스트로마 틸라코이드(stroma thylakoid) 혹은 스트로마 라멜라(stroma lamellae, 라멜라 lamellae)라고 하며 기질(스트로마)에서 그러나 사이를 연결한다.
틸라코이드 안쪽 공간을 루멘(lumen) 또는 틸라코이드 내부 공간이라 한다. 루멘은 스트로마틸라코이드 구조를 통하여 전체가 하나로 연결된 공간이다.
틸라코이드 막에는 광합성 작용에 관여하는 단백질이 있는데, 막을 가로질러 한쪽은 스트로마에 다른 쪽은 루멘의 수용성 지역으로 걸쳐 있다. 이러한 막 단백질(integral membrane protein)은 소수성(疏水性, hydrophobicity) 아미노산을 함유하고 있어서 막의 지질 부분과 같은 빛 수용성 매질에 매우 안정하다. 반응의 중심이 되는 곳, 빛을 흡수하는 색소 단백질 복합체 및 대부분의 전자전달 효소는 모두 내재성 막단백질이다. 틸라코이드에 있는 엽록소(葉綠素, chlorophyll)와 보조 광 흡수 색소는 항상 막 단백질과 비공유결합적으로 엽록소-단백질 복합체(chlorophyll-protein complex, CP 복합체)를 형성한다. 이들은 정교한 기하학적인 배열을 통하여 CP 복합체(chlorophyll-protein complex)로부터 반응 중심으로의 에너지 전달 과정과 반응 중심 내의 전자전달 과정이 매우 효율적으로 일어날 수 있도록 최적화되어 있다.

나. 광합성에 이용되는 빛의 성질

빛은 입자성과 파동성을 가진다. 빛이 질량과 부피를 가진다는 것이 입자성이고 전파와 같은 성질을 가진다는 것이 파동성이다. 빛의 파동성 성질은 전기장이 횡파(transverse wave)를 이루면서 진행하고, 동시에 전기장파의 수직 방향으로 자기장이 횡파(transverse wave)로 유도되어 진행하기 때문에 전자기파(electromagnetic wave)라고 부른다. 입자로서의 빛을 광자(photon)라고 한다. 각 광자의 에너지(E)는 다음의 플랑크의 법칙(Planck's law)에 따라 값을 가진다.

E = hν

여기에서 h는 플랑크 상수(6.626 x 10의 -34승 J · s), λ는 빛의 파장, c는 빛의 속도(3.0 x 10의 8승 m/s), ν는 주파수를 나타낸다(c=λν). 이러한 불연속적인 값을 가지는 것을 양자(quantum)라고 한다.

다. 명반응(明反應, light reaction)과 암반응(暗反應, dark reaction)

광합성 작용은 명반응(明反應, light reaction)과 암반응(暗反應, dark reaction)으로 크게 구분된다. 명반응은 엽록체(葉綠體, chloroplast)의 그라나(grana)에 있는 틸라코이드(thylakoid)에서 일어나고 빛이 필요하지만 암반응은 엽록체의 기질인 스트로마(stroma)에서 일어나고 빛이 필요 없다.
명반응은 빛 에너지에 의해 물이 광분해(光分解, photolysis) 되면서 산소 원자는 얻었던 수소를 잃고 산화되며 NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+, 탈수소 효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)가 NADPH로 환원되고 ATP가 형성되는 즉, 빛 에너지가 화학 에너지로 전환되어 저장되는 광화학반응(光化學反應, photochemical reaction)이다. 물이 광분해 되어 NADP가 환원되어 NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate hydrogen, NADPH+H+)가 되기까지의 모든 반응이 그라나 틸라코이드(grana thylakoid)에서 일어난다.
명반응으로 빛 에너지를 흡수하여 합성된 NADPH와 ATP을 이용하여 이산화탄소를 환원시켜 탄수화물을 생성하는 반응(탄소 환원 반응)을 암반응(暗反應, dark reaction)이라 하며 스트로마(stroma)에서 일어난다. 암반응의 많은 효소반응들이 일어나기 위해서는 빛이 필요하므로 실제로는 계속해서 빛이 없으면 암반응은 일어날 수 없다. 명반응이나 암반응 모두 광화학반응(光化學反應, photochemical reaction)으로 저장된 에너지를 사용하므로 광합성이 일어나기 위해서는 빛이 있어야만 한다.

1) 광합성의 명반응(明反應, light reaction)

가) 힐 반응(Hill reaction)

힐(Robert Hill, 1899~1991, 생화학자, 영국)이 1937년에 분리된 엽록체와 옥살산철(Ⅲ) 혼합액에 빛을 쪼이면 옥살산철(Ⅲ)이 환원되는 것을 발견하였다. 이 옥살산철(Ⅲ)이 CO2 대신 산화제로 작용한 것이다.

4Fe3+ + 2H2O → 4Fe2+ + O2 + 4H+

이와 같이 분리된 엽록체에 전자 수용체를 공급하면 물은 산화되고 전자 수용체는 환원되면서 산소가 발생하는 반응을 힐 반응(Hill reaction)이라 하는데, 광합성에서 발생하는 산소는 물에서 유래된다는 1920년대의 반 닐(Cornelis Bernardus van Niel, 1897 ~ 1985, 미생물학자, 네덜란드계 미국, 2H2A + CO2 → 2A + CH2O + H2O, A는 전자수용체이며 H2O는 수소공여체로 O2로 산화된다고 예견함)의 가설에 대한 증거가 된다. 루벤(Sam Ruben 1913 ~ 1943, 생화학자, 미국)과 카멘(Martin Kamen, 1913 ~ 2002, 화학자, 미국)이 방사성 동위원소를 이용하여 산소의 발생은 물에서 유래한다는 것을 실험으로 증명했다.
실제로 광합성에서는 전자 수용 체인 NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+, 탈수소 효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)가 물의 분해로 발생한 전자를 받아 NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate hydrogen, NADPH+H+)로 된다. ATP도 물 분해에 의해 NADP로 전자가 전달되는 동안 형성된다.

나) 광합성 색소와 빛의 흡수

1) 광합성 색소(光合成色素, photosynthetic pigment)

광합성에 필요한 빛 에너지를 흡수하는 색소는 엽록체(葉綠體, chloroplast)의 그라나(grana)에 존재하며, 다양한 광합성 생물에 있는 색소들은 조금씩 다르다. 모든 광합성 생물에는 기본 색소인 엽록소(chlorophyll) 또는 박테리오 클로로필(bacteriochlorophyll) 외에 보조 색소(accessory pigment)가 있다.
엽록소 a, b, c, d들은 모두 헤모글로빈과 시토크롬에 있는 포르피린(porphyrin)과 같은 고리 구조를 가지고 있으며 이 고리 구조에 탄화수소 꼬리가 붙어있다. 이 소수성 꼬리가 틸라코이드 막 내부의 소수성 부분에 위치하여 엽록소가 막에 고정되고 친수성 고리 구조는 외부에 노출되어 있게 된다. 고리 구조에서 탄소 원자와 탄소 원자 간의 결합은 이중결합과 단일 결합이 교대로 나타나는 공액(conjugation) 구조를 이루고 있기 때문에 공명으로 가시광선의 에너지를 쉽게 흡수하여 엽록소 분자가 들뜬 상태로 전이될 수 있으며, 광합성 초기의 힐 반응에서 산화 환원 반응이 쉽게 일어나게 된다.
고등식물의 엽록소는 태양광의 가시광선 중 적색과 청색 부위를 흡수하며, 엽록소가 잘 흡수하지 못하는 영역은 카로티노이드와 같은 보조 색소들이 흡수한다. 카로티노이드는 400∼500nm 지역의 흡수대를 가지며, 오렌지색을 띤다. 한편, 박테리아엽록소(Bacteriochlorophyll, 박테리아엽록소a, b, c, cs, d, e, g 등)는 고등식물의 엽록소가 흡수하지 못하는 파장의 빛을 흡수한다. 이는 숲속의 울창한 나뭇잎으로 인하여 햇빛이 가려진 연못에서 생활하는 광합성 세균들이 불리한 빛 환경에 적응한 것이다.

2) 빛 에너지의 흡수

가) 식물 색소의 빛 흡수

색소의 빛 흡수는 이중결합이 있는 발색단(chromophore)과 이를 보조하는 조색단(auxochrome)의 작용에 의해 일어난다.
아조기(-N=N-), 이닐기(>C=C<), 카르보닐기(>C=O), 나이트로기( -NO₂), 티오카보기(=CS), 폴리메틴 사슬(홀수개의 메틴(-CH＝) 연쇄 결합) 만으로 이루어진 탄화수소, 축합 벤젠 고리만으로 이루어진 탄화수소, 비(非)벤제노이드 방향족 화합물 등이 발색단(chromophore)이며 이들의 이중결합은 π전자계의 들뜸 에너지가 작아 가시광선대를 흡수대로 만든다.
이중결합은 한 개의 σ결합과 한 개의 π결합으로 되어 있으며 π결합은 σ결합에 비해 약하다. 그래서 이중결합의 π결합은 긴 파장의 약한 빛에도 들뜨게 되므로 장파장 영역의 빛을 흡수할 수 있는 것이다.
그리고 단일결합과 이중결합이 번갈아 있는 결합을 공액 이중결합(conjugated double bond)이라 하고 공액 이중결합계의 π전자는 자유전자성이 크게 되므로 공액 이중결합이 되면 색상이 더욱 강하다.
엽록소의 포르피린(porphyrin)에는 단일결합과 이중결합이 반복되는 공액 폴리엔(conjugated polyene) 구조가 있어 빛을 흡수하기에 최적이다
베타카로틴, 라이코펜, 안토시아닌 등도 공액 이중결합의 발색단을 가지고 있다.

나) 엽록소의 여기

에너지가 가장 낮은 안정된 상태, 즉 바닥상태(ground state)에 있는 엽록소 분자는 빛을 흡수하면 들뜬 상태(excited state)의 분자(chl*)로 전이된다.

chl + hv → chl*

들뜬 상태는 그 에너지 수준에 따라서 에너지 수준이 낮은 것부터 1차 들뜬 상태, 2차 들뜬 상태, 3차 들뜬 상태라고 한다. 즉, 엽록소 분자가 적색광을 흡수하면 기저 상태로부터 1차 들뜬 상태로 전이를 일으키지만, 보다 에너지가 많은 청색광을 흡수하면 보다 높은 에너지 수준의 2차 들뜬 상태가 된다. 청색광을 흡수한 경우와 같이, 1차 들뜬상태 보다 높은 에너지 수준의 들뜬 상태로 전이된 엽록소 분자는 매우 불안정하기 때문에, 신속히 에너지의 일부를 열로 방출하고 1차 들뜬 상태로 돌아옴으로써 몇 nanosecond(10의-9승 초) 동안 안정된 상태에 머물게 된다. 이 상태에서 들뜬 상태의 엽록소가 가지고 있는 에너지는 크게 네 가지 경로로 소실된다.
첫째 에너지가 광자의 형태로 재 방출되어 바닥상태로 되돌아오는 경로이다. 이때, 재 방출되는 빛을 형광(fluorescence)이라 한다.
둘째 경로는 들뜬 엽록소의 에너지가 광자의 방출 없이 직접 열로 전환되어 바닥상태로 되돌아가는 방법이다.
셋째 경로는 들뜬 에너지가 인광(燐光, phosphorescence)의 형태로 방출되는 것이다.
들뜬 엽록소의 에너지를 소실시키는 넷째 경로로서 들뜬 상태의 에너지가 광화학반응을 일으키는데 쓰이는 경로가 있다. 광합성에 의한 에너지 저장 과정에서 가장 초기 단계의 반응은 10의-12승 초(피코초) 수준에서 일어나며 광화학반응 중 가장 빠른 것에 속한다. 이와 같이 빨리 일어나는 것은 엽록소 분자가 들뜬 상태에 머무르는 시간이 불과 몇 nanosecond(10의-9승 초)에 불과하다.

3) 광합성의 작용 스펙트럼

엥겔만(Theodor Wilhelm Engelmann, 1843~1909, 식물학자, 독일)은 1881년 태양광을 프리즘(Prism, 뉴턴 Isaac Newton이 삼각 프리즘 Prism을 발명하였고 각색으로 분리된 빛의 띠를 스펙트럼 spectrum이라 함)으로 분산시켜 해캄(스피로기라, Spirogyra)에 비추었을 때, 적색과 청색광이 비추인 부분에 호기성 박테리아가 많이 모인 것을 발견하였다. 적색과 청색광이 비추인 부분에서 많은 산소가 발생하기 때문에 호기성 박테리아가 많이 모임을 알 수 있었다. 적색과 청색광이 비추인 부분에서 많은 산소가 발생한다는 것은 이 부분에서 광합성 작용이 활발하다는 것을 나타낸다. 단색광을 얻을 수 있는 필터나 대형 모노크로메이터(monochromater, 單色化裝置, 단색화장치)를 통하여 단파장의 빛을 해캄(Spirogyra, 스피로기라)에게 주게 되면, 흡수된 광자 수와 이때 발생한 산소의 양을 측정할 수 있게 된다.
이와 같이 각기 다른 파장의 단색광을 사용하여 광생물학적 반응을 일으키고 각 파장별로 나타난 반응의 크기를 나타낸 것을 작용 스펙트럼(action spectrum)이라고 한다. 어떤 광 생물학적 반응의 광수용체를 알아보려면, 먼저 작용 스펙트럼을 작성하고, 이것과 유사한 흡수 스펙트럼을 갖는 색소에는 어떤 것들이 있는지를 조사하는 것이다. 흡수 스펙트럼이란 어떤 물질이 빛을 흡수한 정도를 빛의 파장의 함수로 나타낸 것을 말한다. 그림에서 작용 스펙트럼은 엽록소의 흡수 스펙트럼과 유사하므로 광합성의 산소 발생과 관련된 색소는 엽록소일 것이라고 생각할 수 있다. 그림에서 두 개의 파장 영역에서 이들 스펙트럼 간에 차이가 있는데, 원적색(far-red) 광 영역에서 작용 스펙트럼이 낮게 나오는 것은 적색 저하(red drop) 현상 때문이며, 450∼550 nm 지역이 상이한 것은 카로티노이드가 흡수한 빛이 엽록소가 흡수한 빛보다 광합성 기구로의 전달이 비효율적임을 의미한다.

4) 빛 에너지의 화학 에너지 전환

가) 광합성 반응 중심(光合成 反應中心, photosynthetic reaction center)

명반응 과정 중의 광계에는 빛 에너지를 이용하여 분자들을 환원시키는(전자를 공급하는) 반응 중심이 있다.
반응 중심은 단백질과 단백질 보조인자인 색소포(chromophore) 혹은 색소(pigment)라고도 불리는 퀴논(quinone), 엽록소(chlorophyll), 페오피틴(phaeophytin) 등으로 구성된다.
반응 중심에서는 광자의 에너지를 화학 에너지로 변환하여 저장하는 것으로 광자의 에너지가 전자를 여기 시시고 여기 된 전자가 전자 수용체를 환원시켜 화학 에너지로 변환되는 것이다.
광계에는 두 종류의 반응 중심이 있다. 광계 II(반응 중심 색소 P680)는 엽록체와 홍색비황세균에 존재하며, 광계 I(반응 중심 색소 P700)은 엽록체와 녹색황세균에 존재한다.

나) 반응 중심의 작용

명반응에서 에너지의 전환이 일어나는 초기 과정은 색소 분자들과 전자전달 단백질 간의 협력으로 일어나는 복잡한 과정이다. 대부분의 색소 분자들은 빛 에너지를 흡수해서 모은 후 반응 중심에 전달하는 구실을 한다.
반응 중심의 둘레에는 많은 색소 분자가 있는데 각각의 색소 분자는 빛 에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 되고, 그 에너지를 대단히 효율적으로 인접한 색소 분자에 전달한다. 이들 색소 분자들은 빛 에너지를 모두 반응 중심에 보냄으로써 반응 중심을 들뜨게 한다.
1932년 에머슨(Robert Emerson, 1903~ 1959, 미국)은 녹조인 클로렐라(Chlorella pyrenoidosa)의 현탁액(縣濁液, suspension)에 매우 짧은 시간 동안(10의-5승 초) 섬광을 준 후 이때 생성된 산소의 양을 측정함으로써 에너지 전환 과정에 많은 엽록소 분자들이 서로 협력하고 있음을 밝혔다. 산소 한 분자는 약 2,400개의 엽록소 분자의 협력으로 생성되고 반응 중심마다 일정한 수의 색소 분자들로 구성된 광합성 단위(photosynthetic unit)가 있다. 하나의 반응 중심으로 구성된 색소 분자의 수를 광합성의 단위 크기(unit size)라고 불렀다. 이 단위 크기는 광합성 생물의 종류와 생육 환경에 따라 다르다. 반응 중심들은 안테나 색소(집광성 색소, 集光性色素, light harvesting pigment)들을 공유하고 있으며, 반응 중심의 색소가 들뜬 상태에 있으면 빛 에너지를 전달받지 못하므로 안테나 색소의 에너지를 인접 반응 중심이 사용하게 된다.

5) 두 개의 광계(적색 저하, 에머슨 상승효과)

광합성의 양자수율을 여러 파장에서 측정하였을 때 관찰되는 적색 저하(red drop) 현상이 있다. 클로렐라를 이용하여 엽록소가 흡수하는 빛의 파장 범위에서 양자수율을 측정하면 거의 모든 파장 영역에서 일정한 값을 보여 주었다. 즉, 엽록소와 다른 색소들이 흡수하는 광양자는 비슷한 효율로 광합성에 이용됨을 의미한다. 그러나, 680 nm 이상의 원적색광에서의 양자수율은 급격히 떨어졌다. 이와 같이 680 nm 보다 긴 파장의 빛은 엽록소 a가 충분히 흡수하는 파장임에도 불구하고 보다 짧은 파장의 빛에 비하여 양자 수율이 훨씬 떨어지는 현상을 적색 저하(red drop)라 한다.
그러나 700 nm의 빛을 줌과 동시에 약간 단파장의 빛, 650 nm의 빛을 함께 주면(홍조인 경우에는 575nm), 적색 저하 현상이 보이지 않게 된다. 즉, 원적색광(〉680nm)과 보다 짧은 적색광을 동시에 조사하면 양자수율은 두 파장을 각각 독립적으로 조사하여 얻은 개개의 광합성률의 합보다 더 높아진다. 이를 에머슨의 상승효과(enhancement effect)라 한다. 1957년 에머슨(Robert Emerson, 1903~ 1959, 미국)이 발견했다.
이들 현상들은 두이젠스(Louis N.M. Duysens, 1921~, 생물물리학자, 네덜란드)의 실험으로 설명할 수 있다. 엽록체에는 중간 전자 운반체로서 철 함유 단백질인 시토크롬이 존재하는데, 두이젠스는 홍조류에 긴 파장의 빛을 쪼이면 시토크롬이 많이 산화되고, 보다 짧은 파장의 빛을 함께 쪼이면 그 산화 효과가 부분적으로 저하됨을 발견하였다. 이와 같은 길항효과를 설명하기 위하여 1960년 힐(Hill)과 반달(Bendall)은 광합성계에는 시토크롬을 산화시키는 경향이 있는 광화학반응과 시토크롬을 환원시키는 경향이 있는 광화학반응이 있다고 제안하였다. 이들 두 개의 광화학반응을 수행하는 틸라코이드 막의 구성 성분을 광계 I(photsystem I, PS I)과 광계 II(photsystem II, PS II)라고 부른다. 광계 I은 680 nm 이상의 원적색광 파장의 빛을 잘 흡수하는 반면에, 광계 II는 680 nm의 적색광을 잘 흡수하는 대신 원적색광 파장을 사용하는 광화학반응을 잘 수행하지 못한다. 이와 같은 파장에 의존한 두 광계의 광화학반응으로 에머슨의 상승효과와 적색 저하 현상을 설명할 수 있다. 두 광계의 다른 차이점으로는 광계 I은 NADP를 환원시킬 수 있는 강한 환원제와 약한 산화제를 생성하며, 광계 II는 물을 산화시킬 수 있는 강한 산화제와, 광계 I에 의하여 생성된 약한 환원제를 생성한다는 점이다.
두 개의 광계는 각각의 안테나 색소와 광화학 반응 중심을 가지며, 두 광계는 전자 전달계에 의하여 서로 연결되어 있다. 두 광계의 공간적 배치를 보면, 광계 II는 주로 그라나 틸라코이드의 중첩 부위(appressed region)에 위치하며, 광계 I과 ATP 합성을 촉매 하는 짝지음 인자(coupling factor)는 거의 스트로마에 면한 틸라코이드 부분인 비 중첩 부위(nonappressed region)에 위치한다. 또, 두 광계를 이어주는 시토크롬 b6-f 복합체는 두 지역에 고루 분포되어 있다. 이와 같이 두 광계는 공간적으로 분리되어 있다.

라) 광수확 안테나 색소계의 구성

안테나 색소계는 반응 중심으로 에너지를 효율적으로 보내주는 역할을 한다. 안테나계의 크기는 생물 종에 따라 매우 다양하다. 광합성 세균의 경우, 반응 중심 당 적어도 20∼30 분자의 세균엽록소가 있고, 고등식물의 경우 200∼300 분자의 엽록소가 있으나, 일부 조류나 세균은 수천 개의 색소를 갖고 있다.

(1) 안테나 색소 복합체(광수확 색소 복합체, light harvesting complex)

빛 에너지는 흡수극대가 짧은 파장의 안테나계의 색소에서 보다 장파장의 색소로 전달되어 반응 중심으로 모이게 된다. 안테나기가 반응 중심에 가까울수록 그 흡수극대는 보다 적색 파장 쪽에 위치함을 볼 수 있는데 이것은 반응 중심 근처에서 들뜬 상태의 에너지가 다소 낮음을 의미한다. 예를 들어 650 nm의 흡수극대를 갖는 엽록소 b 분자에서 670 nm의 흡수극대를 갖는 엽록소 a 분자로 들뜬 에너지가 전달될 때, 이들 두 들뜬 엽록소 분자 사이의 에너지 차이는 열로써 주위로 소실된다.
빛을 흡수한 엽록소로부터 반응 중심으로 들뜬 에너지가 전달되는 기작은 공명 전달(resonance transfer, 흡수 파장이 같은 입자 간 공명에 의해 에너지의 복사 이동)에 의할 것으로 생각하고 있다. 따라서 엽록소 분자 간의 들뜬 에너지의 전달 효율은 엽록소 분자 간의 거리와 포르피린 고리(porphyrin ring)의 배향, 흡수 및 형광 스펙트럼의 중첩도 등에 의존한다. 안테나 색소계로부터 반응 중심까지의 광수확 과정은 10의-12승 초 수준에서 일어나는 물리적 현상이며 그 결과 반응 중심의 특별한 짝 엽록소가 들뜬 상태로 된다. 그 후에 인접한 전자 수용체에게로 전자 이동이 일어나는데 이것은 화학적 현상으로 이것을 초기 광화학반응이라 하고 이것은 엽록소의 들뜬 에너지가 형광으로 방출되기 이전에 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 반응으로 수 피코초(picosecond, 10의 -12승 초) 이내에 일어나는 반응이다.

(2) 카로티노이드(carotinoid)의 기능

카로티노이드(carotinoid)는 안테나계의 색소-단백질 복합체로 존재하는 보조 색소(accessory pigment)로 에너지 효율을 높인다. 그러나 카로티노이드로부터 엽록소로 전달되는 에너지 효율은 일반적으로 엽록소로부터 엽록소로 전달되는 효율보다 낮다.
카로티노이드는 보조 색소의 기능과 아울러 광합성계에 매우 중요한 광보호(photoprotection) 기능을 담당한다. 광합성 색소들이 광화학 반응(光化學反應, photochemical reaction)으로 처리할 수 있는 양 보다 더 많은 빛 에너지를 흡수하면 과도한 빛 에너지가 광합성 막을 쉽게 손상시켜 광합성이 억제된다. 카로티노이드는 흡수하는 빛 에너지양을 줄임으로써 광보호(photoprotection) 기능을 한다.

마) 광합성의 전자 전달계

H2O로부터 NADP로 전자가 전달되는 데에는 전자 운반체들의 산화 환원 퍼텐셜(redox potential)에 의해 일어난다. 명반응에서 일어나는 거의 모든 화학적 과정은 4개의 주된 단백질 복합체(광계 II, 시토크롬 b6-f 복합체, 광계 I 및 ATP 합성 효소)에 의해 이루어진다. 물은 틸라코이드 내부 공간 즉 루멘에서 분해되어 O2는 방출되고, 막의 스트로마 부위에서 NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+, 탈수소효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)는 NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate hydrogen, NADPH+H+)로 환원되며, H+(양성자)가 루멘에서 스트로마로 이동되면서 ATP가 생성되어 스트로마로 이동된다.

(1) 초기 광화학반응(光化學反應, photochemical reaction)

빛 에너지는 반응 중심에 존재하는 특수한 엽록소를 들뜬상태(勵起狀態, excited state)로 만든다. 들뜬 상태에 있는 엽록소는 전자를 받을 수 있는 분자가 가깝게 있으면 쉽게 전자를 잃는다. 즉, 반응 중심의 엽록소가 들뜬 상태에 있을 때는 전자를 쉽게 받아들이지 않으므로 이는 매우 강한 환원제라고 할 수 있다. 광합성에서 빛 에너지를 화학 에너지로 전환시키는 초기 광화학반응은 반응 중심에 있는 들뜬 상태의 엽록소의 전자를 일차 수용체 분자로 전달하는 전하 분리(charge separation) 반응이다. 빛 에너지는 엽록소로 하여금 약한 환원제에서 매우 강한 환원제로 전환되도록 하는 데 사용된다. 일차 전자 수용체로 전달된 전자는 바로 인접한 수용체로 전달되고 이어 일련의 전달 반응을 거쳐 최종 수용체에 까지 도달하게 된다. 최초의 전자 공여체는 H2O이고 최종 전자 수용체는 NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+, 탈수소 효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)이다.
반응 중심의 엽록소가 전자를 잃고 전자 공여체에 의해 재산화되기 전에 일시적으로 산화상태에 있는 때가 있다. 산화된 상태의 엽록소는 빛을 흡수할 전자가 없어 적색 부위의 흡광도가 감소하는데, 흡광도의 감소는 다른 말로 표현하면 탈색(bleaching) 되는 것을 의미한다. 이러한 탈색 현상은 매우 짧은 시간의 흡광도의 변화로 측정이 가능하다. 이 방법을 사용하여 콕크(Bessel Kok, 1918~1979, 식물생리학자, 미국)는 광계 I의 반응 중심 엽록소는 환원된 상태에서 적색 부위의 흡수극대가 700 nm 임을 발견함으로써 광계 I의 반응 중심 엽록소를 P700으로 명명하였다. 뒤이어, 위트(Witt) 등은 광계 II의 반응 중심 엽록소가 P680 임을 발견하였다. 이보다 일찍 두이젠스(L.M.Duysens) 등은 홍색 광합성 세균의 반응 중심 세균엽록소가 P870 임을 확인하였다. 이 세균의 반응 중심의 X-선 구조 분석에 의하여 P870이 이합체(二合體, dimer) 임이 알려졌으며, 대부분의 실험적 증거에 의하면 P700도 이합체로 존재한다고 생각된다. P680도 마찬가지로 이합체로 존재할 것으로 여겨지고 있다.

(2) 산소의 발생

물 분해에 의한 산소 발생의 화학반응식은 다음과 같다.

2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

이 반응식에서는 물 분자 두 개가 분해되면서 물의 산소는 4개의 전자를 잃고 1 분자의 산소가 생성되고 4개의 수소이온(H+)이 생성된다. 암 적응된 광합성막에 매우 짧은 섬광을 연속적으로 쪼이면 산소 발생량이 특이하게 변하는 것을 관찰할 수 있다. 처음의 두 번째 섬광까지는 산소가 거의 또는 전혀 생성되지 않지만, 세 번째 섬광을 비추면 산소 발생량이 최대가 된다. 그 이후 매번 네 번째 섬광을 비출 때마다 산소 방출량이 극대치를 보이고 이후 점차 그 진폭이 줄어들어 섬광을 비출 때마다 일정량의 산소가 발생하게 된다.
물 분해로 생성된 양성자(H+)는 스트로마로 바로 방출되지 않고 틸라코이드의 루멘으로 방출된다. 틸라코이드 막의 일정한 방향으로 배열된 특성과 산소발생복합체의 위치로 인하여 양성자(H+)는 루멘 속으로 방출되어 루멘 속의 양성자 농도를 증가시킨다. 루멘 속의 증가된 양성자(H+) 삼투압에 의해 스트로마로 방출될 때 발생하는 전기화학적 포텐셜을 이용하여 ATPase의 효소가 작용하여 ATP를 합성한다.
망간(Mn)은 물의 산화 과정에 필수적인 보조인자이다. 산소 발생 복합체는 4개의 Mn 원자를 포함하고 있다. Mn 이외에도 Cl-과 Ca2+이 산소발생에 필수적인 것으로 여겨진다.

(3) 광계 II의 전자 수용체 (페오피틴과 퀴논)

광계 II에서는 광합성 반응중심(光合成 反應中心, photosynthetic reaction center)에서 일차적으로 페오피틴(phaeophytin, pheophytin)이 전자를 수용하고, 이후에는 두 플라스토퀴논(plastoquinone, PQ) 복합체로 전달된다. 페오피틴은 엽록소 분자에서 중앙의 Mg 원자가 두 개의 H 원자로 치환된 구조이다.
틸라코이드 루멘에 존재하는 광계 2의 반응중심 엽록소 P680은 에너지를 받으면 들뜬 상태인 P680*으로 전환되고 다시 페오피틴으로 전자를 넘겨주면서 P680*는 광산화되고 페오피틴은 환원되는데 이를 전하 분리라고 한다.
녹색식물에서 발견되는 플라스토퀴논은 퀴논의 일종으로 반응 중심에 인접하여 있으며 동시에 두 개의 전자를 전달한다. 첫 번째 퀴논인 QA는 페오피틴에서 전자를 받아 두 번째 퀴논인 QB로 전달한다. 산화된 P680은 광화학적으로 안정한 상태로 되돌아가기 위하여 Z로부터 다시 전자를 얻어 빛 에너지를 받을 준비가 되고, 빛 에너지가 전달되면 전자는 페오피틴에서 QA를 거쳐 QB로 전달된다. 두 개의 양성자를 주변에서 취하여 완전히 환원된 히드로퀴논(hydroquinone)은 복합체로부터 분리되어 막의 탄화수소 부위에 들어가게 된다. QA는 전자를 하나만 운반하고, QB는 두 개의 전자를 운반한다. 틸라코이드 막의 탄화수소 부위에는 지용성인 플라스토퀴논이 다수 존재하는데, 이들은 산화된 플라스토퀴논을 광계 II 복합체에 제공하고 환원된 히드로퀴논의 전자를 다음 전자 수용 체인 시토크롬 b6-f 복합체에 전달한다.

(4) 시토크롬 b6-f 복합체와 양성자(H+)의 농축

시토크롬 b6-f 복합체(cytochrome b6-f complex)는 분자량이 큰 고분자 단백질로써 여러 보결 분자단을 가진 많은 서브 유니트로 이루어져 있으며, 두 개의 b-형 헴(heme)과 1개의 c-형 헴(시토크롬 f 또는 cyt f) 구조를 포함하고 있다.
시토크롬 b6-f 복합체를 통한 전자와 양성자 전달 과정은 환원된 플라스토퀴논(PQH2)이 두 단계에 걸쳐 산화된다. 첫째 단계에서는 PQH2가 산화형 리스케 단백질(Rieske protein, FeSR, 리스케 철-황중심, Rieske iron-sulfur center)을 거쳐 시토크롬 f로 전자 하나를 전달하고, 시토크롬 f는 전자를 다시 루멘에 있는 플라스토시아닌(plastocyanin, PC)으로 전달한다. 계속해서 PC는 광계 I 반응 중심에 있는 산화 상태의 P700에 전자를 전달한다. 이와 동시에 PQH2는 다른 전자를 b-형 헴(시토크롬 b)에게 전달하고 양성자는 루멘으로 방출한다. 전자를 받은 b-형 헴은 전자를 두 번째 b-형 헴에 전달하고 이것은 산화형 플라스토퀴논에게 전자를 전달함으로써 세미퀴논(semiquinone)형의 환원된 퀴논이 생성된다.
둘째 단계에서는 한 개의 전자가 PC로 전달되고 다른 한 개의 전자는 첫 번째 시토크롬 b에 전달되며 양성자(H+)는 루멘 속으로 방출된다. 첫 번째 시토크롬 b의 전자는 두 번째 시토크롬 b에 전달되고, 두 번째 시토크롬 b는 이 전자를 틸라코이드 막의 스트로마 쪽에 위치하는 양성자와 함께 첫째 단계에서 생성된 세미퀴논에게 전달하여 이것을 플라스토히드로퀴논, 즉, 환원된 형태의 플라스토퀴논이 되게 한다.
두 단계의 반응을 종합하면, 한 분자의 플라스토퀴논이 산화됨으로써 두 개의 전자가 P700으로 전달되고 4개의 양성자(H+)가 막의 스트로마로부터 루멘 속으로 전달된다. 이와 같은 방법으로 광계 II 반응 중심의 전자 수용체로부터 시작하여 광계 Ⅰ 반응 중심의 전자 공여체에 이르는 전자전달을 통하여 틸라코이드 막의 안쪽은 양성자(H+)의 농도가 높고 밖은 농도가 낮은 양성자(H+)의 농도 차이가 생겨 막내 외에 전기화학 퍼텐셜을 발생시킨다. 이 전기화학 퍼텐셜이 바로 광합성에서 ATP를 합성하는 원동력이 된다.
한편, 플라스토시아닌은 시토크롬 시토크롬 b6-f 복합체와 P700 사이에서 전자를 전달하는 분자량 10.5 kDa(Mw=10,500, 달톤, dalton, Da, 분자량 단위)의 단백질로써 구리를 포함하고 있다. 루멘에서 발견되며 수용성이고 유동성이다.

(5) 광계 I 복합체의 전자전달

광계 I(P700)의 반응 중심인 광계 Ⅰ복합체는 19개의 폴리펩티드, 175개의 엽록소, 2개의 필로퀴논, 3개의 철-황 클러스터 (Fe4S4)로 구성되어 있다(고등식물). 광계 Ⅰ은 15개의 코아 단백질(PsaA부터 PsaL, PsaN부터 PsaP)과 4개의 주변 단백질 광수확복합체 폴리펩티드(Lhca1, Lhca2, Lhca3, Lhca4)로 구성되어 있다.
광계 Ⅰ의 반응 중심 복합체에 있는 단백질 중에는 플라스토시아닌(plastocyanin)과 페레독신(ferredoxin)이 결합할 수 있는 자리를 가진 단백질이 있으며, 8 kDa(Mw=8,000, 달톤, dalton, Da, 분자량 단위)의 단백질은 철-황 중심(Fe-S center)을 포함한다.
광계 Ⅰ로부터 전자를 받는 일차 전자 전달체들의 환원형은 모두 매우 강한 환원제이다. 이들 일차 전자 전달체들은 매우 불안정하기 때문에 동정이 어려우나, 처음의 전자 수용체는 AO(엽록소 a)이고 다음의 전자 전달체는 퀴논류라고 생각된다. 이후의 전자 전달체는 막과 결합되어 있는 철-황 단백질로써 Fe-S 중심 X, Fe-S 중심 A, 그리고 Fe-S 중심 B로 알려진 3 개의 페레독신이다. Fe-S 중심 X는 P700 결합 단백질에 속하며, Fe-S 중심 A와 B는 광계 Ⅰ 반응 중심 복합체의 일부인 8 kDa 단백질에 속해 있다. 전자는 Fe-S 중심 A와 B를 거쳐 스트로마 쪽의 수용성 철-황 단백질인 페레독신으로 전달된다. 수용성 플라보단백질(flavoprotein)인 페레독신-NADP 환원효소는 NADP를 NADPH로 환원시킨다. 이와 같이하여 물의 산화로부터 비롯된 비순환적 전자전달 과정(noncyclic electron transport)이 완료된다.
어떤 조건에서는 광계 I의 전자 수용 체인 페레독신이 시토크롬 b6-f 복합체(cytochrome b6f complex)를 거쳐 다시 P700으로 전자를 전달한다고 알려져 있다. 이러한 전자전달을 순환적 전자전달이라 하는데, 이 과정은 광계 II로부터 전자가 전달되는 동안 시토크롬 b6-f 복합체(cytochrome b6f complex)의 작용을 통하여 루멘에 농축되는 양성자의 수를 증가시킨다. 그러나 물을 분해하거나 NADP를 환원시키는 데는 기여하지 않는다.

바) 광인산화 반응(화학 삼투설, chemiosmotic theory, 화학 삼투 공역, Chemiosmotic coupling)

명반응에 의하여 빛 에너지가 NADPH의 형태로 저장되는 한편, 빛 에너지의 일부는 고에너지 인산결합을 가지는 ATP의 형태로 저장기도 한다. 이것을 광인산화반응(photophosphorylation)이라 하는데 이를 위하여 엽록체의 전자전달 과정이 필수적으로 선행된다.
광인산화반응은 피터 미첼(Peter Dennis Mitchell, 1920-1992)에 의해 1961년에 처음 제안된 화학 삼투설(chemiosmotic theory)에 의하여 일어난다고 생각된다. 여기에서는 틸라코이드막 내부와 외부의 이온 농도(ion concentration)의 차이와 전기퍼텐셜(electric potential) 차이가 자유 에너지(free energy)의 원천이 된다고 본다. 열역학 제2 법칙에 의하면 막 양쪽의 물질이나 에너지의 분포의 차이는 에너지로 이용될 수 있음을 의미한다.
틸라코이드 막에서 전자전달이 진행되는 동안 전달된 에너지로 양성자(H+)를 루멘 속으로 이동시켜 농축시킴에 따라 루멘은 산성화(pH가 낮아짐)되고 반대로 스트로마는 알칼리화된다.
루멘에서 높은 농도의 양성자(수소이온)가 농도 기울기에 의해 루멘의 통로를 빠져나가면서 ATP가 합성된다. 통로에 ATP 합성효소가 있는데 이 합성효소 구조를 ATP synthase complex(ATP합성효소족합체, CF0-CF1)라 한다. ATP synthase complex를 구성하는 CF0부위는 틸라코이드 막에 부착하고 CF1부위에는 ATPase가 있다.
이와 같이 세포막을 사이에 둔 두 공간에 서로 다른 농도로 배치된 수소이온의 농도 기울기(concentration gradient)를 이용하여 ATP 에너지로 전환하여 저장하는 것을
화학 삼투 공역(Chemiosmotic coupling)이라 한다.
광인산화반응이 화학 삼투설에 의하여 일어난다는 실험적 증거는 자겐도르포(Andre Tridon Jagendorf, 1926 ~2017) 등에 의하여 처음 제시되었다. 그들은 엽록체를 pH 4의 완충용액에 넣어 틸라코이드 막의 안과 밖이 동일한 산성 pH를 유지하도록 한 후, 틸라코이드 현탁액을 신속하게 pH 8의 완충용액으로 옮겨줌으로써 틸라코이드 막내 외의 pH 차이가 4가 되도록 하였다. 이 경우, 빛이 없는 조건에서도(즉, 전자전달이 일어나지 않아도) ADP와 Pi로부터 많은 양의 ATP가 형성되었는데 이것은 틸라코이드 막의 안팎에 형성된 양성자의 농도 차이 때문임을 알 수 있다.
ATP는 짝지음 인자(coupling factor)에 의하여 합성되는데, 짝지음 인자는 일명 ATPase, 혹은 ATP 합성 효소 복합체, ATP synthase complex, 혹은 CF0-CF1라고도 하며, 분자량이 400 kDa에 이르는 대형 효소 복합체이다. 이 효소는 크게 두 부분으로 나뉘는데, 소수성인 틸라코이드막에 결합하는 부분인 CFo 부분과 스트로마로 뻗어 나온 CF1 부분으로 구성된다. CFo는 양성자가 통과할 수 있도록 틸라코이드막을 가로지르는 통로 구실을 하며 실제로 ATP 합성은 CF1(ATPase포함, 미토콘드리아의 FoF1 ATPase와 같은 작용)에서 일어난다.
미첼은 ATP 합성에 사용 가능한 전체 에너지를 양성자 기동력(proton motive force, Δ P)이라고 하고, 이것은 양성자 화학 퍼텐셜(퍼텐셜 chemical potential)과 막을 가로지른 전기 퍼텐셜(electric potential)의 합이라고 제안하였다. 막의 외부로부터 내부로의 양성자 기동력의 두 요소는 다음과 같이 쓸 수 있다.

Δ P = Δ Em - 59(pHi-pHo)

반응식에서 Δ Em (혹은 ΔΨ)은 막내 외의 전기 퍼텐셜(electric potential, 전위, 電位) 차이이고 pHi-pHo(혹은 Δ pH)는 막을 가로지른 pH의 차이이다. 25℃에서 비례 상수는 pH 한 단위당 59mV이다. 즉, 막내 외의 pH 한 단위의 차이가 59mV의 막 퍼텐셜과 같다.
양성자 기동력의 두 가지 요소는 상호 전환될 수 있는데, 그 결과 큰 Δ Em이나 큰 Δ pH 혹은 이들의 중간 정도의 값 모두가 ATP 형성에 똑같이 효과적임이 알려졌다. 정상적으로 전자전달이 이루어질 때 막의 전기 퍼텐셜은 아주 적으므로 대부분의 Δ P는 Δ pH에 기인한다. 하나의 ATP를 합성하는데 필요한 수소 이온의 수는 3개이다.
엽록체의 비순환적 전자전달 과정을 통한 ATP의 합성을 비순환적 광인산화반응(non-cyclic photophos- phorylation)이라고 한다. 물 두 분자가 광분해 되면 산소 한 분자, 양성자 4개, 전자 4개가 생성된다. 4개의 전자가 전자전달 과정을 거쳐 Q 회로를 통과할 때마다 양성자 8개가 루멘에 축적됨과 동시에 NADP는 2 개가 환원된다. 그러므로 4개의 전자가 비순환적으로 전달되면, 이론상으로 총 12개의 양성자가 생기므로 4 분자의 ATP가 생성될 수 있다. 한편, 암반응에서는 CO2 한 분자를 고정하는데 3 분자의 ATP와 2 분자의 NADPH가 소모된다. 따라서 4개의 전자가 전달되면, CO2 한 분자를 고정하기에 충분한 에너지를 확보할 수 있다고 볼 수 있다. 그러나 세포 내에서는 암반응에 사용되는 에너지 외에도 용질 축적, 원형질 유동, 생체 고분자 물질의 합성 등과 같은 활동에 ATP가 필요하므로 ATP를 추가로 필요로 한다. 이를 위하여, 비순환적 전자전달 이외에 순환적 전자전달 과정을 통하여 양성자를 루멘에 농축한 후, 순환적 광인산화반응(cyclic photophosphorylation)으로 ATP를 합성한다. 전자전달 과정의 최종 전자수용체인 NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+, 탈수소효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)의 공급이 부족하거나, 과도한 빛 에너지가 공급될 때는 순환적 광인산화반응(cyclic photophosphorylation)이 일어날 것으로 생각된다. 즉, 순환적 전자전달은 양성자를 축적하여 광인산화를 통한 ATP의 합성을 증가시키고 아울러, 광계가 과도한 빛 에너지로부터 받을 수 있는 광 손상을 방지하는 보호 기능을 하는 것으로 생각된다.

2) 광합성의 암반응(dark reaction)

엽록체(chloroplast)의 그라나(grana)에서 태양의 빛 에너지를 흡수하여 ATP와 NADPH에 저장하는 명반응이 일어나면 엽록체의 스트로마(stroma)에서는 이 ATP와 NADPH에 저장된 에너지로 CO2와 H2O를 결합하여 포도당을 합성한다. 스트로마(stroma)에서 일어나는 포도당 합성 과정을 광합성의 암반응(dark reaction)이라 한다.
스트로마(stroma)에는 CO2를 오탄당 인산으로 전환하는 환원 경로가 있는데 이 경로를 광합성 탄소 환원(PCR, photosynthetic carbon reduction) 회로, 캘빈-벤슨(Calvin-Benson) 회로, 환원적 오탄당인산회로(pentose phosphate pathway) 혹은 C3 회로(C3 cycle, C3 pathway)라고 불리는 것이 암반응(dark reaction)이다. 이 중 PCR 회로라는 용어는 탄소 환원 및 순환적 특징을 강조하고 있다.
이 회로는 CO2를 RuBP(Ribulose 1,5-bisphosphate, 리불로오스 1,5-이인산, 5탄당)에 결합시켜서 PGA(3-phosphoglycerate)를 생성하는 CO2 고정, PGA를 ATP로 고인산화시켜 DPGA(1,3-diphosphoglycerate)로 만든 다음 NADPH로 환원시켜 PGAL(3-phosphateglyceraldehyde)로 만드는 PGA 환원 과정, 2 PGAL로 포도당을 만들고 10 PGAL은 다시 6 RuBP(Ribulose 1,5-bisphosphate, 리불로오스 1,5-이인산)로 재생하는 과정으로 되어있다.

가) PCR 회로(photosynthetic carbon reduction cycle)

PCR 회로(photosynthetic carbon reduction cycle)는 캘빈-벤슨(Calvin-Benson) 회로, 환원적 오탄당인산회로(pentose phosphate pathway) 혹은 C3 회로(C3 cycle, C3 pathway)라고 불리는 광합성의 암반응에서 일어나는 회로이다.
엽록체에서 일어나는 광합성은 다음 반응식으로 나타낼 수 있다.
CO2+3ATP+2NADPH+2H+ → [CH2O]+H2O+3ADP+3Pi+2NADP+(Go'≒ 480 kJ mol-1 CO2)

PCR 회로는 1950년 캘빈(Melvin Ellis Calvin, 멜빈 엘리스 캘빈, 1911~1997), 벤슨(Andrew Alm Benson, 앤드루 알 벤슨, 1917~ 2015), 배스햄(James Alan Bassham, 제임스 앨런 배스햄, 1922~ 2012)은 클로렐라 등(Chlorella, Scenedesmus)의 현탁액을 사용하여 빛을 쪼이고 14CO2(탄소동위원소)를 주었다(후에 이 실험은 시금치 잎에서 분리한 온전한 엽록체를 가지고 반복되었는데 기본적으로 동일한 결과를 얻었다). 14CO2에 노출된 시간을 달리 한 후, 이들 조류에서 끓는 알코올로 합성된 화합물을 추출하고, 합성된 방사성 화합물을 크로마토그래피로 분리하여 화학적으로 동정하였다.
CO2가 PCR 회로 중에 처음으로 RuBP 화합물과 결합하는 것을 고정 단계라 한다. 고정 단계는 리불로오스 2인산(ribulose bisphosphate, RuBP)와 CO2가 RuBP 카르복실레이스(RuBP carboxylase/oxygenase, rubisco)의 촉매로 결합하는 카르복실화 반응으로 글리세르산 3-인산(3-PGA)이 된다. CO2의 수용체인 RuBP는 3-PGA에 NADPH와 ATP를 이용하면서 재생산된다. 만약 RuBP를 재생하는데 요구되는 것보다 더 많은 탄소가 고정되어 3-PGA가 늘어난다면 3-PGA는 삼탄당인산의 형태로 회로를 빠져나와 세포질로 나가거나, 엽록체 내에서 녹말 합성에 사용된다. 회로의 전환 속도는 전자전달 반응, ATP 합성 및 각각의 효소 활성의 영향을 받는다. 회로의 전 반응은 카르복실화(3CO2 + 3RuBP → 6PGA), 환원(6PGA + 6ATP + 6NADPH → 6GAP + 6ADP + 6NADP+ +6Pi), 및 재생성(5GAP + 3ATP → 3RuBP + 3ADP + 2Pi)의 세 단계로 구분할 수 있다.

(1) 카르복실화 단계

PCR 회로에서 인위적인 시작점은 두 분자의 3-PGA를 만드는 RuBP의 카르복실화 반응인데, 이 반응은 PCR 회로에서만 볼 수 있는 독특한 것이며 루비스코(rubisco)에 의해서 촉매 된다. 루비스코(Rubisco)는 자연에서 가장 풍부하게 존재하는 단백질이다. RuBP의 2번 탄소에서 카르복시화가 일어나면, 6탄소의 중간산물이 생성되었다가 곧 두 분자의 3-PGA로 분해된다. 회로를 통하여 각 단계의 탄소를 추적해 보면, 세 분자의 CO2가 한 분자의 삼탄당 인산을 합성한다는 것을 알 수 있다.

(2) 환원 단계

3-PGA는 ATP에 의해 인산화되어, 글리세르산 이인산(1,3-diphosphoglyceric acid, DPGA)이 되는데 더욱 반응성이 커지게 된다. 계속해서 NADP-글리세르알데히드 인산 탈수소효소(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)는 글리세르산 이인산(1,3-diphosphoglyceric acid, DPGA)에 있는 인산기가 H+로 치환되어 GAP(glyceraldehyde-3-phosphate, 인글리세르산)를 생성한다. 호흡에 관여하는 GAP 탈수소효소는 NAD(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+, 탈수소효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)를 필요로 하는데 비해 이 효소는 NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+, 탈수소효소의 조효소로서 산화, 환원 반응의 전자 매체)를 필요로 한다.

(3) 재생성 단계
GAP(glyceraldehyde-3-phosphate, 인글리세르산)와 DHAP(dihydroxyaceton phosphate, 디히드록시아세톤)는 상호 전환될 수 있다.
이들 두 화합물은 여러 반응을 거쳐 RuBP를 재생성하면서 5탄소 화합물로 변한다.
(5 G3P → 3 Ru5P : 3개의 인산기 사용되고 2개의 인산기는 소실됨)
먼저 삼탄당 인산은 과당-1,6-이인산(fructose-1,6-bisphosphate, FBP)으로 축합 되는데 이 반응을 촉매 하는 알돌레이스(aldolase, 알도라제)는 알칼리 조건에서 최대 활성을 갖는다. PCR 회로의 독특한 효소인 FBPase에 의해 과당-1,6-이인산(fructose-1,6-bisphosphate, FBP)이 탈인산화되면 과당-6-인산(fructose-6-phosphate, F6P)이 된다. 이 반응은 자유에너지의 변화가 -25 kJ mol-1이며 따라서 비가역적이고, PCR 회로의 조절 부위이다.
RuBP의 재생산은 3, 4, 5 및 6탄당 화합물의 상호 변환에 의해 가능해진다. 트랜스케토레이스(transketolase)는 F6P와 세도헵튜로오스-7-인산(sedoheptulose-7-phosphate, S7P)으로부터 2탄소 단위(글리코알데히드)를 제거한다. 에리쓰로스-4-인산(erythrose-4-phosphate, E4P)은 DHAP와 반응하여 세도헵튜로오스 이인산(sedoheptulose-1,7-bisphosphate, SBP)을 만든다. 이는 PCR 회로에서만 볼 수 있으며 조절 부위를 이루는 효소 중 하나인 SBPase (sedoheptulose bisphosphatase)에 의해서 인산기를 잃게 된다. 리불로오스-5-인산(Ru5P)은 S7P로부터 만들어지며, 리보오스-5-인산(ribose-5-phosphate, R5P)으로 변화된다. 한편 크실루로오스-5-인산(xylulose-5-phosphate, X5P)은 글리코알데히드와 GAP로부터 형성되며, 리블로 오스-5-인산(ribulose-5-phosphate, Ru5P)으로 변한다. 최종적인 단계로 Ru5P 키네이스(Ru5P kinase)에 의해서 Ru5P가 인산화되어 더욱 반응성이 큰 RuBP로 전환된다. 위에서 생성된 6개의 PGA 중 한 분자는 탄소가 고정되어 광합성 산물인 당이 되고, 나머지 다섯 개는 RuBP를 재생산하는 데 사용된다.
PCR 회로는 기본적인 카르복시화 시스템으로 작용 위해 필요한 네 가지 특징을 갖는다.
A. 루비스코(Rubisco) 반응은 PGA 합성 방향으로 높은 평형을 이룬다(G' = -35.1 kJ)
B. 루비스코(Rubisco)는 대기 중에서 ～350 ppm, 혹은 공기로 포화된 수용액에서는 ～10M이라는 비교적 낮은 농도의 CO2에 대해 반응도가 높다(루비스코는 CO2농도가 너무 낮으면 가역 반응을 일으킨다).
C. 이산화탄소(CO2) 수용체인 RuBP는 카르복시화 반응의 산물로부터 순환, 재생산된다. 따라서 회로 자체는 단속 없이 작동할 수 있다.
D. 회로는 삼탄당 인산의 형태로 고정된 탄소를 당으로 생산한다. 회로가 세 번 돌면 6 분자의 삼탄당인산이 형성되는데, 다섯 분자는 세 분자의 RuBP 분자를 재생산하는 데 사용이 되고, 6번째의 삼탄당 인산은 녹말 합성 또는 세포질 내의 설탕 합성 등 최종산물(광합성 산물)을 만들어 내는데 이용된다.

나) PCR(polymerase chain reaction) 회로의 조절

엽록체에서 일어나는 탄수화물 대사의 중요한 조절자는 빛이다. 빛이 엽록체에 흡수되어 특정한 효소의 활성을 조절할 수 있는 조절 신호로 변화되어서 작용한다. 엽록체에는 탄수화물을 합성하는 효소와 아울러 탄수화물을 분해하는 효소가 공존하고 일부 생합성 효소는 빛에 의하여 활성화되는 반면, 분해효소는 빛에 의하여 불 활성화된다. 이와 같은 방법으로 엽록체는 효소나 경로의 동시 작동을 최소화한다. C3 식물에서 빛의 조절 기능이란 낮 동안에 CO2의 동화가 일어나고, 밤에는 주로 탄수화물의 분해가 일어나도록 하여 '효소의 질서'를 유지하는 것이다. 새로 합성되는 탄소나 저장되어 있는 녹말의 분해로부터 형성된 DHAP(dihydroxyaceton phosphate, 디 히드록시 아세톤)로부터 엽록체는 세포질에서 일어나는 설탕 합성에 필요한 탄소를 공급할 수 있으며 따라서 항상 비광합성 조직에 필요한 에너지를 공급할 수 있다.
조절에 민감한 단계는 극히 일부에 한정되어 있다. 대사조절이 가능한 단계는 rubisco, 포스포리불로키네이스(phosphoribulokinase, PRK), FBPase와 SBPase에 의하여 촉매 되는 부위라는 것이 밝혀졌다. 경로의 조절에서 이들 단계가 중요하다는 증거는 명-암, 암-명 전이 조건에서 대사물질의 농도를 분석함으로써 얻을 수 있다. rubisco는 카르복시화 단계에서, FBPase, SBPase 및 PRK는 재생성 단계에서 관여한다.
반면에 3-PGA(3-Phosphoglyceric acid)를 3탄당 인산(triosephosphate)으로 환원시키는데 관여하는 환원 단계의 효소는 비교적 가역이 자유로운 산화/환원 반응을 촉매 하는데, 생체 내에서의 진행방향은 주로 ATP와 ADP, NADPH와 NADP+의 양에 따라 결정된다. 빛을 비추면 ATP와 NADPH의 양이 많아지므로 반응은 삼탄당 인산(triosephosphate) 쪽으로 진행한다. 왜냐하면 3-PGA는 지속적으로 합성되고, 삼탄당 인산은 감소하기 때문이다. 정류 상태의 광합성에서 이는 회로의 서로 다른 부분의 활성을 통합되게 한다. 예를 들어 포스포리불로키네이스(phosphoribulokinase, PRK)의 활성을 증가시키는 어떤 구성성분은 ATP를 소비시키고 ADP를 생성하게 한다. 그 결과 ATP가 결핍되어 3-PGA의 환원 속도를 낮춰주어 Ru5P의 합성이 감소하고 경로는 평형을 이루게 된다. 그러나 환원 단계의 한 효소인 NADP-GAP 탈수소 효소는 빛에 의해서 직접적으로 조절된다.

(가) 루비스코(Rubisco) 활성의 조절

RuBP를 카르복실 화시키는 rubisco의 능력은 기질(RuBP, CO2와 O2)의 농도, 효소의 양과 활성에 의하여 결정이 된다. 시금치 잎에서 CO2의 농도가 낮고 광이 강할 때 rubisco 활성과 CO2 고정이 관련된다는 사실을 알 수 있다. 광합성 속도가 단기적으로 변화할 동안에는 효소의 활성화 상태가 바뀐다. 효소가 활성화되기 위해서는 우선 CO2와 복합체를 형성하고 뒤이어 Mg2+이 첨가되어 활성화된 복합체를 형성해야 한다. 이 반응의 평형은 pH에 민감하여 스트로마의 pH가 낮아지면 효소가 불활성화된다. 빛을 쪼이면 스트로마 부위로부터 틸라코이드 안쪽으로 H+가 이동해서 스트로마의 pH는 7.0에서 8.0으로 높아진다. 스트로마로부터 H+가 유출될 때 Mg2+이나 Ca2+과 같은 양이온들이 유입된다. 따라서 CO2 존재 시, 스트로마 내의 pH와 양이온 농도는 rubisco 활성화에 유리해질 것으로 제안되고 있다. 최근에는 rubisco의 활성화/비활성화에 대한 다른 두 가지 방법이 보고된 바 있다. 생장을 위해 높은 농도의 CO2를 필요로 하는 애기장대(Arabidopsis)의 돌연변이를 통한 연구의 결과로 rubisco가 빛에 의하여 활성화되는 방법이 밝혀지게 되었다. 다른 효소 활성 조절 시스템과는 관련이 없다고 생각되는 이 시스템에서는 빛과 효소활성을 연결시켜 주는 rubisco 활성화효소(rubisco activase)가 존재하는 것으로 알려지고 있다. 활성화 기작이 아직 확립되지는 않았으나, 현재로는 ATP와 빛에 의한 틸라코이드 막의 전기화학적인 전위차의 변화가 관여하는 것으로 알려져 있다.
Rubisco의 활성 조절을 설명하는 다른 방법은 인산화된 촉매반응의 억제제가 효소의 촉매 부위와 결합하여 관여한다는 것이다. 빛을 비춘 강낭콩 잎에서 추출한 rubisco의 활성이 암처의 잎에서 얻은 것보다 상당히 높다는 사실에서 이 억제제의 존재를 확인할 수 있었으며, 이 억제제는 촉매반응 도중 생성되는 6탄소 중간산물의 유사체인 카르복시아라비니톨-1-인산(carboxyarabinitol 1-phosphate, CA1P) 임이 밝혀졌다. 이 화합물은 시험관내에서도 rubisco의 효과적인 억제제로 작용하지만, rubisco의 암활성을 0에 가깝게 떨어뜨릴 만큼 충분한 양으로 존재한다는 사실은 강낭콩에서만 보고되고 있다.

(나) 구획화와 삼탄당 인산 수송

PCR 회로의 일부에서만 활성의 조절이 일어난다면 다른 대사과정에 의해 PCR 회로의 중간 산물이 소비되는 것을 억제하기 불충분하다. 그런데 이러한 생화학적인 조절 이외에, 대사계의 구획화라는 방법으로 조절한다.
광합성 도중에 엽록체는 CO2와 물, 무기인산(Pi)을 사용하여 세포질로 수송되는 삼탄당 인산을 만든다. 인산은 이 과정에서 필요한 기질이므로 PCR 회로가 계속적으로 작동하는 것은 엽록체 내에서 녹말의 합성과 세포질에서 설탕이 합성될 때 삼탄당 인산을 계속 공급받을 수 있는가의 여부에 달려있다. 녹말과 설탕의 합성과정에서는 Pi를 방출하기 때문에, 광합성이 제한될 정도로 세포 내의 유리 Pi 농도가 감소하지는 않는다. 그러나 분리 엽록체의 광합성을 유지하기 위해서는 Pi를 계속적으로 공급해주어야 한다.
수송체를 통한 삼탄당 인산의 수송과 Pi의 역수송은 녹말 합성과 관계가 있다. 세포질에서의 대사와 Pi 이용 가능성이 제한되면 엽록체 내의 3-PGA/Pi가 높아져 녹말 합성은 촉진된다. 이는 녹말 합성의 주된 조절 효소인 ADP-포도당 피로포스파테이스가 3-PGA에 의하여 강력하게 활성화되고 Pi에 의하여 억제되기 때문이다. 위에서 언급한 것처럼 삼탄당 인산으로부터의 녹말이 합성될 때 Pi가 유리되므로 CO2 고정 시 Pi 부족을 어느 정도 완화시킨다.
과당-2,6-이인산(fructose-2,6-bisphosphate, F2,6P)은 세포질의 FBPase와 피로인산, F6P 1-인산전이효소(pyrophosphate, F6P 1-phosphotransferase, PFP)의 활성을 변화시킴으로써 대사에 영향을 미친다. PFP는 피로인산에 의한 F6P의 가역적 인산화 반응을 촉매 하며 식물조직에서 해당 과정과 포도당 신합성(설탕 합성)의 조절에 중요한 역할을 한다.
시금치를 재료로 하여 연구한 결과 F2, 6P는 광합성 세포(잎의 유세포)의 세포질 부분에 존재하고 있다. F2, 6P에 의하여 효과적으로 활성화되는 PFP와 억제되는 설탕 합성의 중요한 조절 효소인 FBPase는 세포질에 존재한다. F2, 6P는 세포질의 FBPase를 억제하고 설탕 합성과 분해 시 중요한 역할을 하는 PFP를 활성화시킴으로써 설탕 대사에 영향을 미칠 수 있다. 동물세포와는 달리 F2, 6P는 식물세포의 포스포프락토키네이스(phosphofructokinase, PFK)에는 별 영향을 미치지 않는다. 반면에 식물의 세포질 PFK는 일부 대사물에 의하여 활성이 직접 조절될 수도 있고, 또한 서브유니트의 결합과 해리에 의한 활성 변화도 일어날 수 있다.
기질-특이적인 F6P 2-키네이스(F6P 2-kinase, F6PK)는 잎 세포의 세포질 분획에서 동정되었다. 실험 결과 잎의 F6PK에 의한 F2, 6P의 합성은 일부 대사산물에 의해서 조절된다는 것이 밝혀졌다. 예를 들면 Pi와 F6P는 활성 촉진제로 작용하고 3-PGA와 DHAP는 억제제로 작용한다. 또한 시금치의 잎에서 F2, 6P를 F6P와 Pi로 선택적으로 가수 분해하는 과당-2,6-비스포스파테이스(fructose-2,6-bisphosphatase, F2,6Pase)는 그의 산물인 F6P와 Pi에 의하여 심하게 억제된다. 따라서 대사물질에 의한 F2,6Pase의 조절은 F6PK의 조절과는 달리, 동일한 대사산물에 의하여 억제되는 것이 아니라 활성화된다.

3) 광합성 산물의 합성

가) 녹말 합성

엽록체에서 녹말은 6탄당 인산으로 분해된 후 해당 과정을 거쳐 삼탄당 인산으로 바뀌는데, 엽록체에는 이와 관련된 포스포프락토키네이스 (phosphofructokinase, PFK)를 포함하는 여러 효소들이 많이 들어있다. 이러한 경로로 글루콘산 인산을 통한 분해가 일어날 때 불가피하게 CO2가 발생되어 탄소가 소실되는 것을 막아준다.
녹말은 낮 동안에 엽록체 스트로마에 커다란 과립의 형태로 축적된다. 축적되었던 녹말은 암 조건에서 분해되어 호흡 기질로 사용된다. 녹말의 합성은 빛을 받은 잎에서만 일어난다. 잎의 일부분을 가린 다음에 강하게 빛을 몇 시간 쬐어준 후, 잎에서 엽록체를 제거하고 녹말을 아오다인 아오다인화칼륨 용액으로 발색시키면 잎에서 빛을 받은 부분만이 진하게 염색되는 것을 알 수 있다. 음화는 빛을 받은 부분과 빛을 받지 않은 부분 사이에서 뚜렷한 구분이 생기는 것을 비교적 자세히 보여준다.
녹말은 PCR 회로의 F6P가 육탄당인산 이성질화효소(hexose phosphate isomerase)에 의하여 G6P로 바뀌면서 합성된다. 포스포글루코뮤테이스(phosphoglucomutase)에 의하여 G6P로부터 포도당-1-인산(glucose-1-phosphate, G1P)이 만들어지는 반응은 가역적이다. 그러나 후속 반응에 의해 G1P가 제거되기 때문에 G1P의 합성이 계속된다. 탄수화물 대사에서 녹말중합체의 형성에는 뉴클레오티드 당이 관여한다.

ATP + glucose-1-phosphate → ADP-glucose + PPi(파이로인산, Pyrophosphate)

ADP-glucose + (glucose)n → (glucose)n+1 + ADP
여기서 (포도당)n은 포도당 잔기가 부가될 이미 형성된 중합체(β-1,4-글루칸 중합체)이다. 위 반응은 탄소 흐름을 조절하는 ADP-글리코파이로포스포릴레이스(ADP-glucose pyrophosphorylase)에 의해서 촉매 된다. 이것의 반응속도는 3-PGA의 농도 증가에 의하여 10∼20 배정도 증가하며, F6P에 의하여도 낮은 정도로 증가한다. 3-PGA와 F6P는 RuBP를 재생산하고도 남을 경우에 축적되며 이러한 상황은 녹말 합성을 진행시킬 효소에 신호를 주게 된다. 만약 광합성률이 낮아지거나 암 조건에서처럼 3-PGA가 결핍되면 효소의 활성은 억제된다. 또한 ADP-포도당 포스포릴레이스는 3-PGA와 상호 작용하는 Pi가 효소의 조절 부위에 결합하면 억제된다. 그렇기 때문에 3-PGA/Pi 비가 높을 경우에는 녹말 합성이 촉진된다. ATP 합성이 충분하지 못할 경우 3-PGA는 감소하고 Pi는 증가하여, 녹말 합성을 억제함으로써 PCR 회로 중간산물의 부족을 방지하게 된다. 만약 엽록체 밖에서 탄소소비가 빠를 경우에는 엽록체에서 3-PGA의 농도가 낮아지고 Pi 농도는 높아져 녹말 합성을 늦추게 된다. 예를 들어 헥소키네이스(hexokinase)에 의해 인산화되기는 하지만 재대사되지 않는 만노오스(mannose)를 잎에 주어, Pi와 결합시킨다면 Pi 농도는 감소하게 되고 녹말 합성은 증가한다. 분리한 엽록체의 부유액에 들어있는 1 mM의 Pi 농도를 두배로 높여준다면 스트로마의 3-PGA/Pi 농도는 10 배가 되고 녹말 합성률은 40 배가 된다. Pi이 부족한 식물에는 다량의 녹말이 들어있는데 이는 영양 부족의 증세이다. 녹말은 G1P(포스포릴레이스에 의하여 촉매), G6P, F6P 및 과당이인산을 거쳐 분해되어 DHAP가 된다.

나) 설탕 합성

설탕은 수크로오스-6-인산(sucrose-6-phosphate, S6P)이 수크로오스인산 포스파테이스(sucrose phosphate phosphatase, S6Pase)에 의해 탈인산화가 되어 일어나는데, S6P는 수크로오스인산 합성효소(sucrose phosphate synthetase, SPS, UDP-포도당 UDP-glucose의 반응을 촉진하여 6-인산 수크로오스 sucrose 6-phosphate를 생성하는 효소)에 의해 우리딘 이인산 포도당(UDPG)과 F6P로부터 만들어진다.

sucrose phosphate synthetase UDPG+fructose-6-phosphate→UDP+sucrose-6-phosphate

sucrose phosphate phosphatase
sucrose-6-phosphate + H2O → sucrose + Pi

설탕은 또한 설탕 합성효소에 의해 UDPG와 과당에 의해서도 만들어진다. 그러나 이 효소는 잎의 설탕 합성에서는 중요한 역할을 하는 것 같지 않다. 설탕 합성은 아마 엽록체 외피(chloroplast envelope)의 바깥쪽에 느슨하게 결합된 효소에 의해 세포질에서 진행된다고 일반적으로 생각되고 있다. 왜냐하면 14CO2에 노출시켰을 때 14C 표지가 늦어지며, UDPG 합성에 필요한 UDPG-피로포스포릴레이스(피로포스포릴라제)는 세포질 분획에 나타나는 것을 알 수 있기 때문이다.
설탕 합성의 조절은 회로 내의 세 종류의 효소, 즉 세포질의 FBPase(Fructose2,6-bisphosphatase), SPS(sucrose 6-phosphate synthase) 그리고 S6Pase(sucrose 6-phosphatase)가 촉매 하는 부위에서 일어난다. 광합성이 빠르게 진행되면 세포질 내의 DHAP 농도는 증가하고, Pi 농도는 감소하여 FBP(Fructose1,6-bisphosphate)의 농도를 증가시키며, 따라서 FBPase에 의한 분해가 활발해져 F2,6P(Fructose2,6-bisphosphate, 이중인산과당)의 합성이 감소하게 된다. 강광에서 F6P(Fructose 6-phosphate, G6P, Glucose 6-phosphate)의 농도는 증가하여 SPS(sucrose 6-phosphate synthase, UDP-포도당 UDP-glucose의 반응을 촉진하여 6-인산 수크로오스 sucrose 6-phosphate를 생성하는 효소)가 활성화되고 설탕으로 투입되는 탄소가 많아진다. 그러나 설탕에 대한 요구가 적어져 설탕과 S6P(Sucrose 6-phosphate)이 축적될 때에는 S6Pase(sucrose 6-phosphatase)와 SPS(sucrose 6-phosphate synthase)를 각각 억제하고, F6P(Fructose 6-phosphate)는 증가한다. 이때 F6PK(6-phosphofructo-2-kinase)는 활성화되고 F2,6Pase(Fructose2,6-bisphosphatase)는 억제되고 F2,6P의 농도가 증가하게 되면 FBPase(Fructose2,6-bisphosphatase)의 활성은 낮아지게 되어 삼탄당 인산이 축적되며, Pi의 농도는 감소한다. 이와 같이 이 시스템은 탄소의 흐름의 속도를 조절할 수 있게 된다. 저온과 같이 생육이 억제되거나 Pi가 결핍되는 경우에는 설탕의 사용이 상당히 억제되어, 삼탄당 인상이 축적되면서 많은 탄소가 녹말로 투입되어 엽록체나 저장기관에 녹말이 축적되게 된다. 역으로, 광합성 속도가 느리지만, 생장, 호흡 등에 많은 설탕이 필요할 경우에는 식물은 거의 탄수화물을 저장하지 않는다.

다) 기타 CO2 동화산물

식물세포를 구성하고 있는 모든 탄소화합물은 광합성의 최종산물인 포도당과 녹말뿐만 아니라 PCR 회로의 중간산물로부터 직접 유도되는 물질도 많이 있으므로 이들의 합성은 광 의존적이며, 발달 중인 조직에서 이들 화합물은 고정된 총탄소의 상당량을 차지한다. 클로렐라와 같은 단세포 녹조를 14 CO2를 첨가한 배양액에서 한 시간 배양하였을 때 고정되는 탄소의 1/3이 아미노산으로 합성되는데 이는 고등식물에서 탄수화물인 포도당을 생산하는 것과는 다르다. 그리고 표지 되는 주된 아미노산은 글리신과 세린이다. 또한 방사능의 표지는 피루브산으로부터 생산되는 알라닌, OAA로부터의 아스파르트산, 아스파라긴 및 글루탐산, 글루타민 그리고 TCA 회로의 2-옥소글루타르산(2-oxoglutarate)에서도 나타난다. 이들 화합물은 엽록체로부터 배출되는 삼탄당 인산이 세포질 내 대사를 거쳐 만들어진 것이다.
이와 같이 세포질에서 대사 되는 산물 이외에도 많은 산물들이 전적으로 엽록체에서 만들어진다.

2. 유기화합물 합성(광합성 외의 동화작용)

광합성 외의 동화작용은 이화작용의 과정에서 생긴 중간물질로부터 효소의 촉매반응을 통해 고분자 물질인 단백질, 탄수화물, 지방 등 세포를 구성하는 요소를 생합성하는 것을 말한다.
고분자 물질합성은 세포 내 구성요소의 합성, 즉 동화작용은 2개의 주요 단계로 나누어진다. 첫 번째는 고분자 물질들의 선구물질이 되는 저분자를 형성하는 과정이며, 2번째는 그러한 선구물질들이 결합되어 고분자를 형성하는 과정이다.
고분자 물질합성을 위한 선구물질의 공급은 먹이를 섭취하면 생합성과 에너지 공급을 위한 충분한 양의 여러 물질이 존재하게 된다. 탄수화물은 해당 작용과 산화적 인산화 과정의 중간물질을 생성하고 그것은 다시 아세틸 CoA를 생성하며, 지방 역시 해당 과정의 중간산물과 아세틸 CoA를 생성하고, 아미노산도 TCA 회로와 해당 과정의 중간물질을 생성한다. 생합성을 위해 없어진 중간물질은 이러한 이화 작용에 의해 다시 공급된다.

가. 탄수화물 합성

1) 포도당 신생(gluconeogenesis)

인체의 신경계를 구성하는 뉴런은 대부분의 에너지 원으로 포도당을 이용한다. 탄수화물을 극히 적은 양 섭취하여 인체에 포도당이 부족하게 되면 신경계의 작용이 어렵게 된다. 그래서 인체는 다른 물질을 포도당으로 전환해서 공급한다.
해당 과정의 역과정을 통해 피루브산, 아미노산, TCA 회로의 중간체 등 탄수화물 이외의 다른 선구물질로부터 포도당이 생성되는 것을 당신생이라 하며, 간이나 신장 등에서 주로 일어난다. 이러한 역과정 또한 해당 과정에 사용되는 동일한 효소에 의해 일어나며 다만 그 방향이 해당 과정과 반대일 뿐이다. 그러나 세 부분에서는 과정이 비가역적(非可逆的)이므로 포도당 생성으로 진행될 수 없어 다른 경로를 통해 반응이 진행된다. 그중 하나는 피루브산이 포스포에놀피루브산(phosphoenolpyruvate/PEP)으로 전환되는 과정인데, 피루브산＋ATP→PEP＋AMP＋Pi와 피루브산＋2ATP→PEP＋2ADP＋Pi의 2가지 종류의 메커니즘에 의해 진행되며, 포유류는 주로 후자의 방법을 사용한다.

2) 고분자 탄수화물

탄수화물은 동물에서 글리코겐으로, 식물에서 녹말로 저장된다. 먼저 포도당-6-인산이 포도당-1-인산으로 전환되고, 이것은 다시 UTP와 반응해 활성화된 UDP-포도당과 피로인산이 된다. 이때 세균, 균류, 식물 등에서는 UTP 대신 ATP, CTP, GTP 등이 사용된다. UDP-포도당은 글리코실트랜스퍼레이스(glycosyltransferase, 글리코실기전이효소) 효소에 의해 다당류사슬 끝에 있는 포도당에 다시 포도당을 넘겨주게 되고, 이것이 반복됨으로써 계속 포도당의 숫자가 증가하게 된다. 피루브산에서 출발해 글리코겐의 글루코오스기(基)를 1개 더 늘리려면 4ATP(2ATP, 1GTP, 1UTP)에 해당하는 에너지가 필요하다. 이당류인 설탕은 UDP-포도당과 과당-6-인산에서 생성되는데, 이들은 서로 반응해 UDP와 설탕-6-인산이 되고, 설탕-6-인산은 물과 반응해 설탕과 인산이 된다. 또한 UDP-갈락토오스와 포도당이 반응하면 UDP와 젖당이 생성된다.

나. 지방의 합성

1) 지방산(fatty acid)과 글리세롤(Glycerol)의 생합성

가) 지방산(fatty acid)의 생합성

동물에서 지방산(fatty acid) 생합성은 탄수화물로부터 합성되는데 주로 간, 지방 조직 및 유선을 구성하는 세포의 세포질과 활면소포체(sER)에서 일어난다.
지방산(fatty acid)의 생합성은 세포질에서 일어나며 아세틸 CoA(아세틸 조효소 A)가 지방산의 전구물질로 이용된다. 아세틸 CoA(아세틸 조효소 A)는 미토콘드리아에서 물질대사 중인 시트르산이 미토콘드리아 내막을 통해 세포질로 이동되어 생성된다. 먼저 아세틸 CoA(아세틸 조효소 A)는 말론 CoA(malonyl-CoA, 말론 CoA조효소 A)로 전환된다.
이어서 말론 조효소 A는 세포질에서 1회 반응당 2개의 탄소 사슬이 추가되는 연속적인 지방산 사슬 형성 반응에 이용되어 16개의 팔미트산(palmitate) 또는 18개(스테아린산) 탄소사슬로 구성된 지방산이 형성된다.
이 과정은 아실기운반단백질(acyl carrier protein, ACP)이 관여한 탈카르복시, C2단위의 축합, NADPH에 의한 환원이 반복해서 일어나는 복잡한 과정이다.
지방산은 소포체에서 탄소수 18개보다 긴 지방산인 긴사슬지방산과 같은 물질로 변환되어 스핑고지질 또는 인지질 등의 전구체로써 사용된다.

(1) 지방산의 불포화 과정

지방산 탄소 사슬을 단일 결합에서 이중결합으로 바꾸는 반응을 의미한다. 이러한 불포화 반응에 의해서 지방산 사슬은 긴 직선 형태가 이중결합이 있는 위치에서 꺾인 구조를 가지는 불포화지방산으로 변형된다.

(2) 호기성 불포화 지방산 생성 과정

포화지방산 한 분자에 산소 한 분자와 NADPH가 반응하여 포화지방산에서 두 개의 수소원자가 분해되어 포화지방산은 2중 결합이 생성되어 불포화지방산이 되고 두 분자의 물이 생성된다.

나) 글리세롤(Glycerol) 생합성

해당 과정 (glycolysis)에서 과당 1,6 이인산 (fructose 1,6 diphosphate)이 알도레이스( fructose-1-phosphate aldorase, 프록토오스-1-포스페이트 알도레이스)에 의해 G3P(glyceraldehyde 3-phosphate, 글리세르 알데하이드 3-인산)과 DHAP(Dihydroxyaceton phosphate, 디히드록시 아세톤 인산)으로 분해된다.
그리고 다이하이드록시아세톤 인산과 글리세르알데하이드 3-인산(glyceraldehyde 3-phosphate)이 서로 상호 전환된다.
다이하이드록시아세톤 인산이 환원되어 글리세롤 3-인산(glycerol-3P)이 된다.

2) 중성지방(neutral fat, triglyceride, TG)

중성지방의 생합성은 지방세포와 간세포에서 많이 일어난다.
지방산과 글리세롤은 중성지방(트라이글리세라이드, triglyceride, TG) 합성의 전구체로 사용된다.
글리세린-3-인산 1 분자와 2 분자의 지방산-아실 조효소 A(지방산과 조효소 A가 반응해 생성됨)가 결합해 포스파티드산(phosphatidic acid, PA, 인지질)이 된다. 이 포스파티드산이 인산기를 잃으면 디글리세라이드가 되고, 이것이 다시 아실 조효소 A 분자를 얻으면서 트리글리세라이드(중성지방)가 된다.
글리세롤에 지방산 3개가 에스테르(ester)결합하여 중성지방(트라이글리세라이드, triglyceride, TG)이 되는 것이다.

3) 스테로이드(steroid,cholesterol, 콜레스테롤) 합성

스테로이드(steroid)의 예로는 동물 세포막의 구성 요소인 콜레스테롤(cholesterol), 담즙산(bile acid), 테스토스테론(testosterone), 글루티코 코르티코이드(gluticocorticoid), 비타민 D 유도체 등이 있으며 이들 대부분이 콜레스테롤(cholesterol)로부터 생합성된다.
스테로이드는 간, 장, 부신(adrenal gland), 생식기관 등에서 생산속도가 높고 약 20~25%는 간에서 생산된다. 스테로이드(콜레스테롤, cholesterol)의 전구물질은 아세틸 CoA(아세틸조효소 A)이며 아세틸 CoA가 메발론산(메발로네이트,mevalonate)로 합성되어
다이메틸알릴 파이로포스페이트(dimethylallyl pyrophosphate; DMAPP)와 아이소펜테닐
파이로포스페이트(isopentenyl pyrophosphate; IPP) 합성의 재료로 사용되며, DMAPP와 IPP는 제라닐 파이로포스페이트(geranyl pyrophosphate; GPP) 합성에 참여하고, GPP는 스쿠알렌(squalene)을 거쳐서 라노스테롤로 전환된다. 라노스 테롤(lanosterol)로부터 19단계의 반응을 거친 후 콜레스테롤(cholesterol)이 생합성된다.

4) 인지질(燐脂質, phospholipid)

인지질(燐脂質)은 약 70%를 차지하는 글리세로인지질(glycerophospholipid)과 스핑고인지질(sphingophospholipid)이 있으며, 모두 인산의 에스테르 화합물이다. 글리세로인지질(燐脂質)은 글리세롤 3-인산(glycerol-3P)에 2개의 지방산이 에스테르(ester) 결합을 하고 1개의 인산이 디에스테르(diester) 결합한 것이며 스핑고인지질(sphingophospholipid)은 스핑고신(sphingosine)에 2개의 지방산이 에스테르(ester) 결합을 하고 1개의 인산이 디에스테르(diester) 결합한 것이다.
글리세로인지질의 합성과정은 글리세린-3-인산 1 분자와 2 분자의 지방산-아실 조효소 A(지방산과 조효소 A가 반응해 생성됨)가 결합해 포스파티드산(phosphatidic acid, PA)이 된다.
포스파티드산(phosphatidic acid, PA)은 글리세롤-3-인산의 1번과 2번 탄소에 지방산이 에스터 결합한 기본 인지질이다.

다. 단백질 합성(蛋白質生合成, protein biosynthesis)

1) 아미노산 합성(amino acid synthesis)

번개나 박테리아에 의해 공기 중의 유리질소(N2)가 고정되어 생성된 질소화합물이나 단백질의 분해로 생성된 질소화합물을 식물이 흡수하여 유기산과 결합시켜 아미노산을 생성하며 동물은 식물 등의 생물을 섭취하여 얻는다. 사람도 비필수 아미노산을 생성한다.
아미노산은 유기산에 아미노기가 결합된 것이다. 그러므로 아미노산에는 아미노기와 카르복실기가 공통으로 있으며 아미노산의 종류가 다른 것은 아미노기와 결합하는 유기산이 다르기 때문이다. 아미노산을 생성하는 능력은 생물체마다 다르다. 대부분의 척추동물은 간단한 아미노산만을 생성할 수 있고, 대부분의 아미노산(필수 아미노산)은 음식물로 섭취해야 한다. 그러나 고등식물은 단백질 합성에 필요한 모든 아미노산을 생성할 수 있으며, 질소원으로 암모니아(NH3)와 NO3-를 사용한다. 뿌리혹박테리아는 공기 중의 질소(N2)를 고정해 암모니아(NH3)를 생성하므로 뿌리에 뿌리혹박테리아를 지니고 있는 식물(예를 들면 콩)은 이들 질소화합물을 사용하여 아미노산을 합성한다. 생물에 필요한 20종의 아미노산은 각각 서로 다른 경로를 통해 생성되지만, 아미노산 합성의 중요한 일반적 특성은 먼저 유기산인 α-케토글루타르산과 암모니아에 탈수소효소의 작용을 통해 처음으로 글루탐산이라는 아미노산이 만들어지고, 아미노기 전이효소에 의해 글루탐산의 아미노기가 다른 유기산에 옮겨져 다른 아미노산이 생성된다. 즉 한 무리에 속하는 여러 아미노산들은 그 무리의 선구물질 역할을 하는 어느 하나의 아미노산으로부터 합성된다는 것이다.

2) 단백질의 합성

아미노산은 아미노기와 카르복실기를 가지고 있는데 한 아미노산의 카르복실기와 다른 아미노산의 아미노기 사이에서 1개의 물 분자가 떨어져 나가면서 두 아미노산은 펩티드 결합에 의해 결합된다. 단백질은 수백 개의 아미노산들이 펩티드 결합에 의해 연결된 폴리펩티드이다. 20종류의 아미노산이 어떤 정해진 순서로 펩타이드 결합을 하여 폴리펩타이드가 되는데 이 아미노산 결합 순서를 정해주는 것을 유전 정보라 하며 DNA에 있는 데옥시뉴클레오타이드(염기)서열이 유전정보이다.
수많은 아미노산이 펩타이드 결합으로 만들어진 폴리펩티드를 단백질의 1차 구조라 한다. 이 폴리펩티드가가 접히거나 꼬인 것을 2차 단백질, 2차 단백질이 다시 꼬이고 중간에 결합되어 입체 구조로 된 것을 3차 단백질이라 하며 이 3차 구조가 여러 개 모여 하나의 단백질 구실을 할 때 4차 단백질 구조이다. 즉 단백질의 1차 구조인 폴리펩타이드로는 단백질 작용을 못하며 3차 구조 이상으로 되었을 때 단백질 작용을 한다.

* 리보솜 펩타이드(ribosomal peptide) 합성과 비 리보솜 펩타이드(nonribosomal peptide) 합성

일부 펩타이드(약 2~50개의 아미노산이 펩타이드결합된 것)는 mRNA의 정보에 따라 리보솜에 의해 만들어짐으로 리보솜 펩타이드(ribosomal peptide)라고 한다. 예로는 알파-아마니틴(α-amanitin)과 베타-아마니틴(β--amanitin)같은 펩타이드이다.
이와는 달리 리보솜이 아닌 곳에서 특별한 효소에 의해 합성되는 비 리보솜 펩타이드(nonribosomal peptide)도 많이 있다.
항산화제로 작용하는 글루타티온(glutathione , GSH)은 글루탐산, 시스테인, 글리신의 세 가지 아미노산으로 이루어진 tripeptide이다.
글루타티온은 글루탐산-시스테인 리게이스(펩타이드 결합이 아닌 아이소펩타이드 결합) 및 글루타티온 합성효소(펩타이드 결합)에 의해 리보솜이 아닌 곳에서 합성된다.

라. 핵산 생합성(核酸生合成, biosynthesis of nucleic acid)

1) 뉴클레오타이드 합성(nucleotide synthesis)

가) 퓨린계 뉴클레오타이드 합성(purine nucleotide synthesis)

퓨린 염기(purine base)에는 아데닌(adenine), 구아닌(Guanine)이 있다.
퓨린계 뉴클레오티드는 5탄당인 리보스, 인산, 퓨린 염기로 구성된다.
퓨린계 뉴클레오타이드 합성은 퓨린 염기가 먼저 별도로 생성되어 리보스인산에 결합하여 퓨린게 뉴클레오티드가 합성되는 것이 아니고 먼저 생성된 리보스인산(R5P)에 글루타민 등의 물질이 반응하여 퓨린 염기가 합성되어 퓨린계 뉴클레오티드가 생성된다.
간에서 리보오스-5'-인산(R5P, ribose-5-phosphate)과 아데노신삼인산(adenosine triphosphate, ATP)이 리보스-인산 피로포스포키네이스(ribose-phosphate pyrophosphokinase, 디포스포키네이스)에 의해 5-인산-리보오스2인산(PRPP, phosphoribosyl pyrophosphate)이 생성된다.
글루타민과 PRPP(phosphoribosyl pyrophosphate, 5-인산-리보오스2인산)이 아미도포스포리보실트랜스퍼레이스(Amidophosphoribosyltransferase, 글루타민-PRPP 아미도트랜스퍼레이스)의 작용으로 아미노기가 5-인산-리보오스에 결합하여 D-리보실아민-5-인산(5-PRA, 5-phosphoribosylamine)과 글루탐산(glutamic acid)이 되고 이어서 D-리보실아민-5-인산(5-PRA, 5-phosphoribosylamine)은 글리신(glycine), ATP, 아스파르트산(aspartic acid), 글루타민(glutamine), 포름산(Formic acid), 이산화탄소(CO2) 등과 반응하여 합성된 푸린(purine)고리를 갖는 리보뉴클레오티드(5‘-ribonucleotide)인 이노신 일인산 (Inosine monophosphate, IMP)이 된다.
이노신 일인산 (Inosine monophosphate, IMP)은 AMP(adenosine monophosphate)와 GMP(guanoxine monophosphate)로 전환된다.
이노신 일인산(IMP)이 IMP 탈수소효소에 의해 잔토신 일인산(XMP)으로 전환되고
잔토신 일인산(XMP)은 GMP 생성효소(XMP-글루타민 아미도트랜스퍼레이스)에 의해 구아노신 일인산(GMP)으로 전환된다.
이노신 일인산(IMP)이 아데닐로석신산 생성효소(아데닐로석신산 합성효소)에 의해 아데닐로석신산으로 전환되고
아데닐로석신산은 아데놀로석신산 분해효소에 의해 아데노신 일인산(AMP)과 푸마르산으로 전환된다.

나) 피리미딘계 뉴클레오타이드 합성(pyrimidine nucleotide synthesis)

피리미딘 염기에는 우라실(uracil, 유라실, U) 시토신(cytosine, 사이토신 C)이 있다.
피리미딘계 뉴클레오타이드(pyrimidine nucleotide)인 UTP(uridine triphosphate)는 우라실(uracil, 유라실, U), 리보스, 인산으로 구성되며 CTP(cytidine triphosphate)는 시토신(cytosine, 사이토신 C), 리보스, 인산으로 구성된다.
피리미딘계 뉴클레오타이드(pyrimidine nucleotide)의 합성은 카르바모일인산(CP, carbamoyl phosphate)을 출발물질로 한다.
카르바모일인산(CP, carbamoyl phosphate)은 암모니아와 이산화탄소를 카르바모일인산 합성효소(Carbamoylphosphate synthetase)와 2 분자의 ATP를 소비하여 생성된다.
또 글루타민을 아미노기공급체로서 이용한다.
글루타민(glutamine)과 ATP는 카바모일 포스페이트 합성효소 II(carbamoyl phosphate synthase II)에 의해 글루타민에서 방출된 암모니아가 반응하여 카바모일인산(carbamoyl phosphate)가 합성되며 글루탐산(glutamic acid)이 생성된다.
이어서 카바모일인산(carbamoyl phosphate)과 아스파트산(aspartic acid)은 아스파테이트 트랜스카바모일레이스(aspartate transcarbamoylase)에 의해 카바모일 아스파트산(carbamoylaspartic acid)으로 변환된다.
카바모일 아스파트산은 디하이드로오로테이스(dihydroorotase)에 의해 탈수 반응이 일어나 6각 고리 구조의 디하이드로오로트산(dihydroorotic acid)으로 변환된 다음 오로트산(orotic acid)으로 된다.
오로트산(orotic acid)은 포스포리보실트랜스퍼레이스(phosphoribosyl transferase)에 의해 PRPP(phosphoribosyl pyrophosphate, 포스포리보실 피로인산)과 결합하여 피리미딘뉴클레오티드(pyrimidine nucleotide)인 OMP(orotindine monophosphate, 오로티딘 일인산, 5′-orotidylic acid, 5′-오로티딜산)이 된다.
OMP(5′-orotidylic acid)는 OMP 탈카복실산 효소(OMP decarboxylase)에 의해 이산화 탄소를 방출하고 UMP(uridine monophosphate, 유리딘 일인산)로 변환된다. UMP(uridine monophosphate)는 UDP, UTP를 거쳐 CTP를 생성한다.

다) 데옥시리보뉴클레오타이드(deoxyribonucleotide) 합성

데옥시리보뉴클레오타이드(deoxyribonucleotide) 합성 과정에는 단백질 티오레독신(Thioredoxin, Trx, 환원효소로 작용)과 플라보 단백질(flavoprotein, FAD, FMN 등)이 작용한다. 티오레독신-S2는 NADPH와 H＋에 의해 티오레독신-(SH2)로 환원되고 NADP로 산화되며, 티오레독신-(SH2)는 다시 UDP와 CDP에 결합해 이 UDP와 CDP를 데옥시UDP(dUDP)와 데옥시CDP(dCDP)로 환원시킨다. 데옥시티미딘일인산(deoxythimidine monophosphate, dTMP)은 dUMP가 메틸화 되어 생성되며 이 과정에는 티민 합성효소 외에 비타민 엽산 조효소가 필요하다.

2) 핵산(DNA와 RNA) 합성

DNA와 RNA를 핵산이라 하며 핵산을 구성하는 물질의 기본단위는 뉴클레오타이드이다. 핵산은 4종류의 뉴클레오타이드로 구성(DNA-A, T, G, C, RNA-A, U, G, C)된다. 뉴클레오타이드 구조는 염기와 당이 결합하면서 물 1 분자가 빠져나가는 글리코시드 결합에 의해 뉴클레오시드가 형성되며, 여기에 인산이 결합되면서 뉴클레오티드를 이룬다.
뉴클레오티드는 당의 5′위치의 인산기와 다른 뉴클레오티드의 당의 3′위치의 히드록시기 사이에서 물 1 분자가 빠지면서 포스포에스테르 결합을 한다. 그렇게 해 새로운 뉴클레오티드를 계속 붙여나갈 수 있으며 이를 폴리뉴클레오티드라 한다. DNA는 2가닥의 폴리데옥시뉴클레오티드가 수소결합으로 2중 나선 구조로 되어 있고, RNA는 1가닥의 폴리뉴클레오티드로 되어 있다.
DNA의 데옥시 뉴클레오타이드(염기) 서열이 유전정보이며 mRNA로 전사되어 단백질 합성에 관여한다.
DNA의 합성은 RNA의 합성과 조금 다르다.
첫째, DNA의 퓨린과 피리미딘을 구성성분으로 하는 뉴클레오타이드는 리보오스 대신 데옥시리보오스이다.
둘째, 피리미딘 염기가 우라실이 아니라 티민이다. 데옥시리보뉴클레오타이드(deoxyribonucleotide)는 리보뉴클레오타이드(ribonucleotide)의 환원에 의해 합성된다.
셋째 RNA는 단일 나선 구조이지만 DNA는 이중나선 구조이고 DNA의 두 나선 사이에는 데옥시뉴클레오타이드의 염기(base) 부분끼리 상보적 결합을 하고 있다. 항상 A와 T, G와 C 끼리만 결합한다.