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(2025 연세대 기출 변형 문제 및 해설-13)   

광합성은 식물이 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하여 생명을 유지하는 데 필수적인 과정입니다. 다음 질문에 대해 논술하시오.

1. 광합성의 두 가지 주요 단계인 명반응(light reactions)과 암반응(dark reactions 또는 Calvin cycle)을 설명하고, 각각의 단계에서 일어나는 주요 반응과 생성물을 구체적으로 논하시오.

2. 엽록체의 구조가 광합성 과정에 어떻게 기여하는지 설명하시오. 특히 틸라코이드 막과 스트로마의 역할을 중심으로 논의하시오.

3. 광합성 과정에서 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)가 어떻게 사용되는지 설명하고, 이 과정에서 산소(O2)가 어떻게 생성되는지 논하시오.

4. Calvin cycle의 주요 단계를 설명하고, 이 과정에서 ATP와 NADPH가 어떻게 사용되는지 논하시오. 또한, Calvin cycle의 최종 산물이 무엇인지 설명하시오.

5. 광합성 효율에 영향을 미치는 요인들(예: 빛의 강도, CO2 농도, 온도 등)에 대해 설명하고, 이러한 요인들이 광합성 과정에 미치는 영향을 구체적으로 논하시오.

해설지

1. 광합성의 주요 단계: 명반응과 암반응

• 명반응 (Light Reactions):
  • 명반응은 틸라코이드 막에서 일어나며, 빛 에너지를 흡수하여 화학 에너지로 변환하는 과정입니다. 엽록소가 빛 에너지를 흡수하면, 이 에너지가 물 분자를 분해하여 산소(O2), 전자, 그리고 양성자(H+)를 방출합니다. 방출된 전자는 전자전달사슬을 통해 이동하며, 이 과정에서 ATP와 NADPH가 생성됩니다. ATP는 ADP와 인산(Pi)의 결합으로, NADPH는 NADP+와 전자 및 H+의 결합으로 생성됩니다.
• 암반응 (Dark Reactions 또는 Calvin Cycle):
• 암반응은 엽록체의 스트로마에서 일어나며, 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 사용하여 이산화탄소(CO2)를 고정하고, 이를 통해 탄수화물을 합성하는 과정입니다. 이 과정에서 ATP는 에너지를 공급하고, NADPH는 전자를 제공하여 CO2를 환원시키고 당을 생성합니다. 암반응은 빛이 필요하지 않으므로 '암반응'이라고 불리지만, 실제로는 명반응에서 생성된 에너지가 필요합니다.

2. 엽록체의 구조와 광합성

• 틸라코이드 막:
  • 틸라코이드 막은 엽록체 내부에 존재하는 막으로, 명반응이 일어나는 장소입니다. 이 막에는 엽록소와 전자전달사슬을 포함한 여러 단백질 복합체가 존재하며, 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하는 역할을 합니다. 틸라코이드 내의 lumen에서 H+ 농도가 높아지고, 이 기울기를 이용해 ATP 합성 효소가 ATP를 생성합니다.
• 스트로마:
• 스트로마는 엽록체의 내부 기질로, Calvin cycle이 일어나는 장소입니다. 스트로마에는 ATP와 NADPH가 사용되어 CO2를 고정하고, 이를 통해 글루코스와 같은 탄수화물을 생성하는 과정이 진행됩니다. 스트로마는 Calvin cycle의 여러 효소들이 작용하는 장소로서 중요한 역할을 합니다.

3. 광합성에서 물과 CO2의 사용 및 산소의 생성

• 물(H2O)의 역할:
  • 명반응에서 물은 광해리(photolysis) 과정을 통해 분해되어 산소, 전자, 그리고 양성자(H+)를 제공합니다. 이 전자는 전자전달사슬을 통해 이동하면서 에너지를 방출하고, 결국 NADP+를 NADPH로 환원시키는 데 사용됩니다. 이 과정에서 산소가 방출됩니다.
• 이산화탄소(CO2)의 역할:
  • Calvin cycle에서 CO2는 고정되어 3-phosphoglycerate(PGA)로 전환되며, 이는 NADPH와 ATP의 에너지를 사용하여 G3P(glyceraldehyde-3-phosphate)로 변환됩니다. 여러 번의 회로를 통해 G3P는 글루코스와 같은 탄수화물로 전환됩니다.
• 산소(O2)의 생성:
• 산소는 명반응 중에 물이 분해될 때 생성되며, 이는 광합성의 부산물로 대기 중으로 방출됩니다.

4. Calvin Cycle의 주요 단계와 ATP, NADPH의 사용

• Calvin Cycle의 단계:
  • Calvin cycle은 세 단계로 나뉩니다: 탄소 고정(Carbon Fixation), 환원(Reduction), 재생화(Regeneration).
  • 탄소 고정: CO2는 루비스코(Rubisco) 효소에 의해 리불로스-1,5-이인산(RuBP)과 결합하여 3-PGA를 형성합니다.
  • 환원: 3-PGA는 ATP의 에너지와 NADPH의 전자를 사용하여 G3P로 환원됩니다.
  • 재생화: 일부 G3P는 글루코스와 같은 탄수화물로 전환되고, 나머지는 RuBP로 재생되어 다음 회전의 Calvin cycle을 준비합니다.
• ATP와 NADPH의 사용:
  • ATP는 3-PGA를 G3P로 환원하는 과정과 RuBP를 재생하는 과정에서 사용됩니다. NADPH는 CO2를 환원하여 탄수화물을 형성하는 데 필요한 전자를 제공합니다.
• 최종 산물:
• Calvin cycle의 최종 산물은 G3P로, 이는 식물이 필요한 다양한 유기분자(예: 글루코스, 셀룰로스)를 합성하는 데 사용됩니다.

5. 광합성 효율에 영향을 미치는 요인들

• 빛의 강도:
  • 빛의 강도가 증가하면 명반응의 속도가 증가하여 더 많은 ATP와 NADPH가 생성됩니다. 그러나 일정 수준 이상의 빛에서는 포화 상태에 도달하여 더 이상 효율이 증가하지 않습니다.
• CO2 농도:
  • CO2 농도가 증가하면 Calvin cycle의 속도가 증가하여 더 많은 탄수화물이 생성됩니다. 그러나 CO2 농도가 너무 높거나 낮을 경우, 효율이 떨어질 수 있습니다.
• 온도:
  • 광합성 효소는 특정 온도 범위에서 가장 잘 작용합니다. 온도가 너무 낮으면 반응 속도가 느려지고, 너무 높으면 효소가 변성되어 효율이 감소할 수 있습니다.
• 기타 요인들:
  • 수분 부족, 엽록소 농도, 환경 스트레스(예: 오염, 염분) 등도 광합성 효율에 영향을 미칩니다. 이러한 요인들은 식물의 전반적인 생장과 생존에 중요한 역할을 합니다.