안녕하세요,

3기 다섯 번째 과학리딩모임 현장스케치입니다.

 

이번 주제는 광합성과 호흡입니다.

먼저 광합성에 대해 생각해보았는데요. 5분만 숨을 쉬지 않아도 지구상 모든 동물은 죽게 됩니다. 눈에 보이는 다세포생명체는 사라지게 되는 것인데요.


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광합성은 지난 40억년 지구 역사를 알 때, 비로소 그 진정한 의미를 알 수 있습니다.

20억년 이전과 이후로 나누는 기준이 바로 O2, , ‘대기 중 산소입니다. 잉여 산소가 대기 중으로 올라와 생명현상이 출현하게 된 것입니다. 20억년 전을 기준으로 이전은 단세포의 세계, 이후는 다세포의 세계로 구분할 수 있습니다.

그러나 생명체가 궁극적으로 필요했던 것은 산소가 아니라 H+라고 합니다. 포도당(C6H12O6)을 보면 H+가 많이 박혀있는 것을 알 수 있습니다.

 

광합성과 호흡, 이 두 가지 중 어느 것이 먼저 출현했는지에 대한 논쟁이 지속되어 왔는데요. 최근에는 호흡이 먼저 출현했다는 의견이 우세하다고 합니다. ‘무산소호흡을 보면 산소 없이도 가능한 호흡이 있다는 것을 알 수 있습니다.


 

#13.


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세포 하나를 그려봅니다. 그리고 안에 핵을 그리는데, 윤곽선을 그린 다음 핵공을 표현합니다.

엽록체의 이중막을 그리고, 틸라코이드(thylakoid)와 막에 박혀있는 전자전달계(electron transport chain)를 그립니다. 틸라코이드 내부의 빈 공간이 lumen입니다.

미토콘드리아는 엽록체보다 이중막이 두꺼우며, 마찬가지로 전자전달계가 있습니다.


 

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세포내공생설을 손수건과 펜을 도구로 이용하여 이해하기 쉽도록 설명하였습니다. 엽록체의 기원을 설명하는데 있어서, 숙주세포에게 잡아먹힌 시아노박테리아가 숙주세포 안에 남아 공생하게 된 것으로 보는 주장인데요, 미토콘드리아 역시 마찬가지로 볼 수 있습니다. 미국의 생물학자 루이스 토마스는 우리가 미토콘드리아의 식민지다라고 그의 저서 <세포라는 대우주>에 서술하였습니다.

식물세포 1개당 엽록체는 1~100개 정도 수준인 반면, 미토콘드리아는 세포 1개당 약 천 개 order 이며, 난모세포의 경우에는 미토콘드리아가 약 20만 개 정도나 있다고 합니다.

 

 

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엽록체에서 일어나는 광합성 과정을 그림으로 그려봅니다. PS I (photosystem I)이 지구 초기 20억 년 동안 먼저 일어났고, PS II (photosystem II)는 그 이후 20억년 동안 일어난 것입니다. 이 두 가지를 연결한 생명체가 바로 위대한 시아노박테리아이니 시아노 혁명이라고 일컬을 만 합니다.


PS II의 전자전달계를 살펴보면, P680이 빛 에너지(photon)를 흡수하여 들뜬 상태가 된 전자가 티로신(Tyr), 페오피틴(pheophytin)을 거쳐 플라스토퀴논 A (plastoquinone, QA)로 전달되고, 플라스토퀴논 B (QB)를 거쳐 시토크롬(cyt) b6f 복합체로 전달됩니다

이 시토크롬(cyt) b6f 복합체에서 전자 중 하나는 2Fe-2S(-황 복합체), 시토크롬 f, 플라스토시아닌(plastocyanine, PC)을 거쳐 PS I으로 전달됩니다.


PS I의 전자전달계를 살펴보면, P700이 빛 에너지(photon)를 흡수하여 들뜬 전자가 A0 (modified chlorophyll A0), A1 (phylloquinone A1), Fx (4Fe-4S), FA (FeSA), FB (FeSB)를 거쳐, 최종적으로 페레독신(ferredoxin, Fd)에 전달됩니다

이렇게 전달된 전자는 페레독신-NADP+ 환원효소(FNR, ferredoxin-NADP+ reductase)로 전달되어 NADP+ NADPH로 환원시키는 반응이 일어납니다



PS II는 물 분해로 얻은 전자로서 손실된 전자를 보충합니다(OEC, oxygen-evolving complex). 

그리고 H+lumen에 많아지게 되므로 농도 차로 인하여 ATP 합성효소가 작동하여 ATP를 만들어내는 것입니다.



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PS II는 무려 약 5천 개의 아미노산, 50개의 submodule로 이루어져 있는데, 하는 일은 앞에서 살펴본 바와 같이 결국 e-, “전자 한 개를 이동시키는 것입니다.

생명은 제어된 전자 이동이라고 말할 수 있습니다.

 

 

점심시간


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서래주꾸미에서 점심식사를 하였습니다. 조별로 앉아서 공부한 이야기도 하고 일주일간 있었던 일들도 이야기합니다.

 

 

1 30분, 오후 강의는 호흡에 대한 내용으로 시작되었습니다.


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미토콘드리아에서 일어나는 호흡 과정을 오전에 그렸던 광합성 과정 바로 아래에 대칭으로 그리니, 두 가지의 유사한 점과 차이점이 한눈에 보입니다.



NADH 탈수소효소(dehydrogenase, 탈수소 반응을 촉매)에 의해 NADH NAD+ H+로 분해되고, 빠져 나온 전자 2개가 FMN (flavin mononucleotide), Fe-S를 거쳐 Q (ubiquinone)로 전달됩니다. 이 과정에서 4개의 H+가 막간 공간으로 수송됩니다.


전자 중 하나는 2Fe-2S, cyt C로 전달되고, 다른 하나는 cytbL, cytbH를 거쳐 Q로 돌아가게 됩니다

cyt C로 전달된 전자는 다시 CuA, cyt a, cyt a3, CuB로 전달되고 산소를 환원시켜 물(H2O)이 생성됩니다.

 

그리고 광합성과 마찬가지로 H+ 농도 차에 의하여 ATP 합성효소가 작동하여 ADP와 인산으로부터 ATP가 만들어집니다(산화적 인산화, oxidative phosphorylation - 미첼, 1978 노벨화학상 수상).

생명은 제어된 전자 이동이라는 것을 이 호흡 과정을 통해서도 알 수 있습니다.


 

시토크롬(cytochrome)은 전자 이동 단백질로서 역할을 하는데, 빛 흡수 잘 되는 band에 이름을 붙여 cytochrome c, c1, b, f 등으로 분류한다고 합니다.

Fe-S, PC(플라스토시아닌), cyt(시토크롬) C 전부 전자 1개를 이동시키는 셔틀 역할을 하고, ATP 합성효소는 양성자 통로이므로,

생명은 전자와 양성자의 이동이라고도 할 수 있습니다.


 

광합성은 물을 분해하고, 호흡은 산소에서 물을 합성하는 것이니, 결국 물에서 와서 물로 가는 것입니다. , 이러한 과정은 전자와 양성자를 떼었다 붙였다 하는 과정임을 확인하였습니다.

광합성과 호흡은 짝반응으로 같이일어나는 과정이니, 당연히 두 가지 모두 알아야 합니다.


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광합성은 생명 현상 중 가장 놀라운 사건이라고 할 수 있습니다.

물 분해형 광합성을 통하여 기체 상태의 산소가 만들어지게 되었고, 지구의 산소 대기 농도가 20억 년 전부터 조금씩 상승하여, 현재 대기 중 약 20%를 차지하고 있습니다.

 

 


 

 

#14.


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6종류의 호흡을 화학식으로 적어봅니다.

다섯 가지는 메탄생성고세균, 황산염환원세균, 철 박테리아, 질소 박테리아 등에 의하여 산소 없이 일어나는 호흡이고, 마지막에 적은 호흡이 바로 미토콘드리아에서 일어나는 산소를 이용한 호흡입니다.



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황화수소(H2S)물만큼 중요하다는 것을 여러 번 강조하였습니다.

20억 년 전 지구의 깊은 바닷속을 지배했는데, 뉴질랜드 등 화산지대에 가면 지금도 황 원자를 눈으로 볼 수 있습니다. (세계테마기행 학습탐사 뉴질랜드, 남미편 다시 보기)



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쉬는 시간, 강원희 교수님이 히말라야에 다녀오신 후 강원도에서 직접 재배한 커피를 지난주에 가져오셨는데, 오늘 드디어 핸드드립 커피로 맛을 보게 되었습니다.

그리고 백미현 선생님이 키위와 약식을, 폴리아데스님도 귤, 과자 등 간식을 준비해주셨습니다.



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오후 4시부터 1시간동안 암기테스트 시간을 가졌습니다.

노트를 보지 않고 공부한 내용을 암기하여 적는 회원도 있지만, 아직 많은 회원들이 노트를 참고하여 보면서 적는 상황이라, 다음부터는 암기테스트 시간을 줄이고 다른 방법으로 진행해보기로 하였습니다.


 

 

오후 5, 보충 설명이 이어집니다.


황산, 질산, 인산, 탄산이 각각 황산염, 질산염, 인산염, 탄산염으로 바뀌는 과정을 화학식으로 적어보았습니다.

황산염에 Ca2+이 결합하면 CaSO4, 석고가 되며,

탄산염에 Ca2+이 결합하면 CaCO3, 즉 대륙을 만든 석회암이 됩니다.

 

그리고 CO2 + H2O 가 결합하면 H2CO3, HCO3-, CO32- 모두 생길 수 있으니, ‘대충 알지 말자고 하였습니다.



 

이어서 오늘의 마지막 프레임입니다.


#15.

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산소 O2 95%는 문제없는 H2O로 되지만, 5%는 활성산소가 됩니다.

이중 활성산소를 살펴보면, 산소가 전자 1개를 받으면 superoxide라고 불리는 free radical(자유기)이 되고,

전자를 2개 공급받으면 H2O2(과산화수소)가 되며,

전자를 1개 더 받으면 · OH (hydroxyl radical)이 생성되고,

여기에 전자 1개가 더 공급되면 H2O가 됩니다.

hydroxyl radical이 세포내 독성을 유발하고 노화의 과정에 관여합니다.

 

 

이외에 추가적으로

Fe2+는 물에 녹고 Fe3+는 물에 녹지 않으니, 이를 이용하여 O2-를 문제없는 O2로 바꾸는 과정을 화학식으로 적어보았습니다.

Fenton reaction의 · OH (hydroxyl radical)이 박테리아를 죽이므로 하수처리과정에 이용된다는 것과, 수십만 명이 사망한 원자폭탄 방사능과 관련된 물 분해과정 화학식도 알게 되었습니다.



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마지막 프레임 강의를 마친 후, 회원들이 공부한 노트를 점검해보았습니다.


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일주일 동안 얼만큼 노트를 썼는지 보면 공부량을 알 수 있는데요, 열심히 공부한 회원들은 노트 한 권을 거의 다 쓴 것을 확인하였습니다. 박사님이 일주일 동안 또 한 권의 노트를 쓰자고 하였습니다.




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그리고 어떻게 노트를 썼는지도 확인해 보았는데요. 노트는 힘들게 정서하는 것이 아니고 편안하게 연습하는 것이라고 다시 한번 강조하였습니다. 만년필을 이용하면 힘이 많이 들지 않아 도움이 됩니다. 노트 연습이 잘 된 회원 몇 분의 노트를 보았습니다.


 

그리고 지난주까지 공부한 프레임(#1~12)에 비하여 이번주와 다음주부터 학습할 프레임들은 부담이 많이 적어질 것이니, 중간에 포기하지 말고 완주하도록 격려하였습니다.


 

지금까지 학습한 내용 중 특히 중요한 필수 암기사항은

#1. 아미노산 20개 중 4가지: aspartate, asparagine, glutamate, glutamine

#4. 해당작용(glycolysis)

#10. β-oxidation 과정 입니다.


 

 

마지막으로 박자세 사이트 게시판에 올라온 글과 지난 박자세 학습탐사 사진들도 보았습니다. 과학리딩모임 끝나기 전 3월 초에 국내탐사가 정기총회와 더불어 진행될 예정이라고 합니다.

 

 

이후 조선옥으로 이동하여 저녁식사를 한 후 오후 8시경 과학리딩모임을 마쳤습니다.

그럼, 2 11일 다음 과학리딩모임에서 뵙겠습니다.