광합성은 태양으로부터 복사되는 모든 파장 범위의 에너지 중에서 특정 파장 부분의 에너지에 의하여 진행된다. 광합성의 첫 번째 단계에서 수확된 태양빛 에너지는 ATP 형성을 이끌어낸다
ATP, 환원된 조효소 및 화학삼투는 생체 에너지 대사에 중요한 역할을 한다
물질대사(혹은 대사, metabolism)는 작은 단계로 수행되고 화학에너지의 운반체로써 조효소가 관여한다.
아데노신삼인산(adenosine triphosphate; ATP)은 세포 내에서 에너지
화폐로서 역할을 한다. ATP의 가수분해는 많은 양의 자유에너지를 방출한다.
산화(oxidizization)에서 물질은 다른 물질에 전자를 전달함으로 잃어버리고, 그럼으로써 다른 물질은 환원(reduction)을 한다. 이러한 산화환원반응(redox reaction)은 많은 양의 에너지를 전달한다.
조효소 NAD'(nicotinamide adenosine dinucleotide: 니코틴아미드 아데노신 디뉴클레오티드)는 생물학적 산화환원반응에서 주요한 전자운반체이다. 이것은 두 형태로 존재하며, 하나는 산화형(NAD')이고 다른 하나는 환원형(NADH)이다.
산화적 인산화(oxidative phosphorylation)에서 ATP는 환원된 조효소의 재산화에서 유래하는 에너지를 이용하여 형성된다. 이는 막 사이의 양성자 기울기가 ATP 형성의 힘을 제공하는 화학삼투(chemiosmosis)에 의존한다. 원핵생물에서는 이 과정이 원형질막에서 일어나고, 진핵생물에서는 미토콘드리아와 엽록체에서 일어난다.
산소 존재 시 탄수화물 이화작용은 많은 양의 에너지를 방출한다
유산소 포도당 이화작용의 순차적 경로는 해당과정(glycolysis), 피루브산산화(pyruvate oxidation) 그리고 시트르산 회로(citric acid cycle)이다.
해당과정에서 세포질에서 일어나는 일련의 열 가지 효소촉매반응이 포도당을 두 분자의 피루브산(pyruvate)으로 전환한다. 일부 에너지가 방출되고 ATP와 NADH로 포획된다.
다음 경로인 피루브산 산화는 해당과정을 시트르산 회로에 연결한다. 피루브산 산화는 피루브산을 2-탄소 분자인 아세틸 CoA(acetyl CoA)로 전환한다.
시트르산 회로에서 8단계로 된 효소촉매반응이 아세틸 CoA CO로 완전히 산화한다. 많은 에너지가 방출되고 대부분은 NADH 형태로 포획된다.
NADH에 있는 에너지는 일련의 전자전달(electron transfer) 운반체와 화학삼투에 의해 ATP를 만드는 데 사용된다.
산소 없이 탄수화물의 이화작용은 소량의 에너지를 방출한다
O2가 없으면, 해당과정 다음에 발효(fermentation)가 일어난다. 이들 경로는 다 함께 피루브산을 부분적으로 산화시켜 젖산이나 에탄올과 같은 최종산물을 생성한다. 이 과정에서 NAD'가 해당과정이 지속되도록 NADH로부터 재생되고, 따라서 소량의 ATP가 만들어진다.
포도당 한 분자마다 발효는 사용된 두 분자의 ATP를 생성한다. 반면에 해당과정, 피루브산 산화, 시트르산 회로 및 산화적 인산화는 포도당 한 분자당 32 분자의 ATP를 생성한다.
이화작용과 동화작용의 경로는 통합되어 있다
탄수화물, 지방, 단백질의 분해를 위한 이화작용 경로는 에너지를 수확하는 대사 경로의 원료를 공급한다.
동화작용 경로는 에너지를 수확하는 경로의 중간산물을 사용하여 지방, 아미노산 및 다른 필수적 조립단위를 합성한다.
해당과정과 시트르산 회로의 중간산물로부터 포도당의 형성은 포도당신생합성(gluconeogenesis)이라 부른다.
해당과정과 시트르산 회로의 효소는 알로스테리 조절을 비롯한 다양한 기작에 의해 조절된다. 과다한 아세틸 CoA의 지방산 합성으로 전환된다.
광합성에서 빛에너지는 화학에너지로 전환된다.
광합성의 명반응(light reaction)은 빛에너지를 화학에너지로 전환한다. 이 반응은 ATP를 생성하고 NADP를 NADPH로 환원한다.
빛은 전자기 복사(electromagnetic radiation)의 한 형태이다. 빛은 광자(photon)라 부르는 입자로 방출되지만 파장 성질을 가진다. 가시광선 스펙트럼의 빛을 흡수하는 분자는 색소(pigment)라 부른다. 광합성 생물은 몇 가지 색소를 가지며, 가장 두드러지는 것이 엽록소(chlorophyll)이다.
광자의 흡수는 엽록소 분자를 바닥상태보다 더 많은 에너지를 가진 들뜬상태로 만든다. 이 에너지는 다른 엽록소를 경유하여 관계의 반응중심(reaction center)에 있는 엽록소로 전달된다.
들뜬 엽록소는 환원제로 작용하여 들뜬 전자를 다른 분자에 전달한다. 산화된 엽록소는 HO를 쪼갬으로써 전자를 다시 획득한다.
틸라코이드막에서 광계 I과 II 그리고 비순환적 전자전달계는 산화적 인산화를 통해 ATP를 생산한다. NADPHO도 생성된다.
순환적 전자전달(cyclic electron transport)은 광계 만을 사용하여 ATP만을 생산한다.
광합성 생물은 화학에너지를 사용하여 CO2를 탄수화물로 전환한다
탄소고정반응, 즉 캘빈 회로(Calvin cycle)는 CO로부터 탄수화물을 만든다. 이 회로는 세 과정, 즉 CO, 고정, 환원과 탄수화물 생성 그리고 RuBP의 재생으로 구성된다.
RuBP는 첫 번째 CO2 수용체이고, 3PG는 CO, 고정의 안정된 첫 번째 산물이다. 효소 루비스코(rubisco)는 CO2와 RuBP가 작용하여 3-인산리세르산(3PG)을 형성하는 반응을 촉매 한다.
명반응에 의해 형성된 ATP와 NADPH는 글리세르알데히드 삼인산(glyceraldehyde 3-phosphate: G3P)을 형성하기 위한 3PG 환원의 연료로 사용된다.
식물은 광합성의 비효율성에 적응한다
루비스코는 RuBP CO 뿐만 아니라 O 를 첨가하는 반응을 촉매 한다. 온도가 높고 CO, 농도가 낮을 때 루비스코가 산소화효소(oxygenase)로 작용한다. 그 결과는 광호흡(photorespiration)이고, 이는 광합성 효율을 상당히 감소시킨다.
식물(C4 plant)에서 CO2는 엽육세포에서 PEP와 반응하여 4-탄소 중간산물을 형성한다. 잎 내부의 다발집세포(bundle sheath cell)에서 4 탄소 산물은 CO2를 방출한다.
CAM 식물(CAM plant)은 C. 식물과 매우 비슷하게 작동하지만, CAM식물에서 PEP 카복실화효소에 의한 최초의 CO, 고정은 C, 식물의 경우처럼 캘빈회로와 공간적보다 시간적으로 분리되어 있다.