카로티노이드 기능

카로티노이드는 다수의 공액이중결합을 갖는 선형 색소로서 주로 400~500nm 영역의 빛을 흡수하기 때문에 주황색을 띤다. 산소 유무에 따라서 카로틴과 크산토필로 나뉜다. 크산토필은 카로틴과 유사한 구조이지만 산소를 포함한다는 점에서 차이가 있다. 산소는 수산기 혹은 에폭사이드(epoxide) 형태로 존재한다. 따라서 카로틴보다는 극성이 크기 때문에 크로마토그래피를 통해서 두 색소를 분리할 수 있다. 카로틴이 크산토필보다 좀 더 오렌지색을 띤다. 크산토필이라는 이름은 잎에서 색소를 분리하는 과정에서 발견된 노란색 색소를 명명하는 과정에서 노란색과 잎을 뜻하는 그리스어 크산토스(xanthos)와 필론(phyllon)에서 유래하였다. 광합성을 하는 모든 생물에서 발견되는데, 광합성 기구를 구성하는 광계1과 광계2 그리고 시토크롬 b₆/f 복합체에서 발견된다. 흡수된 빛 에너지가 엽록소로 전달되기 때문에 광합성 보조색소라고 불린다. 또한 광보호 기능을 갖고 있기도 하다.

목차

광합성에서 카로티노이드는 광수확과 광보호기능이 있다. 엽록소가 흡수하지 못하는 가시광선 영역대의 빛을 흡수한다.¹⁾ 흡수된 들뜬 에너지는 엽록소 b와 a를 거쳐 반응중심 P₆₈₀ 혹은 P₇₀₀으로 전달된다. 들뜬 반응중심에서 광산화반응이 일어나면 일련의 전자전달계를 거쳐서 NADPH가 생성된다. 이 과정에서 광인산화가 수반되면서 ATP도 합성된다.

광합성 기구는 활성산소종의 축적에 의해서 손상되는 광억제가 일어난다. 과잉 빛 세기 조건에서 들뜬 반응중심 P₆₈₀은 단일항 상태(¹Chl)에서 삼중항 (³Chl) 상태로 전환될 확률이 증가한다. 인접한 삼중항 상태의 산소(³O₂)와 반응하게 되면 단일항 산소(¹O₂)로 변환된다. 단일항 산소는 반응성이 크므로 인접한 단백질이나 지방을 산화시킨다. 그 결과 광억제가 유도된다. 카로티노이드는 2가지 기전으로 광보호 기능을 한다.¹⁾ 첫째는 ³Chl을 ¹Chl으로 되돌림으로써 활성산소종의 생성 기회를 축소하는 경우이다. 삼중항 상태의 엽록소와 인접해 있을 경우, 엽록소는 들뜬에너지가 카로티노이드로 전달된 후 다시 단일항 상태로 되돌아간다. 들뜬 카로티노이드는 에너지를 열로 발산시킨 후 바닥상태로 되돌아간다. 두 번째 방법은 카로티노이드가 활성산소와 반응하여 산화되는 경우이다. 단일항 산소종과 같은 활성산소종이 카로티노이드와 결합하면 카로티노이드의 산화가 수반된다.

광합성에서 카로티노이드의 항산화 기능 (출처:한국식물학회)

크산토필 회로 (출처:한국식물학회)

크산토필 회로는 광합성 기구에서 과량의 빛에너지를 열로 소산하는데 관여하는 세 종류의 카로티노이드, 즉, 비올라크산틴, 안테라크산틴, 제아크산틴으로 구성된 회로이다.²⁾ 약한 빛 조건에서 엽록체는 주로 비올라크산틴 형태를 갖고 있다. 강합 빛 조건에서 비올라크산틴은 안테라크산틴을 거쳐서 제아크산틴으로 전환된다. 비올라크산틴은 양쪽 끝의 방향족 고리에 산소가 하나씩 있는 에폭시기를 2개 갖고 있는 반면 안테라크산틴은 1개를 가지고 있다. 제아크산틴은 에폭시기를 갖고 있지 않다. 크산토필 회로는 에폭시기가 제거되는 탈에폭시화와 형성되는 에폭시화 과정으로서 각각 비올라크산틴 탈에폭시화효소(violaxanthin de-epoxidase)와 제아크산틴 에폭시화효소(zeaxanthin epoxidase)에 의해서 매게된다. 탈에폭시화는 강한 빛 조건에서 틸라코이드 루멘이 산성화가 되었을 때 유도된다. 이때 비타민 C가 전자 공여체로 사용된다. 반면에 탈에폭시화는 암 상태나 약한 빛 조건에서 유도되는데 전자전달과정에서 생성된 환원력인 NADPH가 전자 공여체로 사용된다. 제아크산틴이 열 소산 효율이 제일 높고 안테라크산틴이 중간 정도인 반면 비올라크산틴이 제일 낮다. 따라서 크산토필 회로의 열 소산 활성은 총 크산토필 함량에서 제아크산틴과 안테라크산틴이 차지하는 비율, 다시 말해서 탈에폭시화 정도(de-epoxidation state = [Z +1/2 V]/[Z+A+V])로 나타낼 수 있다.

야외에서 생육된 식물에서 크산토필 카로티노이드 함량은 일주기적인 변화를 보인다. 예를 들어 하루 중 빛이 제일 센 정오에는 제아크산틴과 안테라크산틴이 40% 이상을 차지하는 반면 새벽이나 저녁에는 10% 수준으로 떨어지진다. 그 양적인 변화가 매일 반복되는 일주기성(diunral cycle)을 보인다. 또한 음지식물보다 양지식물이, 약한 빛 보다 강한 빛 조건에서 생장한 식물의 잎에서 제아크산틴과 안테라크산틴 함량이 높다. 겨울을 나는 식물에서 광합성을 수행하는 잎에서도 빛이 흡수되지만 캘빈회로가 잘 작동하지 못하기 때문에 과잉 빛 조건에 노출된다. 이러한 조건에서는 일주기성을 보이지 않고 하루 종일 제아크산틴 함량이 높은 수준을 유지하는데, 이는 저온 혹은 동결조건에서 광합성 기구가 광억제되는 것을 보호해 준다.³⁾

크산토필 함량의 일중 변화Taiz L, Zeiger E (2010) Photosynthesis: Physiological and Ecological Considerations. In Plant Physiology(4th ed). Sinauer Assoicates Inc. Sunderland, 197-220 (출처:한국식물학회)

크산토필 회로는 빛 에너지를 열로 소산시킨다. 지금까지 두 가지 가설로 이 과정을 설명하고있다. 첫 번째는 공액사슬을 9개 갖고 있는 비올라크산틴은 광합성 반응중심으로 에너지를 전달할 수 있지만, 11개를 가진 제아크산틴의 경우, 들뜬 에너지 준위가 엽록소를 활성화시킬 수 있는 에너지보다 낮기 때문에 반응중심 엽록소로 전달될 수 없다는 점에서 착안되었다.⁴⁾ 강한 빛 조건에서 제아크산틴에 의해서 흡수된 빛 에너지는 반응중심으로 전달되지 못하고 열 형태로 에너지를 소실하면서 바닥상태로 되돌아온다. 또 다른 가설로는 비올라크산틴이 제아크산틴으로 전환되면 그 결과 광계2의 광수화색소 II(LHCII)가 서로 모여서 응집된 결과로 설명한다. 광계2의 구성원인 psbS와의 결합을 통해서 LHCII에서 반응중심 P₆₈₀으로의 빛 에너지 전달효율을 감소시킴으로써 최종적으로 에너지 소멸자 역할을 한다.⁵⁾

1. Farakibu C, Torzillo G (2017) Carotenoids. IntechOpen, 143-157
2. Jahns P, Latowski D, Strzalka K (2009) Mechanism and regulation of the violaxanthin cycle: the role of antenna proteins and membrane lipids. Biochim Biophys Acta, 1787: 3-14
3.
4. Frank HA, Cua A, Chynwat V 등 (1994) Photophysics of the carotenoids associated with the xanthophyll cycle in photosynthesis. Photosynthe Res, 41: 389-395
5. Correa V, Poschmann G, Melzer 등 (2016) PsbS interactions involved in the activation of energy dissipation in Arabidopsis. Nat Plants, 2: 15225