엽록체

엽록체는 식물과 조류(藻類)의 세포에 존재하는 세포소기관 중 하나로, 주로 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소를 포도당으로 합성하고 산소를 만들어내는 일을 한다. 이중막 구조와 고농도의 엽록소를 가지고 있어 색소체의 일종으로 분류되며, 뚜렷한 녹색으로 보인다. 세포의 핵과는 별개로 또한 엽록체는 독자적인 DNA와 리보솜을 가지고 있고 독립적으로 분열 및 증식하는 특징이 있다.

일반적으로 종자식물의 경우 엽록체는 직경 약 5 μm 정도의 원반 모양이 주를 이루며, 세포 하나 당 수십 개의 엽록체가 존재한다. 조류의 엽록체는 별 모양, 나선 모양 등 크기와 형태가 다양하며, 엽록체의 모양은 그 조류의 중요한 특징이 되기도 한다.

백합 세포의 녹색의 엽록체. (출처: GettyimagesKorea)

목차

엽록체는 식물 세포의 대사에서 매우 중요한 역할을 한다. 이산화탄소와 빛 에너지를 이용하여 산소와 당을 만드는 광합성 반응이 그 예이다. 광합성에 필요한 많은 물질들이 엽록체에 있으며 실제로 광합성 과정 중 명반응은 틸라코이드(thylakoid) 내막에서, 암반응은 스트로마(stroma)에서 진행된다. 또한 질소 대사를 비롯한 아미노산 합성, 지방의 합성, 엽록소와 보조색소의 합성도 엽록체의 주요 기능이라 할 수 있다.

엽록체는 외막과 내막의 이중막 구조로 이루어져 있다. 내막은 구불구불하게 주름이 잡혀 있고, 외막과 내막 사이의 공간에는 그람 음성균의 특징인 두꺼운 펩티도글리칸층이 존재한다. 내막에는 원반처럼 생긴 틸라코이드가 있고 틸라코이드가 여러 개 쌓여있는 구조를 그라나(grana), 틸라코이드 내부의 빈 공간을 내강(lumen)이라 한다. 광합성 관련 효소와 단백질, 엽록소, 보조 색소는 틸라코이드 막에 있으며, 종자 식물의 경우 엽록체 내막에서 실질적인 광합성이 일어난다고 할 수 있다. 여러 틸라코이드, 혹은 그라나를 이어주는 구조를 라멜라(lamella)라고 하며 틸라코이드의 외부이자 내막 안쪽의 기질 부분을 스트로마라고 한다. 엽록체의 큰 특징 중 하나인 독자적 DNA와 리보솜이 이 스트로마에 존재한다.¹⁾

식물 세포의 엽록체 구조. (출처: 한국식물학회)

엽록체의 DNA는 주변의 여러 단백질과 함께 구조를 이루어 세포 핵처럼 보이기도 한다. 진핵생물의 경우 DNA가 히스톤(histone) 단백질에 감겨 뉴클레오솜(nucleosome)이 되고 세균의 경우 HU, DPS 같은 단백질이 그 역할을 하는데, 식물의 엽록체 DNA는 아황산 환원 효소와 함께 구조를 이룬다.

엽록체는 미토콘드리아와 함께 세포 내 공생에 의해 만들어진 세포 소기관으로 잘 알려져 있으며, 원핵생물인 남세균(cyanobacteria)에서 유래된 것으로 보고 있다. 남세균이 엽록체의 기원이라 생각되는 데에는 여러 가지 이유가 있는데, 먼저 남세균과 엽록체 모두 이중막 구조를 가지며 독자적인 DNA와 리보솜을 가지고 있다. 또한 엽록체의 이중막 사이 공간에 있는 펩티도글리칸 층은 그람 음성균인 남세균의 펩티도글리칸 세포벽에서 유래되었을 것으로 보인다. 남세균도 엽록체처럼 틸라코이드를 가지고 있으며 남세균의 틸라코이드 막에도 엽록소나 피코빌린(phycobilin)과 같은 광합성 관련 색소가 존재한다는 점도 기원에 대한 증거라 여겨진다. 이와 더불어 엽록체가 가진 두 개의 막 중에서 내막은 광합성에 관련된 단백질들로 구성되어 있는데, 남세균의 세포막도 태양 에너지를 이용한 광합성을 하는 데 중요한 역할을 한다는 점은 엽록체와 남세균의 기능적 유사성을 잘 보여준다.

1. Buchanan BB, Gruissem W, Jones RL. (2000) Biochemistry & Molecular Biology of Plants. PP. 282-294