캘빈회로

광합성 전자전달과정에서 생성된 화학에너지 ATP와 환원력 NADPH를 이용하여 이산화탄소를 유기물로 고정하는 과정이다. ATP와 NADPH 합성이 틸라코이드막에서 일어나는 것과는 달리 캘빈회로는 세포질 혹은 엽록체 스트로마에서 일어난다. 캘빈(M. Calvin), 벤슨(A. Benson), 그리고 배섬(J.A. Bassham)에 의해서 탄소동화 경로가 규명되었기에 캘빈회로 혹은 캘빈-벤슨회로라고 한다. 또한 포도당을 분해하여 지방과 같은 거대분자를 생합성하는 경로에 필요한 NADPH를 생산하는 오탄당 인산 경로와는 달리 NADPH를 이용하여 6탄당을 합성하기 때문에 환원적 5탄당 인산경로(reductive pentose phosphate pathway)라고도 한다.

목차

광합성 탄소 동화 경로는 1950년대에 캘빈, 벤슨, 배섬과 동료들에 의해 발견되었다.¹⁾ 캘빈 연구진은 녹조류인 클로렐라를 대상으로 이산화탄소가 흡수된 후 첫 번째로 생성되는 유기물을 찾고자 하였다. 이를 위해 일정한 속도로 광합성을 하고 있는 클로렐라에 방사성동위원소(C¹⁴)로 표지된 이산화탄소를 기질로 첨가하였다. 이후 일정 기간 광합성이 일어나게 한 후 끓는 에탄올 용액으로 광합성을 정지시켰다. 이어 크로마토그래피와 필름 감광법으로 C¹⁴로 표지된 대사물질을 추적하였다. 클로렐라에서 광합성이 2초 동안 진행되었을 때 거의 대부분의 방사능이 3-포스포글리세르산(3-PGA)에서 검출되었다. 이는 3-PGA가 탄소 동화의 첫 번째 안정한 산물임을 시사한다. 이 후 광합성 반응시간을 길게 하여 3-PGA로부터 유도되는 당을 검출하여 후속 반응을 결정할 수 있었다. 또한 CO₂와 결합하는 생체내 대사물질이 2개의 탄소를 갖는 2탄당 분자가 아니라 5탄당인 리불로오스 1,5-이인산(RuBP)임을 발견하였다. CO₂와 RuBP가 결합하는 카르복실화(carboxylation) 반응에 의해 6탄당의 중간 산물 2-카르복실-3-케토아라비니톨-1,5-이인산(2-carboxyl-3-ketoarabinitol-1,5-bisphosphate)이 생성된다. 이 중간산물은 불안정하기 때문에 빠르게 가수 분해되어 두 분자의 3-PGA로 분해된다. 1920년대에 반닐(Cornelus van Niel, 1897-1985)이 황화수소로부터 황이 생산되는 황세균과 같은 혐기성 광합성(2H₂S+CO₂+빛→2S+(CH₂O)+H₂O) 연구를 통해서 이산화탄소가 아니라 물이 분해되어 산소가 발생한다는 광합성의 일반식(6CO₂+6H₂O+빛→C₆H₁₂O₆)을 제안한 이래, 캘빈 연구진은 광합성 탄소 동화경로 전 과정을 밝힐 수 있었다. 광합성 탄소환원 경로는 이들의 이름을 따서 캘빈-벤슨 회로(Calvin-Benson cycle)로 명명되었다. 또한 첫 번째 탄소동화산물이 3탄당 PGA이므로 흔히 C3 회로라고도 한다. 반면에 캘빈회로 보다 앞서 CO₂가 4탄당 유기산으로 카르복실화와 탈카르복실화가 수반되는 경로를 C4 회로라 한다. C4 회로를 갖고있는 C4 식물의 광합성이 C3 식물보다 낮은 CO₂ 농도, 강한 빛 그리고 고온 조건에서 높다.

이산화탄소, 빛 세기, 온도에 따른 C3와 C4 식물의 광합성 (출처:한국식물학회)

캘빈회로는 크게 나눠서, 루비스코(RuBisCO)라는 효소에 의해서 CO₂가 리불로오스 1,5-이인산(RuBP)과 반응하는 카르복실화 단계, ATP와 NADPH를 이용하여 3-포스포글리세르산(3-phosphoglycerate, 3-PGA)을 3탄당 인산(triose phosphate)으로 전환시키는 환원반응 단계, 그리고 RuBP가 재생성 되는 3단계로 구성되어 있다. 6개의 3탄당 인산(글리세르알데히드-3-인산) 중 5개는 RuBP 재생에 이용되고 나머지 한 분자는 엽록체 내에서 녹말 합성이나 세포질로 수송된 후 설탕 합성에 사용된다. 탄소 동화 과정에서 한 분자의 CO₂가 고정되기 위해서는 2 분자의 NADPH와 3분자의 ATP가 소모된다. 광합성 탄소 환원회로에 관여하는 효소로는 (1)리불로오스-1, 5- 이인산 카르복실라아제/옥시게나아제(Rubisco), (2)3-포스포글리세르산 인산화효소(3-phosphoglycerate kinase)와 글리세르알데히드-3-인산 탈수소 효소(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase), (3)알돌라아제(aldolase), (4)과당-1, 6-비스포스파타아제(fructose-1, 6-bisphosphatase), (5)트랜스케톨라아제(transketolase), (6)알돌라아제(aldolase), (7)세도헵툴로오스-1,7-비스포스파타아제(sedoheptulose-1, 7-bisphosphatase), (8)리불로오스-5-인산 에피머라아제(ribulose-5-phosphate epimerase), (9)리보오스-5-인산 이성질화 효소(ribose-5-phosphate isomerase), 그리고 (10)리불로오스-5-인산 인산화효소(ribulose-5-phosphate kinase)가 있다. 이 중 루비스코나 과당-1,6-비스포스파타에제(FBPase), 세도헵툴로오스-1,7-비스포스파타아제(SBPase), 글리세르알데히드-3-인산 탈수소 효소(GAPDH), 리불로오스-5-인산 인산화효소(PRK)는 빛이 없는 암조건에서 불활성형이다.²⁾

광합성 탄소고정 회로 (출처:한국식물학회)

광합성 전자전달의 결과 스트로마의 산도와 Mg²⁺ 농도가 증가하고 ATP가 축적되기 시작하면, 루비스코 활성화 효소에 의해 루비스코가 활성화된다. 또한 전자전달에 의해 활성화된 페레독신-티오리독신계에 의해서 과당-1, 6-비스포스파타아제(FBPase), 세도헵툴로오스-1,7-비스포스파타아제(SBPase), 글리세르알데히드-3-인산 탈수소 효소(GAPDH)나 리불로오스-5-인산 인산화효소(PRK)가 페레독신-티오리독신 계(ferredoxin-thioredoxin system)에 의해서 활성화된다. 따라서 캘빈회로의 활성화에 빛이 필요하기 때문에 고전적으로 사용되었던 암반응(dark reaction)이란 용어는 더 이상 사용되지 않는다.²⁾

1. Bassam J, Benson A, Calvin M (1950) The path of carbon in photosynthesis. J Biol Chem, 185: 781-787
2. Taiz L, Zeiger E (2010) Photosynthesis: carbon reactions. In: Plant Physiology (4th ed), Sianuer Associates, 152-196