일반생물학 및 실험 (1) 엽록체 세포소기관 현미경 관찰 및 광합성에 의한 산화환원 반응 유도-관찰 실험 보고서

실험제목 및 날짜

 

본 보고서는 2023년 6월 1일 일반생물학(1) 실험 수업 중 ‘현미경을 사용한 엽록체 세포소기관 관찰 및 광합성에 의한 산화환원 반응 유도-관찰 실험’에 대한 보고서입니다.

 

서론

광합성

 

광합성은 식물들이 태양 빛을 사용하여 이산화탄소와 물로 포도당과 같은 생명활동에 필요한 유기 분자들 화학적으로 합성하는 과정입니다. 이러한 광합성은 빛 에너지를 종속영양생물들이 사용할 수 있는 화학에너지로 변환한다는 점에서 의의를 가지고 있습니다. 이러한 광합성 과정으로 생성된 유기분자들은 지구상 모든 생물들에게 직접적 또는 간접적으로 에너지를 제공합니다. 특히 직접적으로 태양에너지를 사용할 수 없는 종속영양생물들은 소비자와 분해자를 포함하는데 이들에게 유기물질들을 제공합니다.

또한 광합성은 물을 분해하여 산소를 발생시킨다는 점에서 과거 산소가 없던 지구에 산소를 공급하여 바다속 생물들을 육상으로 진출시켰다는 점에서 큰 의의를 가지고 있습니다.

 

광합성이 일어나는 장소는 엽록체라고 하는 세포소기관입니다. 엽록체는 광합성을 하는 식물의 잎에 존재하며 엽록소라 불리는 색소를 가지고 있어 초록 빛을 띠게 됩니다. 엽록소는 초록색 빛을 반사하고 다른 색의 빛은 흡수하는데 엽록소의 종류로는 클로로필 a, 클로로필 b, 카로티노이드, 잔토필, 클로로필 f 등이 있습니다. 클로로필 a 가 주된 역할을 하는 반면, 보조 색소들은 흡수하는 빛의 범위를 넓혀주고 과도한 빛으로부터 잎을 보호하는 역할을 하고 있습니다.

 

광합성은 명반응과 암반응으로 구분됩니다. 명반응은 틸라코이드에서 발생하며 암반응에 필요한 ATP와 NADPH를 생산해내는 역할을 합니다. 명반응은 빛을 사용하여 물 분자를 분해하는데 따라서 빛이 반드시 있어야 진행이 가능한 반응입니다. 암반응은 직접적으로 필요하지 않는 반응으로 스트로마에서 진행되는 반응입니다. 암반응에는 캘빈회로가 돌아가서 포도당 생성의 초기산물인 3 탄당을 생산해냅니다. 캘빈회로는 ATP가 소모되기 때문에 주로 명반응과 동시적으로 진행됩니다.

 

실험목적

 

담배잎에서 추출한 엽록체를 직접 현미경으로 관찰하여 엽록체의 형태와 색을 숙지하며, 각각의 시험관 속에서 광합성이 일어나지 않는 실험군과 광합성이 일어나는 대조군을 설정하여 광합성의 발생을 용액의 색 변화를 통해 간접적으로 관찰하고 이해합니다.

 

실험결과 (그래프, 표, 사진 등)

 

 

• 사진 #1: 좌측의 용액은 빛에 노출시킨 용액입니다. 우측 시험관 속 용액은 쿠킹호일을 감싸 빛으로부터 차단하였습니다. 빛이 차단된 우측 시험관은 푸른빛이 도는 반면, 빛에 수 분동안 노출된 좌측 시험관속 용액은 푸른빛이 완전히 사라진 것이 관찰되었습니다.

 

• 사진 #2: 1000배율 현미경을 사용하여 엽록체를 관찰하였습니다. 엽록소 내에 존재하는 엽록소 색소들은 초록색 빛을 반사하고 초록색을 제외한 나머지 빛을 흡수합니다. 따라서 엽록체는 초록색을 띠는 것으로 관찰되었습니다.

 

discussion

실험결과분석

 

DCPIP(다이클로로페놀인도페놀)은 산화환원을 관찰하는 지시용액으로 산소와 만나 산화될 경우, 산화되었을 경우 푸른색이지만 환원되었을 경우 무색을 띠게 됩니다. 이때 산화,환원의 정의를 파악할 필요가 있는데 수소 또는 전자를 얻었을 때 환원, 산소를 얻었을 때 산화라고 정의합니다. 본 실험의 경우, 시험관 내에서 광합성 빛반응이 일어날 경우, 물이 분해되어 산소가 만들어집니다. 이때 DCPIP용액이 산소를 얻어 산화되면 푸른 빛의 용액이 투명하게 변하게 됩니다. 이때 엽록체 현탁액은 광합성 색소로 인해 여전히 초록빛을 띠고 있기 때문에 시험관속 용액은 푸른빛이 사라진 초록색으로 변하게 됩니다.

 

상기 첨부한 사진#1 자료를 보면, 좌측의 광합성이 일어난 시험관 속 용액이 우측의 용액보다 현저히 옅은 빛을 띠는 것을 확인할 수 있습니다. 이것은 DCPIP용액이 산화되어 무색으로 변했기 때문이고 따라서 좌측의 용액에서는 광합성이 일어났다는 사실을 알 수 있습니다.

 

실험 재료 및 실험기구

 

DCPIP 용액, N. Benthamiana, 커터칼, LM, 슬라이드글라스, 커버글라스, 광원(휴대폰 조명 등), ALuminume Foil, Phospate 버퍼

 

세부 실험 진행 과정

 

1. 광학현미경을 사용하여, 엽록체 현탁액 속 엽록체를 관찰한다. 세포소기관인 엽록체의 관찰이 목적이므로 1000배율까지 확대하여 관찰합니다.

 

2. 서로 다른 두 개의 시험관은 준비한 후, 알루미늄 호일을 사용하여 하나의 시험관을 2겹 이상 잘 포장하고 주기합니다.

 

3. 다른 시험관에도 주기하여 두 시험관이 섞이지 않도록 합니다.

 

4. 각각의 시험관에 400 마이크로리터 엽록체 현탁액과 100마이크로리터 DCPIP용액을 넣습니다.

 

5. 알루미늄 호일을 감싸지 않은 시험관을 빛에 노출시킨 후 색이 바뀌는 것을 관찰한다. 이후 빛으로부터 차단된 시험관 속 용액과의 색 변화를 비교합니다.

 

Further study

 

1. 광합성의 빛반응에 대하여 상세히 서술하시오.

 

광합성의 과정은 크게 두가지로 나누어볼 수 있습니다. 바로 명반응과 암반응입니다. 이때 명반응은 빛반응이라고도 합니다. 이름에서 알아낼 수 있듯이 명반응은 빛이 직접적으로 필요한 반응입니다. 빛반응 과정은 틸라코이드 막에서 일어나며 유기분자가 만들어지지 않지만 유기분자 합성에 필요한 에너지를 만드는 단계입니다. 실질적인 유기분자의 합성은 암반응에서 일어나며 이때 필요한 ATP와 NADPH가 빛반응에서 만들어집니다. 빛반응에 빛이 필요한 이유는 바로 물 분자를 쪼개기 위함입니다. 물 분자를 쪼개면 수소원자와 전자, 산소가 나오게 됩니다. 빛에너지는 또한 광계의 집광복합체에 에너지를 가해 반응중심 복합체로 에너지 를 전달합니다. 이렇게 전달된 에너지는 반응중심복합체 중심의 한 쌍의 엽록소 a로 모아지며 이곳에서 전자가 에너지를 받아 튀어오르게 됩니다. 에너지 준위가 높은 이 전자를 1차 전자수용체가 신속하게 받아서 에너지의 손실이 발생하지 않도록 한 뒤 전자전달사슬로 전달합니다. 전자전달 사슬은 플라스토퀴닌-사이토크롬 복합체- 플라스토시아닌으로 이루어져 있고 이곳에서 전자를 주고받으며 각각의 단백질 복합체들은 산화와 환원이 반복되며 수소원자를 틸라코이드 내부로 능동수송하게 됩니다. 전자전달사슬을 지난 전자는 광계 1에 도착하게 되는데, 이곳에서 동일하게 1 차 전자수용체에 의해 잡히게 되고 페레독신을 거쳐 NADP환원효소에 의해 NADPH를 형성하게 됩니다. 전자전달사슬로 인해 펌핑된 수소원자는 ATP 합성효소에 의해 ATP 생성을 하게 됩니다.

 

광합성의 빛반응에는 순환적 전자흐름과 비순환적 전자흐름의 두 가지 방법이 작용 메커니즘이 있는데, 상기 서술한 내용은 비순환적 전자흐름에 의한 빛반응입니다. 순환적 전자흐름의 경우 광계2가 존재하지 않고 광계1만이 존재합니다. 빛이 광계1의 p700색소의 전자를 흥분시키면 전자는 1차전자수용체로 이동하고 이후 페러독신과 사이토크롬 복합체, 플라스토시아닌을 거쳐 다시 광계1로 되돌아 오는 작용기전을 보입니다.

 

2. Hill 반응을 억제하는 제초제와 uncouple의 종류 및 이들의 작용기작에 관하여 서술하시오.

 

Hill 반응을 막는 제초제의 종류는 atrazine, metribuzin, bentazone, diuron 등이 있습니다. hill 반응이란 Hill이란 과학자가 광합성을 연구하던 중 유기분자의 생성 없이도 산소가 발생하는 현상을 발견하였는데 이것은 이후 광합성 과정의 한 부분을 차지하는 빛반응으로 밝혀졌습니다. 상기 제초제는 이러한 빛반응을 억제하는 약품으로 좀더 정확한 작용기전은 후술과 같습니다. 광합성의 빛반응은 한 쌍의 엽록소a로부터 나온 전자의 이동이 의해 발생하는데 이 전자는 전자전달사슬을 따라 이동합니다. 이때 전자를 주는 전자전달복합체보다 전자를 받는 전자전달복합체는 전기음성도가 더 커서 기존의 복합체에서 전자를 뺏어오게 되는데 이러한 전자전달 복합체에 제초제의 성분이 결합하여 전자가 결합되지 못하도록 합니다. 따라서 전자는 이동하지 않게 되어 광합성의 빛반응이 멈추게 됩니다.

 

3. chloroplast의 형태적인 특징에 관하여 서술하시오

 

엽록체는 외관상으로 구균과 같은 둥근 모양을 하고 있습니다. 엽록체는 이중막구조로 되어 있습니다. 각각의 막은 인지질 이중층으로 구성됩니다. 가장 바깥의 막을 외막, 안쪽 막을 내막, 두 막 사이 공간을 막간강이라고 합니다. 엽록체의 내막 안에는 그라나 라고 하는 동전모양의 소기관이 쌓여있습니다. 이러한 그라나들을 틸라코이드라고 하는데 틸라코이드는 흡사 동전들을 쌓아 놓은 형태와도 유사합니다. 이 틸라코이드 내부에서 빛반응이 일어나며 틸라코이드 막에 전자전달계가 박혀있어 전자전달과 화학삼투가 일어납니다. 틸라코이드는 막의 표면을 최대화하는 형태를 취하고 있는데 흡사 미토콘드리아의 내막, 크리스테와 유사점을 보입니다. 접혀있는 틸라코이드 막은 표면적을 극대화하여 수천개의 전자전달 복합체를 수용할 수 있습니다. 틸라코이드의 외부를 스트로마라고 하는데 스트로마는 점성이 있는 액체로 채워져 있습니다. 이곳에서 광합성의 캘빈회로가 돌아갑니다. 엽록체는 초록색을 띠고 있는데 그 이유는 엽록체 내의 엽록소라고 하는 색소가 존재하기 때문입니다. 이 엽록소는 초록색 빛을 제외한 가시광선을 흡수하여 광합성에 필요한 빛에너지를 전달합니다. 엽록체는 자체적인 dna를 가지고 있고 원핵생물과 비슷한 모양을 하고 있는 성질은 내부공생 이론을 뒷받침하는 근거로 작용합니다.

 

Reference

• Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Reece, J. B., & Campbell, N. A. Campbell biology. Eleventh edition. New York, NY, Pearson Education, Inc.; 2021.