광계1과 광계2가 흡수할 수 있는 파장에 차이가 나는 이유는?

Question

안녕하세요. 광합성이 수행될 때 광계 2에서는 보다 에너지가 많고 짧은 파장의 빛을 잘 흡수하며, 광계 1에서는 에너지가 적고 긴 파장의 빛을 잘 흡수한다고 알고 있는데요, 어떠한 차이로 인해서 서로 다른 파장의 빛을 잘 흡수하는 것인가요?

Answer 1

질문하신 광계 I와 광계 II가 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 이유는 주로 반응 중심에 있는 엽록소 분자의 구조와 전자 배치 차이로 설명할 수 있습니다. 식물 엽록체의 틸라코이드 막에는 광계 I(PS I)와 광계 II(PS II)가 존재하는데요 이때 각 광계는 빛을 흡수하여 전자를 여기시키는 역할을 하며, 반응 중심에 특정 핵심 엽록소 a가 존재합니다. 이때 P680과 P700은 모두 엽록소 a 분자지만, 주변 단백질과 결합 환경이 달라 전자 분포와 에너지 준위가 달라지는데요, 광계 II(P680)는 상대적으로 높은 에너지를 가진 빛(짧은 파장, 680 nm)을 흡수하도록 구조가 조정되며, 반면에 광계 I(P700)는 낮은 에너지를 가진 빛(긴 파장, 700 nm)을 흡수하도록 구조가 조정됩니다. 또한 반응 중심 엽록소는 주변 단백질과 결합하며, 정전기적 상호작용과 수소 결합으로 인해 전자의 에너지 준위가 미세하게 조절되는데요, 이 때문에 동일한 엽록소라도 P680과 P700의 흡수 최대 파장이 다르게 나타납니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 정준민 전문가입니다.

광계 1과 2는 반응 중심 색소 단백질 구조와 클로로필 주변 환경이 달라, 전자 들뜸 에너지 준위가 다르답니다.

이로 인해 2는 짧은 파장 1은 긴 파장 빛을 선택적으로 흡수하는 거죠

Answer 3

결론부터 말씀드리면 각 광계의 반응 중심 엽록소 a 분자의 종류가 다르기 때문입니다.

엽록소 a는 빛을 흡수하는 핵심 색소이지만, 주변의 단백질 복합체와 어떻게 결합하느냐에 따라 흡수 스펙트럼이 달라집니다. 그래서 광계2의 반응 중심인 P680은 680nm 파장의 빛을 가장 효과적으로 흡수하도록 특화되어 있는 반면, 광계1의 반응 중심인 P700은 700nm 파장의 빛을 가장 잘 흡수합니다.

이처럼 광계마다 고유한 단백질 구조가 있어 엽록소 a 분자의 전자 상태에 미세한 영향을 주고, 그 결과 특정 파장의 빛에 대한 흡수 효율이 달라지는 것입니다.

Answer 4

광계1과 광계2가 흡수하는 빛의 파장이 다른 이유는 두 광계의 반응 중심에 위치한 특별한 엽록소 분자와 결합하고 있는 단백질의 종류 및 구조가 서로 다르기 때문입니다. 엽록소 분자 자체는 동일하지만, 주변을 둘러싼 단백질 환경의 미세한 차이가 엽록소의 전자 분포 상태와 에너지 수준을 변화시켜 가장 효율적으로 흡수할 수 있는 빛의 파장을 결정하게 됩니다. 이러한 차이로 인해 광계2는 680나노미터의 비교적 짧은 파장을, 광계1은 700나노미터의 더 긴 파장의 빛을 최적으로 흡수하는 것입니다.