공변세포에 의한 기공 개방은 세포 내 삼투퍼텐셜이 낮아지면서 수분을 흡수하여 팽압이 증가함에 따라 일어납니다. 구체적인 생화학적 기작은 다음과 같습니다.
- 광선에 의한 활성화: 햇빛을 받으면 공변세포막에 있는 $\text{H}^+$-ATPase 효소가 활성화됩니다. 이 효소는 에너지를 사용하여 수소이온($\text{H}^+$)을 세포 밖으로 방출합니다.
- 칼륨 이온($\text{K}^+$)의 유입: 수소이온 방출로 인한 전하의 불균형을 해소하기 위해, 인접한 세포(부세포 등)로부터 칼륨 이온($\text{K}^+$)이 공변세포 내로 대량 유입됩니다. 이를 '칼륨 펌프'라고 하며, 세포 내 칼륨 농도가 급격히 상승합니다.
- 유기산(말산)의 합성: 공변세포 내에 저장된 전분(starch)이 PEP 카르복실화 효소(carboxylase)에 의해 분해되어 PEP가 되고, 이것이 $\text{CO}_2$와 결합하여 옥살로아세트산(OAA)을 거쳐 말산(malic acid)이 됩니다. 말산은 해리되어 음전기를 띤 말산염(malate)이 됩니다.
- 삼투퍼텐셜의 하강과 수분 흡수: 유입된 $\text{K}^+$와 생성된 말산염 등으로 인해 공변세포의 삼투퍼텐셜이 급격히 낮아집니다. 이로 인해 주변 세포로부터 공변세포 안으로 수분이 유입됩니다.
- 팽압 증가와 기공 개방: 수분 유입으로 공변세포의 팽압이 증가합니다. 공변세포는 안쪽 벽(기공 쪽)이 두껍고 바깥쪽 벽이 얇은 구조적 특징을 가지고 있어, 팽창할 때 얇은 바깥쪽 벽이 더 많이 늘어나게 됩니다. 이로 인해 두 세포 사이가 벌어지며 기공이 열리게 됩니다.
요약하자면, 기공 개방은 햇빛에 의한 $\text{H}^+$ 방출, $\text{K}^+$ 유입, 말산 합성으로 이어지는 삼투조절 과정을 통해 공변세포가 팽창하면서 발생하는 물리적인 현상입니다.