암반응(또는 탄소 고정 반응)의 핵심 과정인 캘빈 회로(Calvin Cycle)는 광합성의 두 번째 단계로, 엽록체의 스트로마(Stroma)에서 일어납니다. 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 에너지원으로 사용하여 대기 중의 이산화탄소($CO_2$)를 유기물(당)로 전환하는 과정입니다.
캘빈 회로는 크게 1) 탄소 고정, 2) 환원, 3) RuBP 재생의 세 단계로 나뉩니다. 구체적인 과정은 다음과 같습니다.
1. 탄소 고정 단계 (Carbon Fixation)
이 단계는 대기 중의 이산화탄소를 유기 화합물에 결합시키는 과정입니다.
- 반응: 5탄소 화합물인 RuBP(리불로스 1,5-이인산)가 $CO_2$와 결합합니다.
- 효소: 이 반응은 루비스코(RuBisCO)라는 효소에 의해 촉매됩니다. (지구상에서 가장 풍부한 단백질 중 하나입니다.)
- 결과: $CO_2$와 RuBP가 만나 일시적으로 불안정한 6탄소 화합물이 되었다가, 즉시 두 분자의 3-PGA(3-인산글리세르산, 3탄소 화합물)로 쪼개집니다.
- 계수 기준 (3분자의 $CO_2$ 유입 시): 3 RuBP + 3 $CO_2$ → 6 3-PGA
2. 환원 단계 (Reduction)
3-PGA를 고에너지 상태인 당(G3P)으로 변화시키는 과정입니다. 명반응에서 얻은 에너지가 본격적으로 소비됩니다.
- 인산화: ATP가 사용되어 3-PGA에 인산기를 전달하고, 1,3-BPG(1,3-이인산글리세르산)가 됩니다.
- 환원: NADPH로부터 전자(H)를 받아 1,3-BPG가 G3P(글리세르알데하이드 3-인산, 또는 PGAL)로 환원됩니다. 이 과정에서 인산기 하나가 떨어져 나갑니다.
- 결과: 생성된 G3P는 실제 당의 형태를 갖춘 분자입니다.
- 계수 기준: 6 3-PGA + 6 ATP + 6 NADPH → 6 G3P
- 이탈: 6개의 G3P 중 1분자만이 회로를 빠져나가 포도당, 녹말, 설탕 등을 합성하는 데 사용됩니다. 나머지 5분자는 회로를 유지하기 위해 다음 단계로 넘어갑니다.
3. RuBP 재생 단계 (Regeneration of RuBP)
회로가 지속적으로 돌아갈 수 있도록 이산화탄소 수용체인 RuBP를 다시 만드는 과정입니다.
- 재배열: 회로에 남은 5분자의 G3P(총 15개의 탄소)가 복잡한 재배열 과정을 거쳐 다시 3분자의 RuBP(총 15개의 탄소)로 전환됩니다.
- 에너지 소비: 이 과정에서 다시 ATP가 소모됩니다.
- 계수 기준: 5 G3P + 3 ATP → 3 RuBP
요약 및 전체 효율 (포도당 1분자 기준)
포도당($C_6H_{12}O_6$) 1분자를 순수하게 얻기 위해서는 캘빈 회로가 6번 돌아야 합니다. (또는 $CO_2$ 6분자가 투입되어야 함)
- 투입물: 6 $CO_2$ + 18 ATP + 12 NADPH
- 산출물: 1 포도당(G3P 2분자 결합) + 18 ADP + 12 NADP+
핵심 정리
- 장소: 엽록체 스트로마
- 에너지원: 명반응 결과물인 ATP(화학 에너지)와 NADPH(환원력)
- 의의: 무기물인 $CO_2$를 생명체의 에너지원인 유기물(당)로 전환하여 생태계의 기초 에너지를 공급함.
- 특징: 빛이 직접 필요하지는 않지만, 명반응 산물이 있어야 하므로 실제로는 빛이 있는 낮에 주로 활발히 일어납니다.