[일반생물학실험]광합성 색소의 분리

실험 목적

식물은 잎에 존재하는 여러 광합성 색소를 통해 태양 에너지를 화학에너지로 전환시킨다. 이러한 색소로는 엽록소 a, b, c, d, 및 카로틴, 크산토필, 피코시아닌, 피코에르드린 등이있으며 그종류와 상대적인 양은 생물에 따라 다르다. 잎의 색소를 크로마토그래피로 분리하여 광합성 색소의 종류를 분석해 보는 것이 목적이다.

실험 이론 및 원리

1. 광합성 색소

광합성의 에너지원인 빛을 흡수하는 색소를 일컫는 말로 동화 색소 라고도 한다. 고등녹색식물, 시아노박테리아, 광합성 세균 등 광합성 생물 안에 들어있으며 광합성 생물의 계통에 따라 특징적인 분포를 보인다. 엽록소 b, c, d, e 와 세균 엽록소 b, c, d 가 있으며 엽록소 외에는 카로티노이드와 피코빌린이 있다. 이를 보조색소라 하는데 보조색소는 빛을 받아서 광합성을 진행시키는 반응 중심에 빛 에너지를 전달하는 구실을 한다.

 

또한, 광합성은 엽육세포의 엽록체라는 소기관에서 수행된다. 엽록체의 내막인 틸라코이드막은 빛에너지를 흡수하는 데에 필요한 광합성 색소를 가지고 있다. 주요 광합성 색소로는 엽록소 a, 엽록소 b와 카로틴계 색소 등이 있다. 카로틴계 색소에는 β-카로틴, 크산토필, 루테인, 리코펜 등이 있다. 광합성 색소들은 각기 특정한 파장의 빛을 흡수한다. 예를 들면, 엽록소 a는 430nm 파장의 빛과 663nm 파장의 빛을 최대로 흡수 한다. 광합성 색소들은 화학 구조에서 볼 수 있듯이 대부분 지용성 분자들로 여러 가지 유기용매에 녹는 정도가 다르다.

 

2. 종이 크로마토그래피(paper chromatography)

크로마토그래피는 혼합물의 분리·분석, 화합물의 정제, 분자량의 축정 등에 사용되는 기술이다. 크로마토그래피는 고정상과 이동상으로 구성된다. 종이 크로마토그래피에서는 여과지 표면에 흡착되어 있는 물이 고정상이고 전개액으로 사용되는 유기용매가 이동상이 된다. 아세톤에 녹아 있는 색소 혼합물은 모세관 의해 전개액을 따라 여과지를 이동할 때 물(고정상)과 전개액(이동상)에 녹는 비에 따라 이동 속도에 차이가 난다. 결국 색소 혼합물에 들어있던 색소들은 이동 속도의 차이에 의해 서로 분리된다. 따라서 유기용매에 잘 녹는 색소가 덜 녹는 색소보다 멀리까지 이동한다. 

크로마토그래피는 혼합물 속에 들어있는 각 성분들의 정상상태에 대한 흡착력과 이동상에 대한 친화도 등 2가지 성질을 이용하여 순수물질을 분리하는 방법이다. 즉 2가지 이상의 혼합물을 고정상에 점적하고, 이 정상상태에 이동상을 전개시키면 혼합물 속의 각 성분은 종이에 흡착하는 정도와 아세톤에 대한 친화정도에 따라 이동하는 거리에 차이가 나게 된다. 이동상의 거리에 대한 각 성분의 이동거리를 Rf값이라 하는데, 특정한 고정상과 이동상에 대해서 온도 등 실험조건이 일정하면 각 물질은 고유한 Rf값을 가지기 때문에 물질 동정에 있어 대단히 중요한 계수가 된다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 실험관, 비커, 여과지(크로마토그래피용), 석영사, 시금치잎, 메탄올, 아세톤

2) 약절구, 모세관 or 커버글라스, 시험관 고정 대,고무 마게, 고정용 핀, 자, 집게

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 시금치(그외 여러 식물)의 잎을 약절구 속에 석영사와 80% 아세톤을 부은뒤에 완전히 갈아버린다.

2) 용매가 조금만 남을때까 지 짓이긴 뒤에 추출액을 유리모세관 에 묻힌 뒤 여과지의 끝 에서 2㎝의 거리에 줄을 긋는다.

3) 그리고 여과지를 마개에 고정시킨뒤 전개용매가 들어있는 튜브에 넣어 약 0.5㎝정도만 용매에 잠기도록한다 이때 여과지가 시험관 벽에 닿지않도록 주의해야 한다.

4) 그뒤 여과지의 약 3~5㎝정도가 남을 때 까지 용매를 전개 시킨다.

5) 전개가 끝나면 미리 관찰해두었던 색소 변화 부분에 표시를 한다. 이 방법을 이용하여 몇 가지 색소가 분리됨을 확인하고, 각 색소의 Rf값을 구한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

시금치와 석영사를 함께 간것                                   시금치 추출액

당근 추출액                                  시금치 전개후

 

색소	이동거리	Rf	비고
전개용매	25	-	-
엽록소b	51	2.04	노란색
엽록소a	60	2.4	푸른색
carotene	70	2.5	녹색

carotene – 엽록소 a – 엽록소b 순으로 Rf 값이 높다.

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에선 석영사와 식물을 넣어 완전히 간 추출액을 진하게 묻히느냐 아니냐에따라서 결과가 확연히 다르게나타났다. 조금이라도 묽게 해버리면 너무 색이 연해져서 어디까지 올라가는지(전개돼는지) 몰라 실험을 할수 없게 되어 버렸다. 하지만 그 점만 주의하면 비교적 색깔은 제 대로 나오는편이며 다른 부분들은 석영사와 식물을 완전히 갈아버릴때를 제외하고는 특별히 신경쓸만한 점은 없었다.

2. 질문 사항

1) 첫 단계에서 시금치 잎을 막자사발을 이용해 곱게 갈고 사용한 이유는 무엇일까?

광합성 색소 실험을 진행하기 위해서는 광합성 색소를 추출하는 것이 우선이다. 이에 따라 엽록소가 풍부한 식물인 시금치에서 광합성 색소를 얻기 위하여 시금치 잎을 막자사발로 곱게 갈게 되면 즙이 나오면서 색소를 추출할 수 있게 된다.

 

2) 실험으로 인해 유기 성분의 혼합물이 분리될 수 있는 원리에 대해 간단히 서술해보자.

모든 크로마토그래피는 혼합물들 각각의 물질들이 어떠한 용매에 대하여 흡착력이 다르다는 동일한 원리에 따라 진행된다. 이는 추출과 비슷한 분리 원리이다. 크로마토그래피는 정지상과 이동상 사이에서 시료 성분의 분포의 차이에 의하여 분리된다. 시료에 따라 각각의 Rf 값이 다름을 알 수 있다. 분리하려는 시료를 녹일 수 있는 물리적 성질을 가진 용매가 필요하며 효과적인 분리를 위해 여러 전개액을 섞은 혼합 용리액도 가능하다. 또한 PC, TLC, CC등의 용매로 여러 가지 색깔이 있는 혼합물 시료들을 분리해낼 수 있다.