학문
밤하늘의오로라
질소고정효소의 구조와 기능은 어떠한가요?
안녕하세요. 식물은 스스로 공기 중에 존재하는 질소를 이용할 수 없다고 알고 있습니다. 질소고정세균은 대기 중의 질소 분자를 어떻게 암모니아로 전환하며, 이 과정에서 작용하는 질소고정효소의 구조와 기능은 어떠한가요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
말씀하신 대로 식물은 대기 중에 가장 풍부한 질소인 질소 분자를 직접 이용하지 못하는데요, 이를 가능하게 하는 존재가 바로 질소고정세균과 그들이 가진 질소고정효소입니다. 우선 대기 중 질소는 두 질소 원자가 삼중결합으로 연결되어 있는데, 이 결합은 매우 안정하여 자연 상태에서는 거의 반응하지 않습니다. 즉, 질소는 많이 존재하지만 생물이 바로 쓸 수 없는 형태로 공기 중에 있는 셈인데요, 질소고정의 본질은 바로 이 강력한 삼중결합을 끊어 암모니아로 환원시키는 과정입니다. 이 반응을 수행하는 질소고정효소는 단일 효소처럼 보이지만, 실제로는 두 개의 단백질 복합체로 이루어진 효소인데요 첫 번째는 흔히 Fe 단백질이라고 불리는 부분으로, 철을 포함하고 있으며 ATP를 결합하고 분해하는 역할을 합니다. 이 단백질의 핵심 기능은 전자 전달과 에너지 공급입니다. 두 번째는 MoFe 단백질로, 실제로 질소 분자가 결합되고 환원되는 촉매 중심부입니다. 이 단백질 내부에는 철과 몰리브덴이 결합된 매우 특이한 보조인자인 FeMo-cofactor가 존재하는데, 이 구조가 질소 삼중결합을 끊을 수 있는 화학적 능력의 핵심이라고 볼 수 있습니다. 전체 반응은 N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ + 16 ATP → 2NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 Pi으로 진행되며, 이때 굉장히 많은 ATP가 소모되는데요, 이는 질소고정이 생명체에게 얼마나 에너지 소모가 큰 과정인지를 잘 보여줍니다. 그럼에도 불구하고 이 과정이 가능한 것은 생태계 전체의 질소 순환을 유지하는 데 필수적이기 때문입니다. 감사합니다.
채택된 답변질소고정은 질소고정효소 복합체가 대기 중의 질소 3중 결합을 끊어 암모니아로 환원시키는 과정입니다.
이 효소는 전자를 전달하는 Fe 단백질과 실제 반응이 일어나는 MoFe 단백질로 구성되는데, 1분자의 질소를 처리하기 위해 무려 16개의 ATP라는 막대한 에너지를 소모합니다.
이를 화학식으로 적어보면...
(N2) + (8H+) + (8e-) + 16ATP = (2NH3) + (H2) + (16ADP) + (16Pi)
이렇게 됩니다.
이 과정에서 효소 내의 철-몰리브덴 보조인자(FeMo-co)가 활성 부위 역할을 하여 질소 분자를 붙잡고 단계적으로 수소화하는 것입니다.
그리고 이 효소는 산소에 상당히 취약하기 때문에 산소와 접촉하면 구조가 파괴되어 기능을 잃기 쉬운데, 이를 방지하기 위해 뿌리혹박테리아는 레그헤모글로빈을 사용하여 산소 농도를 조절하며 반응을 진행합니다.
질소고정효소는 대기 중의 안정적인 질소 이중 결합을 끊고 암모니아로 전환하는 촉매 역할을 수행하며 철 단백질과 몰리브덴 철 단백질이라는 두 가지 핵심 구성 성분으로 이루어져 있습니다. 철 단백질은 외부에서 전달된 전자를 받아 몰리브덴 철 단백질로 보내는 운반체 기능을 하며 몰리브덴 철 단백질은 중심부에 위치한 금속 클러스터를 통해 질소 분자를 직접 흡착하고 환원시킵니다. 이 반응은 상온과 상압에서 진행되지만 질소의 강한 결합을 끊기 위해 다량의 에너지가 소모되므로 아데노신 삼인산의 가수분해 과정이 필수적으로 동반됩니다. 산소에 매우 취약한 구조적 특성 때문에 효소는 산소가 차단된 혐기적 환경에서만 정상적으로 작동하며 전자를 단계적으로 질소 분자에 주입하여 최종적으로 식물이 이용 가능한 형태인 암모니아를 생성합니다.