질소고정 Nirogen fixation

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질소고정 Nirogen fixation

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질소, Nitrogen source
- 질소 N2 gas, 아질산 NO2, 산화질소 NO,아산화질소 (N2O)
- 질소(단백질) 대사
- 질소배출
- 생물의 질소고정
- 식물의 질소고정 : 글루탐산 + 암모니아 --> 글루타민

 

[세균학] 질소 고정(Nitrogen fixation)
링링 : 2013. 5. 9. 0:49

질소 고정이란 간단히 말해서 대기중에 떠도는 질소를 암모니아의 형태로 만들어 생물이 사용할 수 있도록 하는 것이다.
질소는 생물체에 있어 매우 중요한 원소인데, 당장 단백질의 재료가 되는 아미노산부터 질소를 요구하고 있다.
그러나 대기중의 질소는 삼중 공유 결합을 하고 있기 때문에 매우 안정한 구조다. 거의 대부분의 생물체들은 대기중의 질소를 직접 사용하지 못 한다.
일부 세균들만이 질소를 고정할 수 있는데, 이들은 질소 고정을 위해 특수화된 효소를 가지며, 이들을 질소자급영양생물(Diazotroph)라 부른다.
이들은 대기중의 질소를 마음대로 사용할 수 있기 때문에 매우 폭넓은 기질특이성을 갖는다.
질소 고정효소(Nitrogenase)는 dinitrogenase reductase와 dinitrogenase의 두 효소가 세트를 이루고 있다.
이 두 효소는 금속이온을 보결족(Cofactor)으로 갖는다. dinitrogenase reductase는 Fe-단백질이며, dinistogenase는 FeMo-단백질이다. 공통적으로 철 이온을 갖고 있다.
이 말은 다르게 말하면 산소에 노출될 경우 철이 산화되어버려 제 역할을 못 한다는 뜻이다. 실제로, 질소 고정효소는 혐기 조건을 갖추어 주어야만 활성화될 수 있다.

 

질소 고정효소에 의한 질소고정 과정은 다음과 같다.

질소 고정은 피리독신(Ferredoxin)이나 플라보독신(Flavodoxin) 8분자가 피루브산(Pyruvate)과 같은 전자 공여체(Electron donor)로부터 전자를 8개 받아 각각 환원되는 것으로 시작된다.
환원된 피리독신 또는 플라보독신은 질소 고정효소의 dinitrogenase reductase에게 전자를 전달하고, dinitrogenase reductase는 다시 dinitrogenase에게 전자를 전달한다.
이 과정에서 전자 하나당 2분자의 ATP를 소모하게 되는데, ATP가 소모된다는 뜻은 무슨 뜻인가? 단백질의 큰 구조적 변화가 일어난다는 뜻이다.
재미있게도, 8개의 전자가 dinitrogenase reductase로부터 dinitrogenase로 한번에 이동하는 것이 아니라 ATP를 2개씩 소모하며 단백질 구조를 비틀어 전자를 하나하나씩 옮긴다. 반응 속도가 상당히 느리다.
Dinitrogenase가 전자 8개를 모두 받아 환원되면 드디어 질소를 환원하여 암모니아를 생성할 수 있다.
하지만 여기서 의문이 생길 수 있다. 위의 반응식을 보면 전자를 6개만 받으면 될 텐데 왜 굳이 8개나 가져와서 ATP를 4분자나 더 쓰고 수소를 발생시키는가?
이것에 관해선 여러 의견이 있지만, dinitrogenase에 수소와 질소가 각각 결합부위에 결합을 해야 하는데, 질소를 안정적으로 결합시키기 위해선 수소가 필요하다는 의견이 있다.
따라서, 질소를 안정시키기 위해 사용되었던 수소 이온 두 개를 제거하기 위해 전자를 부득이하게 2개 더 가져오게 된다는 것이다.



그렇다면 질소 고정효소를 갖는 박테리아는 어떤 것들이 있는가? 우선 독립적으로 자유롭게 살아가는 녀석들을 살펴보자.
우선 남조류(Cyanobacteria)와 자색세균(Purple bacteria)와 같은 광합성 세균들이 있다. 이 중 남조류는 절대 호기성이며, 자색세균은 혐기성이다.
다음으로, 종속영양세균에는 아조토박터(Azotobacter), 클렙시엘라(Klebsiella), 바실루스(Bacillus), 클로스트리디움(Clostridium) 등이 있다.
아조토박터는 절대 호기성이며, 클렙시엘라는 통성 혐기성, 바실루스 역시 통성 혐기성이고 클로스트리디움은 절대 혐기성이다.
뭔가 이상하다. 그렇지 않은가? 남조류나 아조토박터는 절대 호기성인데 질소 고정효소를 갖고 있다.
위에서 언급했지만 질소 고정효소는 산소에 노출될 경우 빠르게 불활성화된다. 그러나 이 세균들은 혐기 조건에선 살 수 없다. 더욱이 남조류는 광합성을 통해 아예 내부에서 산소를 생산한다.
클렙시엘라와 같은 통성 혐기성 균들은 호기 조건에서는 질소 고정을 하지 않는다. 정확히 말하면 못 하는 것이다. 이들은 혐기 조건이 주어져야 질소를 고정할 수 있다.
그렇다면 남조류와 아조토박터는 어떻게 이 문제를 해결하는가? 남조류부터 살펴보자.
이들은 질소를 질소원으로, 이산화탄소를 탄소원으로 삼으며 태양빛을 받아 광합성을 하며 살아가는 녀석들이다. 완벽한 독립영양생물이 아닐 수 없다.
이들은 주로 사상체(Trichome, filamentous)를 형성하고 있는데 각각의 영양세포와는 별개로 질소 고정을 위해 특수하게 분화된 세포들이 사이사이에 존재한다.
이것을 이형세포(Heterocyst)라 부르는데 대략 전체 영양세포 중 5~10% 정도를 차지한다.

이형세포는 여러 독특한 특징을 갖는데 다음과 같다. 기본적으로는 세포 내부를 혐기 조건으로 유지하기 위한 특징들이다.
1. 굉장히 두꺼운 세포벽을 갖는다. 특히 당지질(Glycolipid)가 풍부한 외막이 강한 소수성을 띄어 외부와의 물질 교환은 물론 산소가 직접 세포 내로 확산되는 것을 막는다.
2. 광계 2(Photosystem 2)가 없다. 광합성에서 물의 광분해는 광계 2에서 일어나지만 광계 2가 존재하지 않아 산소가 생성되지 않는다.
3. 혹시라도 산소가 세포 내부에 존재할 경우 산소를 제거하기 위한 단백질을 생성한다.
4. 이산화탄소 고정 효소가 없다. 바꿔 말하면 캘빈 회로(Calvin cycle)가 없다는 뜻이다. 이형세포는 질소를 고정하기 위해 특수화된 세포이며, 질소 고정에도 엄청난 에너지가 필요하다.
5. 해당 작용을 하는 효소가 풍부하다. 이형세포는 주위의 영양세포들로부터 포도당과 같은 환원제(전자 공여체)를 공급받는다. 공급받은 포도당은 해당 작용에 의해 피루브산으로 분해되어 질소 고정에 사용된다.
6. 생성된 암모니아는 다시 영양 세포에게 공급되어, 아미노산(글루타민 등)으로 전환된다.

이렇게 세포 자체를 분업화시킴으로써 남조류는 광합성을 통한 ATP를 이용하여 탄소와 질소 둘 다를 고정할 수 있다.

그렇다면 아조토박터는 어떠한가? 이들도 사상체인가? 당연히 아니다. 이들은 짧은 간형이거나 타원형, 구형을 갖는 평범한 세균들이다.
이들은 딱 잘라 말하자면 굳이 질소 고정에 목 멜 필요는 없다. 어쨌거나 종속영양세균이니까. 자신이 필요한 만큼만 확보하면 된다는 뜻이다.
그래서 아조토박터는 상당히 과격한 방식을 사용하는데, 자신의 물질 대사 속도를 매우 빠르게 하여 세포 내부의 산소를 고갈시킨다.
특히 탄소원이 풍부한 곳에서 이들은 매우 빠른 속도로 물질을 대사하는데, 산화적 인산화를 통해 밖에서 유입되는 산소를 바로바로 제거해버리는 것이다.
또 한, 이들은 표면에 점액질 층(Slime layer)을 형성하는데 이 점액질 층에 의해 산소의 공급이 매우 제한적으로 일어난다.
어차피 이들이 산소를 필요로 하는 것은 산화적 인산화를 통해 ATP를 확보하기 위함이니 이런 방식을 선택한 것.
그 결과 세포 내부는 제한적인 혐기 조건이 형성되고, 질소 고정효소의 활성을 유지시킬 수 있다.
그리고 이들은 세포 내부에 질소 고정효소를 산소로부터 보호하는 역할을 하는 조절 단백질들을 갖는데, 세포 내부에 산소가 존재할 땐 이 단백질이 질소 고정효소를 구조적으로 적절히 변형시킴으로써 보호한다.
즉, 이들은 주변의 환경이 적절할 때에만 질소 고정효소를 활성화시켜 질소를 고정한다. 만약 탄소원이 빈약한 곳에서는 질소를 고정하고 싶어도 불가능 할 것이다.

뿌리혹 박테리아(Rhizobium)과 콩과식물(Leguminosae) 사이의 공생(Symbiosis)을 알아본다.
앞서 살펴본 바 있는 아그로박테리아(Agrobacteria)는 식물체에 자신의 DNA(T-DNA)를 주입하여 식물세포의 분열을 촉진하여 혹을 만들어 기생하는 세균이었다.
뿌리혹 박테리아 역시 콩과식물의 뿌리에 혹을 만드는데, 이들은 기생하는 것이 아니라 콩과식물과 아주 절묘하게 공생하는 관계에 있다.
뿌리혹 박테리아는 따로 떼어내어 배지에 배양할 경우 질소 고정효소의 활성이 나타나지 않는다. 이들 역시 절대 호기성이기 때문에 혐기 조건을 조성해 줄 경우 살아갈 수 없다.
그렇다면 이들은 어떻게 이것을 극복하는가? 그 해답이 바로 콩과식물과의 공생이다.
계속 언급하고 있지만 뿌리혹 박테리아는 콩과식물에게만 특이적으로 공생하는 세균들이다. 다른 식물과는 공생하지 않는다.
(콩과식물에는 대두를 비롯한 콩, 토끼풀, 자주개자리 등이 있다. 척박한 곳에서도 잘 자라는 녀석들은 대부분 콩과식물이다)
거기다 이들은 모든 뿌리혹 박테리아들이 모든 콩과식물과 공생할 수 있는 것이 아니라 종 마다 또 다르다.

  
왜 이렇게 높은 특이성을 갖는가? 그것은 이들이 서로 공생하기 위해서 매우 긴밀한 화학적 상호작용을 거쳐야 하기 때문이다. 아래에서 설명할 것이다.  
이들은 그람음성이며, 몇개의 편모를 갖는 절대 호기성 세균이다. 토양에서 흔히 발견되며 콩과식물과 공생을 하지만 절대적으로 공생에만 의존하지는 않는다. 공생하면 이득이 크기 때문에 공생하는 것이다.
어쨌거나, 이들은 콩과식물의 뿌리에서 분비되는 플라보노이드(Flavonoids)를 감지할 수 있다. 플라보노이드를 감지하게 되면 이들은 NodD 유전자가 발현되어 Nod factor를 분비한다.
Nod factor는 식물 세포의 분열을 촉진할 뿐만 아니라 뿌리털의 구조적인 변형을 초래하는데, 주로 뿌리털이 꼬이는(Root hair curling) 구조적 변형이 많다.
당연히 뿌리털 꼬임이 모든 경우에서 항상 나타나는 것은 아니지만 어떤 형태로든 구조적인 변형이 일어나게 된다.
하지만 그 전에 어떻게 토양에 사는 균들이 플라보노이드를 감지하고 콩과식물을 인식하는가?
이것은 식물 뿌리 표면의 당단백질인 렉틴(Lectin)과 세균 막단백질인 Rhicadhesin 사이에서 결합이 일어나고 서로 상호작용을 하는 것으로 밝혀졌다.
위의 두 과정은 전혀 별개의 과정이 아니라 함께 일어나는 과정이다.  
자, 그러면 이들은 뿌리털을 변형시켜서 어떻게 하겠다는 것인가?
식물의 뿌리털은 하나의 세포로 되어있다. 뿌리혹 박테리아는 엔도사이토시스(Endocytosis)를 통해 뿌리털 세포 내부로 들어가는데, 뿌리털은 분열하지 않는다.
그래서 이들은 분열조직이 있는 뿌리 피질(Roots cortex)까지 뻗어나가는데, 이것을 감염사(Infection thread)라 부른다.
조직 깊숙한 곳까지 침투하게 되면 이들은 성장 호르몬을 분비하여 주변 세포의 분열을 촉진하는데, 특이하게도 이들은 이배체(2n, Diploid) 세포에 감염될 경우엔 그 세포를 죽인다.
그러면 어떤 세포를 성장시키나요? 사배체(4n, Tetraploid) 세포다. 감염사에서 분비되는 사이토키닌(Cytokinin)과 같은 성장호르몬에 의해 뿌리 세포의 분열이 촉진되어 감염된 곳에 혹이 생겨난다.
그러고 난 후 이들은 증식한 사배체 세포들 사이에서 박테로이드(Bacteroid)라는 형태로 변하게 되는데 이 과정까지 성공적으로 이루어진 후에야 질소 고정이 일어난다.
모식도로 살펴보면 다음과 같다.

 

하지만 뿌리 한 지점에 전세를 내고 자신들만의 스위트 하우스를 마련한 것 까진 좋았는데 어떻게 질소를 고정할 것인가? 이들은 아직까지 혐기 조건을 형성해야 한다는 전제 조건을 극복하지 못 한 상태다.
여기서 다시 한 번 식물과 박테로이드(뿌리혹 박테리아)가 협력을 하게 되는데, 박테로이드는 헴(Heme) 단백질을 만들고 식물은 글로빈(Globin) 단백질을 만든다.
헴과 글로빈을 합치면 뭐가 되는가? 헤모글로빈(Hemoglobin)이다. 우리가 아는 그 헤모글로빈이 맞다.
하지만 이 경우는 특수한 경우이므로, 뿌리혹 헤모글로빈(Leghemoglobin)이라 부른다. 그래서 뿌리혹을 보면 붉으스름한 빛을 띈다.
본래라면 식물은 헤모글로빈을 생성하지 못 한다. 헴을 만들 수 없기 때문이다. 박테리아 역시 글로빈을 만들지 못 하므로 혼자선 헤모글로빈을 만들지 못 한다.
헤모글로빈은 어떤 녀석인가? 뿌리혹 내부의 산소를 붙잡아서 제거하는 역할을 한다.
그러나 뿌리혹 박테리아는 절대 호기성이므로 ATP의 생산을 위해 산소가 필요하다. 그럴 때는 뿌리혹 헤모글로빈으로부터 필요한 양 만큼만 빼내어 사용할 수 있다.
그러면 제한적 혐기조건이 형성되어 질소 고정효소가 활성화되고, 질소 고정을 할 수 있게 된다.
식물은 뿌리혹 박테리아에게 에너지원 또는 질소 고정의 환원제(전자 공여체)로 사용될 포도당이나 유기산을 공급하고, 뿌리혹 박테리아는 식물에게 암모니아 또는 암모니아를 이용해 생성한 글루타민을 제공한다.
식물에게 있어 질소원의 안정적 공급은 굉장히 강력한 이점이 되는데, 질소는 인과 더불어 가장 대표적인 성장 제한 요소 중 하나기 때문이다.
다른 식물들이 성장을 위해 열심히 질산염을 찾아 뿌리를 뻗을 때 콩과식물들은 단백질이 남아돌아 열매(콩)에도 가득가득 채워넣는게 이 때문이다.
실제로 차나무는 질소의 요구량이 높아 지력을 굉장히 빨리 소모한다. 그래서 예전부터 차재배를 할 때는 보통 콩과식물을 미리 심은 후에 흙과 함께 식물을 갈아 그것을 비료로 하여 재배한다고 한다.

질소 고정균
 


 
 
 

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