[생화학] 21.1 : 아미노산의 생합성 - 1

 

 

이번 포스트부터는 아미노산의 생합성 과정에 대해 알아보자.

 

 

nitrogen은 living organism에 있어서 상당히 major한 constituent 중 하나임. N은 nucleic acid, protein의 구성요소일 뿐만 아니라 NAD, FAD, biotin 등의 cofactor, epinephrine 등의 hormone, serotonin 등의 neurotransmitter, chlorophyll 등의 pigment, amanitin 등의 defense chemical 등의 핵심 구성요소이기도 함.

 

 

 

대기중에 존재하는 기체의 80%가 N2임. 그러나 이 형태는 chemically inert하기때문에 곧바로 사용할 수는 없음. 이 녀석을 사용하기 위해서는 N2 + 3H2→2NH3의 반응이 일어나야 함. 이 반응을 살펴보면, ΔG가 -33.5kJ/mol로 낮으므로 쉽게 일어날 것처럼 보임. 그러나 실제로는 반응 과정에서 N2의 triple bond를 깨야 하기 때문에 activation energy가 상당히 높은 반응임.

 

 

한편 N2의 변환은 nonbiological process에 의해서도 일어날 수 있음. 예를 들어 번개가 치는 상황에서 N2와 O2가 합쳐져서 NO가 될 수 있고, 그 밖에 industrial Haber process에 의해서 N2와 H2가 합쳐져서 NH3가 될 수 있음. 참고로 Haber process는 대표적인 비료 생산 process이며, 고온, 고압하에서 이루어지는 process임. (이 process는 요소 문제와도 관련되어 있음)

 

 

한편 몇몇 organism들은 N2를 다른 useful form으로 fixation할 수 있음. 이들의 대부분은 single-celled prokaryote(archaea)이며, 몇몇은 plant와 공생하고, 몇몇은 animal과 공생함. 이 때 plant와 공생하는 대표적인 prokaryote가 뿌리혹박테리아이며, animal과 공생하는 대표적인 prokaryote가 termite(진드기)와 공생하는 spirochaete임. 이들은 ATP 가수분해 시 나오는 energy를 이용해서 N2 fixation 과정에서의 high activation energy를 극복해냄.

 

 

 

앞서 말했던 Haber process에 의한 NH3의 industrial synthesis는 가장 중요한 chemical process 중 하나임. 실제로 Haber process에 의해 chemical fertilizer가 만들어질 수 있으며 매년 100 million ton의 fertilizer가 만들어짐. 다만 이 과정에서 nonrenewable energy가 소모된다는 한계점이 있음. (total annual energy의 1-2%가 소모됨) 따라서 최근에는 biological nitrogen fixation 과정을 biomimick하고자 하는 시도도 많이 이루어지고 있음.

 

 

 

 

 

위 그림은 nitrogen compound의 oxidation state에 따른 종류들을 나타내주고 있음. 우선 N2 형태는 nitrogen으로, covalent triple bond로 N 2개가 연결된 형태임. 한편 nitrogen이 oxidation될 시 NO2 형태의 nitrite가 될 수 있으며, 이 녀석이 더 oxidation되면 NO3 형태의 nitrate가 될 수 있음. 한편 nitrogen이 reduction되어서 NH3가 될 수 있으며, 이 형태를 ammonia라고 부름.

 

 

이제 본격적으로 nitrogen cycle에 대해 알아보자. nitrogen cycle은 크게 4가지 step으로 이루어져 있는데 fixation, nitrification, assimilation, denitrification이 바로 그것임. fixation step에서는 bacteria가 N2를 NH3, 혹은 NH4+의 형태로 reduction시킴. 그런데 이렇게 만들어진 NH3, NH4+의 경우 gas로 쉽게 날아가버릴 수도 있으므로 이들을 추가적으로 nitrification시켜줘야 함. 이 때에도 bacteria가 관여하며, bacteria에 의해 이들이 nitrite(NO2-), 혹은 nitrate(NO3-)가 됨.

 

 

한편 이후 nitrite와 nitrate는 plant와 microorganism으로 흡수되고, 이들이 assimilation을 통해 다시 NH3로 전환되게 됨. (이런 전환이 일어나는 이유는, 결국 식물, 혹은 microorganism이 쓸 수 있는 형태가 ammonia이기 때문임) 이 때 사용되는 효소가 nitrite reductase, nitrate reductase임.

 

 

그러다가 organism이 죽으면, NH3는 다시 soil로 돌아가게 되고 nitrifying bacteria는 다시 NH3를 nitrite와 nitrate로 전환시키게 됨. 한편 일부 bacteria의 경우 anaerobic condition 하에서 nitrate를 다시 N2로 reduction시키기도 하는데, 실제로 O2 대신에 NO3-를 electron acceptor로 사용한 결과 이런 denitrification이 일어날 수 있음.

 

 

 

 

위 그림에는 nitrogen cycle이 시각적으로 묘사되어 있음. 이 때 ammonia가 plant, microorganism에서 amino acid, other reduced nitrogen-carbon compound를 만드는데 사용될 수 있으며, 이렇게 만들어진 녀석들은 animal과 microorganism에서 다시금 ammonia로 전환될 수 있다는 것을 기억해둘 것.

 

 

그 밖에, 앞서는 언급하지 않았던, nitrite와 ammonia에서 곧바로 N2로 전환시켜주는 Anammox bacteria들이 표시되어 있음. 이들의 경우 1980년대에서야 본격적으로 연구되기 시작했으며, 뒤에서 다시 살펴보겠지만 이들 bacteria들은 대기오염 문제 해결을 위해 중요하게 사용될 수 있음.

 

 

 

 

 

위 그림은 NO3-를 reduction시켜서 NO2-로 만들어주는 nitrate reductase의 작용 기작을 나타내 보여주고 있음. 보면 NADH로부터 nitrate reductase로 전자가 전달되고, nitrate reductase 내부의 SH→FAD→Cytb557→MoCo를 쭉 거쳐 결국 전자 2개가 NO3-로 전달되게 됨. 이 때 위 그림 오른쪽에 나타나 있는 Mo cofactor가 매우 중요하게 작용함.

 

 

 

 

 

다음으로 위 그림은 NO2-를 NH4+로 만들어주는 nitrite reductase의 작용 기작을 나타내 보여주고 있음. 보면 Fd로부터 Nitrite reductase로 전자가 전달될 시 nitrite reductase 내부의 Fe-S→Siroheme을 거쳐서 6개의 전자가 NO2-로 전달되면서 최종적으로 NH4+가 만들어지게 됨. 이 과정에서는 위 그림 오른쪽에 나타나 있는 Siroheme이 중요하게 작용함.

 

 

 

참고로 plant의 경우 nitrate reductase, nitrite reductase는 chloroplast에서 많이 관찰되는데, 그도 그럴것이 방금 살펴본 것처럼 이들 효소들이 Fd, NADH와 같은 광합성 산물을 많이 이용하기 때문임.

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.