[생화학] 21.1 : 아미노산의 생합성 - 3

 

 

다음으로 root에 nodule 형태로 존재하는 nitrogen-fixing bacteria인 뿌리혹 박테리아에 대해 조금 더 생각해보자.

 

 

일단 이들은 energy requirement를 잘 충족하기 위해서 nodule의 형태를 빌려 식물 뿌리에 기생하고 있으며, O2를 피하기 위해 별도의 기작도 가지고 있음. (O2가 있으면 oxidation에 의해서 앞서 봤던 nitrogen-fixing에 관여하는 enzyme들의 활성이 block되게 됨. 따라서 O2가 차단되어야 nitrogen fixing이 제대로 일어날 수 있음)

 

실제로 bacteria는 plant의 carbohyrate와 CAC(citric acid cycle) intermediate를 energy source로 이용하기 위해서 nodule을 형성하고 있으며, 그 밖에 bacteria들은 O2와 binding할 수 있는 특성을 가진 leghemoglobin으로 cover되게 되어서 결국 bacteria가 O2 free condition에 있을 수 있게 됨.

 

 

 

위 그림에는 nitrogen-fixing nodule의 image가 나타나 있으므로 참고할 것. (이 때 실제로 위 그림 (b)와 같이 nodule 내에 bacteria들이 colony를 형성한 채 자라고 있음)

 

 

 

 

 

위 그림은 각각 nitrogen assimilation(왼쪽)과 nitrogen fixation(오른쪽)을 비교해서 보여주고 있음. 보면 nitrogen assimilation에서는 NO3, NO2가 NH3로 convert되고 NADH, NADPH, 혹은 ferredoxin으로부터의 photosynthetic transfer로부터 electron을 공급받게 됨.

 

 

한편 nitrogen fixation의 경우 N2가 NH3로 convert되고, 이 과정에서 여러개의 ATP가 필요하며, pyruvate로부터 electron을 공급받음. 그럼에도 불구하고 이 두 과정은 공통적으로 electron transfer process에 의존하고, Mo cofactor가 필요하며, Fe-S, NADH, NADPH, ferredoxin, flavodoxin 등의 multiple redox cofactor들이 관여하고 있다는 공통점도 있음.

 

 

 

앞서 잠시 Anammox bacteria에 의해 일어나는 Anammox reaction에 대해 언급했었는데, 이에 대해 조금 더 자세히 살펴보자. 일단 Anammox는 Anaerobic ammonia oxidation의 약자임. 실제로 이 reaction은 nitrogen cycle의 short circuit으로도 불리는데, 그도 그럴 것이 denitrification 없이 곧바로 N2로의 전환이 이루어지기 때문임. 이 reaction은 산업공정의 결과 발생하는 toxic한 ammonia를 쉽게 무해한 N2로 바꿔줄 수 있으므로 waste treatment 측면에서 상당히 흥미로운 reaction임.

 

 

 

 

 

 

Anammox reaction은 위 그림과 같은 방식으로 일어남. 보면 NH3, 혹은 NH2OH(ammonium hydroxide)가 anammoxosome이라는 특수한 막성 소기관 구조의 막에 있는 hydrazine hydrolase에 의해 물과 N2H4(hydrazine)로 바뀌게 됨. (참고로 이 hydrazine은 매우 reactive해서 로켓 발사시 연료로 많이 사용됨)

 

 

이후 이 hydrazine은 hydrazine-oxidizing enzyme에 의해 4개의 수소이온, N2, 4개의 전자로 바뀌게 되고, 4개의 전자는 nitrite-reducing enzyme으로 전달되어서 NO2-를 NH2OH로 바꿔주게 됨. 한편 4개의 proton은 ATP synthase를 거쳐 energy production에 기여하게 됨.

 

 

결국 Anammoxosome을 가지는 Anammox bacteria는 위와 같은 과정을 이용해 energy를 생산함. 참고로 일반적인 bacteria는 cell 내부에 막성소기관을 가지고 있지 않지만 Anammox bacteria의 경우 내부에 Anammoxosome이라는 막성 소기관을 가지고 있는 특수한 녀석임.

 

 

한편, 이 reaction 중간에 생성되는 N2H4는 일반적인 막에 대해서는 투과율이 상당히 높아 다 빠져나가버림. 그러나 위 system 하에서 막을 투과해서 N2H4가 빠져나가버리면 안되므로 Anammoxosome의 막은 N2H4에 대한 투과성을 최대한 낮추기 위한 특수한 막으로 design되어있음.

 

 

 

 

실제로 이들의 막은 위 그림상에 나타나 있는 Ladderane이라고 하는 흥미로운 phospholipid로 구성되어 있음. 이 때 Ladderane의 fatty acid chain 끝에는 cyclobutane ring이 함유되어 있어서 위 그림 (b)와 같이 상당히 tight하게 stacking될 수 있고 그 결과 hydrazine이 잘 diffuse되지 못함.

 

 

 

이제 앞서의 과정에서 만들어진 ammonia가 어떤 식으로 biomolecule들에 incorporation되는지에 대해 살펴보자.

 

 

 

 

흥미롭게도 흡수된 ammonia는 위 그림과 같이 Glutamate에 첨가되어서 glutamine으로 전환됨.

 

 

실제로 위 반응을 자세히 살펴보면, 우선 L-glutamate가 glutamine synthetase의 도움 하에 ATP로부터 유래된 phosphate group으로 priming되고, 이어서 NH4+가 들어오면서 인산기의 자리를 replace하게 되어서 L-glutamine이 만들어지게 됨. (이 때 priming 시 첨가되는 phosphate group이 좋은 leaving group임)

 

 

 

 

 

위 그림상에 나타나 있는 것이 Gln synthetase의 구조임. 보면 여러 개의 subunit이 모인 oligomer의 형태를 띄고 있으며, subunit 각각에 ADP, glutamate가 binding할 수 있는 pocket들이 다 존재하고 있음.

 

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.