동물의 피부는 단백질로 이루어져
있습니다.
그리고 모든 생명체에서
가장 중요한 역할을 하고 있는 효소 역시 단백질입니다.
다른 유기물처럼 단백질도
탄소-수소 결합으로 이루어진 골격을 가지고 있지만 질소
원소가 포함되어 있습니다.
그런데 공기 중의 약
80%가 질소 분자이지만 아주 반응성이 약하여 거의
이용할 수 없습니다.
그렇다면 뿌리혹박테리아는
어떻게 질소
분자를 이용하여 아미노산을
만들까요?
최근에 불균일 촉매의 표면
현상 연구에서 금속 철이 질소를 화학 흡착하여 질소 원자를 만든다는 것이 알려졌습니다.
그러나 지구에는 순수한
철금속이 거의 존재하지 않으므로 뿌리혹박테리아가 금속 철을 이용할 수는 없습니다.
그런데 유기금속화합물들
중에는 질소 분자와 결합하는 화학종이 있습니다.
일반적으로는 산소와
수증기를 제거하는 경우에 질소 기체를 주입하지만 이런 화학종들의 경우에는 질소 대신 아르곤을 주입하여야 합니다.
질소 분자와 반응할 수
있는 화학종을 뿌리혹박테리아가 만들어 사용하고 있다는 것이 최근에 밝혀졌습니다.
좀 더 자세히 소개하면
다음과 같습니다.
뿌리혹박테리아가
가지고 있는 질소화효소는 몰리브데늄을 함유하고 있으며 분자량이 약 230,000인 단백질과
분자량이 약 60,000인 단백질로
이루어져 있다는 것은 밝혀졌지만 전체 구조도 활성 부위의 구조도 알려지지 않았습니다.
ESR(electron spin resonance)과
EXAFS(extended
X-ray absorption fine structure)의 분광학적
증거에 의하여 제안된 메커니즘 중 하나는 N2가
몰리브데늄 중심에 배위되는 것으로 시작합니다.
(1)
[Mo} + ：N≡N：→
[Mo]?N≡N：
이후에는
여러 단계에 걸쳐 (아마도
H+의
형태로)
수소가
환원적 첨가되는 반응이 일어납니다.
+2H+,
2e-
(2)
[Mo]?N≡N：→→→→→→→
[Mo]?NH〓NH
+2H+,
2e-
(3)
[Mo]?NH〓NH
→→→→→→→
[Mo]?NH2?NH2
두 개의
수소가 더 첨가되면 암모니아가 떨어져 나가며 몰리브데늄이 처음 상태로 돌아갑니다.
+2H+,
2e-
(4)
[Mo]?NH2?NH2
→→→→→→→
[Mo]
+ 2NH3
즉 질소화효소에 포함된 몰리브데늄이 비활성인 질소
분자와 결합한 후 수소에 의한 환원작용을 일으켜 암모니아를 만든다는 메커니즘입니다.
생성된 암모니아에서
아미노산을 만드는 것은 비교적 용이합니다.
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