학문
냉철한라마35
식물 뿌리혹수균과의 공생을 통한 기체 질소 고정 메커니즘이 궁금해요
콩과 식물이 뿌리혹세포 내부의 뿌리혹수균과 공생하며 대기 중의 불활성 질소 가스를 식물이 이용 가능한 암모늄 이온으로 바꾸는 질소 고정 원리가 궁금합니다. 뿌리혹 단백질의 역할과 서로 이득을 주고받는 관계가 궁금해요.
3개의 답변이 있어요!
콩과 식물과 뿌리혹수균은 신호 교환을 통해 뿌리혹을 형성하고 상리공생을 이룹니다.
식물이 플라보노이드를 분비하면 세균이 Nod인자로 응답하며 식물 뿌리털이 갈고리 모양으로 구부러집니다.
그리고 세균이 뿌리털 내부로 침투할 수 있는 감염실관을 형성하여 피층 세포로 이동하고, 세균의 자극으로 피층 세포가 왕성하게 분열하면서 혹 모양의 조직이 생기며, 내부 세균은 질소 고정 전용 형태인 박테로이드로 변태합니다.
사실 대기 중 질소는 삼중 결합으로 이루어져 너무 안정적인 구조라서 반응성이 극도로 낮습니다. 하지만, 뿌리혹수균의 질소고정효소 복합체가 대량의 에너지를 사용해 이 삼중 결합을 끊어내는 것입니다.
이를 화학식으로 적어보면 'N2 + (8H+) + (8e-) + 16ATP -> 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi'입니다.
그결과 생성된 암모니아(NH3)는 세포 내 수소 이온과 결합해 독성이 적고 식물이 즉시 흡수할 수 있는 암모늄 이온 형태로 변환되어 단백질과 핵산 합성의 원료로 쓰이게 됩니다.
그런데, 질소고정효소는 산소에는 너무 약해서 산소와 만나는 순간 파괴됩니다. 하지만 세균이 ATP를 생산하려면 호흡에 산소가 필요하다는 사실이 아이러니하죠. 이 모순을 해결하는 것이 식물과 세균이 합작해 만드는 레그헤모글로빈 단백질입니다.
결론적으로 식물은 고정된 암모늄 이온을 전달받아 단백질과 핵산의 합성 원료로 사용하고, 세균은 식물로부터 말산 등 유기산을 제공받아 안정적으로 증식하는 것입니다.
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채택된 답변안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
콩과 식물의 뿌리혹박테리아는 질소고정효소로 대기 N2를 암모니아로 바꾸고, 식물은 이를 암모늄 형태로 이용해 아미노산을 만듭니다. 뿌리혹의 레그 헤모글로빈은 산소 농도를 낮게 유지해 효소를 보호하며, 식물은 세균에 당을 제공해 서로 이득을 얻습니다.
안녕하세요. 질문해주신 콩과 식물과 뿌리혹수균의 공생은 식물이 직접 대기 중 질소를 이용하는 것이 아니라, 뿌리혹수균이 질소를 고정해 주는 방식으로 이루어집니다. 대기 중 질소는 질소 분자 형태로 존재하는데, 질소 원자 사이의 삼중결합이 매우 강하기 때문에 일반적인 식물의 효소로는 쉽게 끊을 수 없습니다. 이때 뿌리혹수균이 가진 질소고정효소인 질소화효소가 질소 분자를 환원하여 암모니아를 만들어 내는데요, 이 반응에는 막대한 에너지가 필요하며, 질소화효소의 작용에는 ATP와 전자가 필요합니다. 우선 콩과 식물의 뿌리에서는 뿌리혹수균이 뿌리털에 접근하면서 서로 신호를 주고받습니다. 식물은 플라보노이드와 같은 물질을 분비하고, 뿌리혹수균은 이에 반응해 신호물질을 만들어냅니다. 이후 뿌리털의 형태가 변하고 세균이 식물세포 안으로 들어가면서 뿌리혹이 형성되며, 뿌리혹 내부에서 뿌리혹수균은 식물세포 안에 특수한 형태로 존재하며 질소 고정을 수행합니다.
이때 중요한 것이 뿌리혹에 존재하는 뿌리혹 단백질인 레그헤모글로빈입니다. 질소고정효소는 산소에 매우 민감하기 때문에 뿌리혹 내부의 산소 농도를 지나치게 높게 만들면 질소 고정이 제대로 이루어지지 않습니다. 레그헤모글로빈은 산소와 결합하여 뿌리혹 내부의 산소를 적절한 수준으로 조절하면서도 세균의 호흡에 필요한 산소를 공급하며, 건강한 뿌리혹이 붉은빛을 띠는 것도 이 단백질과 관련이 있습니다. 이 공생관계에서는 양쪽 모두 이익을 얻는데요, 뿌리혹수균은 식물로부터 광합성으로 만들어진 당과 유기산을 공급받아 에너지원으로 사용합니다. 반대로 식물은 뿌리혹수균이 고정한 질소를 암모니아 또는 암모늄 형태로 받아 아미노산과 단백질, 핵산 등의 합성에 이용합니다. 감사합니다.