질소 순환(nitrogen cycle)
1. 질소의 순환
단백질은 여러 종류의 아미노산이 펩타이드 결합으로 이루어진 고분자 화합물이며 몸을 구성하고 조절하며 에너지를 공급하는 영양소이다. 구성 원소는 C, H, O, N, S 등이다.
아미노산은 유기산에 아미노기가 결합된 것이다.
아미노산의 종류는 20여 종이며 이들 20여 종의 아미노산들이 DNA의 유전정보에 따라 순서에 맞게 배열되어 결합된 것을 폴리펩티드라 하고 폴리펩티드가 입체구조를 형성한 것을 단백질이라 한다. 단백질의 입체 구조가 변화되거나 파괴되면 단백질로서의 작용을 할 수 없고 단지 아미노산 공급원이나 에너지원으로 이용될 수 있다.
생물에 필수 물질인 단백질의 합성에는 무기 질소화합물이 있어야 한다.
무기질 질소는 지구상에서 아래와 같은 상태의 질소화합물로 존재한다.
질소화합물 이온가
NH3(암모니아) -3
N2(질소) 0
N2O(산화질소(I)) 1
NO(산화질소(II), 일산화질소) 2
N2O3(산화질소(III)) 3
NO2(산화질소(Ⅳ), 이산화질소) 4
N2O5(산화질소(Ⅴ)) 5
대기 중에는 유리 질소(N2)가 78% 함유되어 있지만 유리 질소(N2, N≡N)는 결합에너지가 매우 크기 때문에 안정적이므로 대부분의 식물과 동물들은 공기 중의 질소를 고정(Nitrogen fixation, 화합물로 합성)시킬 수 없어 이용할 수 없다. 반면 콩과 식물의 뿌리혹에는 공기 중의 질소를 질산염(nitrate NO3-)으로 전환하는 질소 고정 박테리아(뿌리혹박테리아)가 있다.
식물은 이들 N2O5, NO3-, N2O3, NO 등의 무기질소화합물을 뿌리로 흡수하고 환원시켜 암모니아를 생성하여서는 광합성 작용으로 합성한 탄수화물과 결합시켜 아미노산, 단백질을 합성하며, 동물이나 사람들은 식물이 합성한 단백질을 섭취하여 소화, 흡수하며 흡수된 아미노산으로 단백질을 합성하며 일부 아미노산은 체내에서 합성하기도 한다.
이와 같이 식물이 무기질소화합물을 흡수하여 유기질소화합물인 단백질을 합성하는 과정을 질소 동화작용이라 한다. 합성된 단백질은 생물에 의해 분해되어 암모니아로 되고 체외로 암모니아나 요소, 요산으로 토양에 배출된다.
이렇게 토양으로 배출된 질소화합물은 식물에 다시 흡수되어 이용되거나 탈 질소 작용(Denitrification)으로 유리 질소(N2)화 되어 대기 중으로 배출된다.
질소 순환의 요약
① 질소 고정(Nitrogen fixation) : 유리 질소(기체 상태의 N2)를 무기질소화합물(NO, NO2, NH3등)로 합성
공중 방전, 질소 고정 세균(뿌리혹박테리아)에 의해 생성
② 질화 작용(nitrification) : 토양 속에서 세균에 의해 질산으로 변화되는 과정
NH3(NH4+, 암모니아) → 아질산균 → HNO2(NO2-, 아질산) → 질산균 → HNO3(NO3-, 질산)
③ 질산 환원 작용(nitrate reductase) : 질화 작용의 역반응
④ 질소 동화(assimilation of nitrogen) : 식물체에서 무기질소로부터 단백질 합성
NO3- → NO2- → NH4+ → 아미노산 → 단백질
⑤ 동물의 단백질 이용 : 동물 먹이 → 소화(단백질→아미노산) → 산화(세포 호흡) → 질소성 노폐물 배설(NH3, 요소, 요산)
⑥ 동식물의 사체 → (부패:탈아미노 작용-질화 작용) → 토양의 무기질소화합물
⑦ 탈 질소 작용(Denitrification) : 토양 속 무기질소화합물 → (탈질 세균) → 대기 중의 유리 질소(N2)
가. 질소 고정(Nitrogen fixation)
식물은 공기 중의 유리 질소(N2)를 흡수하여 이용할 수 없다. 식물의 뿌리는 무기물질을 흡수할 때 이온 상태로 흡수하므로 질소는 NH3(NH4+), NO2-, NO3- 상태로 흡수한다. 그러므로 식물이 유리 질소(N2)를 이용하기 위해서는 유리 질소(N2)를 무기질소화합물로 합성되어야 한다.
유리 질소(N2)를 무기질소화합물(암모니아, 황산암모늄, 질산)로 합성하는 작용을 질소 고정이라 한다.
질소고정(Nitrogen fixation)은 세균이나 방전에 의해 일어나며 인공적으로 일으킬 수 있다. 질소 고정을 하는 세균은 아조토박터, 뿌리혹박테리아, 클로스트리듐, 아나베나(남조류) 일부 등이 있다. 그리고 비 오는 날 번개가 칠 때 공중에서 대기 방전으로 질소 고정이 일어나는데, 방전에 의하여 많은 양의 질소가 N2O5로 산화되고, 다시 빗물과 결합하여 HNO3을 생성하여 지상으로 운반된다. 인공적으로는 질소비료공장에서 질소를 산화시켜 질산염(nitrate)을 합성하여 질소비료를 만든다.
*질소 고정균(窒素固定菌, free nitrogen fixer, Diazotrophs 디아조트롭스)
질소 고정균에는 세균(細菌, bacteria)과 고세균(古細菌, Archaea)이 있으며 비공생 질소 고정균(非共生窒素固定菌, nonsymbiotic nitrogen fixation bacteria, 단생(單生) 질소 고정균)과 공생 질소 고정균(共生窒素固定菌, symbiotic nitrogen fixation bacteria)으로 나눌 수 있다.
홀로 생활하는 단생 질소 고정균에는 남조류(남세균, blue-green algae, cyanobacteria 시아노박테리아)인 아나바이나(Anabaena)속, 남조류인 염주말(Nostoc) 속, 호기성 세균인 아조토박터(Azotobacter) 속, 호기성 세균인 베이예링키아(Beijerinckia) 속, 호기성 세균인 데르시아(Derxia) 속, 통성혐기성 세균인 클렙시엘라(Klebsiella) 속, 혐기성 세균인 클로스트리디움(Clostridium) 속, 광합성 세균(photosynthetic bacteria, 전자 공여체로 물을 이용하지 않음, H2S 등 이용, 호기성과 혐기성이 있음), 식물의 뿌리 표면 또는 뿌리 세포조직 내에 서식하는 호기성 세균인 아조스피릴륨(Azospirillum) 속, 혐기성 세균인 디설포비브리오 (Desulfovibrio) 속 등이 있으며 토양이나 바다에 많다. 이들은 광합성 작용이나 토양과 물속의 유기물을 이용하여 생활한다.
공생 질소 고정균(共生窒素固定菌, symbiotic nitrogen fixation bacteria)은 라이조비움(Rhizobium) 속, 브레디라이조비움 (Bradyrhizobium) 속, 시노르히조비움(Sinnorhizobium) 속 등의 뿌리혹박테리아로 콩과 식물과 공생하는 근류균이다.
이들 뿌리혹박테리아는 그램음성 세균이며 혐기성이다.
뿌리혹박테리아는 콩과 식물과 공생하며 공기 중의 질소(N2)를 질산염(NO3-)으로 고정한다.
그 밖에도 벼과식물에 공생하는 스피릴룸 리포페룸(Spirillum lipoferum, 동의어 Azospirillum lipoferum), 콩과 식물이 아닌 산사나무 등의 속씨식물(angiosperm)의 뿌리혹에 공생하는 그람 양성 세균인 프란키아(Franki) 방선균 그리고 남조류(남세균, blue-green algae, cyanobacteria 시아노박테리아)인 아나 바이나 속(Anabaena) 중에서 아졸라(azolla, 양치식물의 일종, 물속 부유 생활)와 아졸라-남조 공생체(Azolla-Anabaena complex)를 형성하여 공생하는 종 등이 있다.
※ 인공 질소 고정
① 공기질산법(H. 캐번디시)
질소와 산소를 아크방전으로 일산화질소를 만들고, 이것은 공기와 접촉하여 이산화질소를 생성하며, 이것을 물과 반응시키면 질산을 얻을 수 있다. 에너지 효율이 극히 불량하다.
② 석회질소법(A. 프랑크, N. 카로)
칼슘카바이드(CaC2)에 질소를 결합하여 석회질소를 얻는다.
CaC2 ＋ N2 → CaCN2 ＋ C
이 방법은 카바이드를 제조할 때 대량의 전력을 필요로 하나, 질소를 반응시키는 일이 쉬우므로 현재도 사용되고 있다.
③ 합성 암모니아 법(하버-보슈 법)
1908년 프리츠 야코프 하버(Fritz Jakob Haber, 1868 ~ 1934, 유대계 독일)가 질소 고정법을 발명하고 카를 보슈(Carl Bosch, 1874 ~ 1940, 독일)와 함께 실용화할 수 있는 공정 개발에 착수하여, 1913년 ‘하버-보슈법(Haber-Bosch process)’이라고 불리는 암모니아 대량생산 공정 개발에 성공하였다.
하버-보슈법은 질소와 수소를 200 ~ 300 atm으로 가압하고 500℃ 정도의 온도에서 산화철 Fe3O4에 소량의 산화알루미늄·산화칼륨 등의 촉진제를 사용하여 암모니아를 만든다.
나. 질화 작용(nitrification)
토양 속에 존재하는 아질산균, 질산균 등이 암모니아 등을 아질산, 질산으로 산화시키는 작용을 질화 작용이라 한다.
NH3(NH4+, 암모니아) →아질산균→ HNO2(NO2-, 아질산) →질산균→ HNO3(NO3-, 질산)
질산화 과정 반응 : 2NH3 + 3O2 → 2NO2- + 2H+ + 2H2O
2NO2- + O2 → 2NO3-
전체 반응식 : NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O
다. 질소의 동화(assimilation of nitrogen)
질소 동화를 위해서는 첫째 NO2-, NO3- 등의 질산 물질을 환원하여 암모니아를 생성하고 , 둘째 유기산인 α-케토글루타르산과 암모니아를 결합하여 글루탐산이라는 아미노산을 만든다.
1) 질산의 환원(nitrate reductase) : 식물은 질소원으로 NH3, NO2-, NO3- 형태로 흡수하여 NO2-, NO3- 등의 질산 물질을 암모니아(암모늄이온 NH4+)로 환원한다.
NO3- →질산 환원효소→ NO2- →아질산 환원효소→ NH4+ (→NH3)
(NO3- +TPNH+H++질산환원효소→ NO2-+TPN++H2O)
(NO2- +TPNH+H++아질산환원효소→ NH4++TPN++H2O)
*TPNH(reduced triphosphopyridine nucleotide, 환원형 삼인산 피리딘 뉴클레오타이드), TPNH 사이토크롬 c 환원 효소(TPNH-Cytochrom c-Reduktase)
2) 아미노산의 합성 : 아미노산 합성에 있어서 물질대사로 처음 만들어지는 아미노산은 글루탐산이다.
글루탐산은 유기산인 α-케토글루타르산과 암모니아를 결합시켜 만든 아미노산이다. 다른 종류의 아미노산을 합성하는 방법은 글루탐산의 아미노기를 다른 유기산에 전이하여 생성한다.
글루탐산의 생성
α-케토글루타르산(탄수화물) + NH3 + NADH2 → 글루탐산 (최초의 아미노산) + NAD
3) 아미노기 전이(transamination)
처음 생성된 아미노산인 글루탐산의 아미노기 전이 반응으로 20여 종류의 아미노산이 합성된다.
즉 글루탐산이 α-케토글루타르산으로 변할 때 분리되는 아미노기를 받는 유기산이 다르면 새 종류의 아미노산이 된다. 이렇게 글루탐산이 α-케토글루타르산으로 변할 때 분리되는 아미노기를 받고 글루탐산이 받은 아미노기를 다른 유기산으로 전이시킬 뿐만 아니라 이렇게 새로 생성된 아미노산의 아미노기를 다른 유기산에 전이시킴으로서 20여 종류의 아미노산이 모두 생성되는 것이다. 사람은 20종류 아미노산 모두를 합성할 수는 없다. 합성 못하는 아미노산을 음식물로 섭취해야 하는데 이를 필수 아미노산이라 한다.
4) 단백질 합성(번역)
단백질은 생명의 기본 물질이다.
핵 속에 있는 DNA 유전정보를 mRNA로 전사하여 세포질의 리보솜으로 나온다. 리보솜에서 mRNA의 유전정보가 지시하는 아미노산 종류의 배열 순서에 따라 tRNA가 아미노산을 운반해 와 펩티드 결합으로 폴리펩티드(1차 단백질) 형성하고 이를 입체적으로 만든 것이 단백질(2,3,4차 단백질)이다.
라. 동물의 단백질 분해
영양소로 섭취한 단백질은 소화작용으로 아미노산(amino acid)으로 분해되어 흡수되며 흡수된 아미노산은 단백질의 합성의 재료로 쓰이며 에너지 공급원이나 유기산 공급원으로 이용하기 위해서는 세포질에서 유기산과 암모니아(ammonia, NH3)로 분해된다.
생성된 암모니아는 체외로 배설되고 유기산은 다시 이용(포도당 합성 등)된다.
유기산이 에너지원으로 이용되는 과정은 먼저 미토콘드리아의 TCA회로에 다음 다섯 가지 경로로 들어간다.
TCA회로에 들어가는 다음 다섯 가지 경로는 다음과 같다.
① 아세틸 CoA(Acetyl CoA)
② α-케토글루타레이트(α-ketoglutarate)
③ 숙시네이트(succinate)
④ 푸마레이트(fumarate)
⑤ 옥살로아세테이트(oxaloacetate)
유기산은 TCA회로에서 분해되어 전자 전달계로 전달되어 에너지(ATP)를 생성한다.
그리고 동식물의 사체 속의 단백질도 미생물에 의해 분해되어 위의 동물에서와 같은 반응을 거치게 된다.
*암모니아(ammonia, NH3) 배설
세포질에서 아미노산의 분해로 생성된 암모니아는 그대로 배설되거나 독성이 약한 요소(urea, CH4N2O, 수용성), 요산(uric acid, C5H4N4O, 불수용성)의 형태로 변환되어 배출된다.
암모니아는 상대적으로 독성이 강함으로 대부분의 무척추동물, 어류 등 체내에서 빨리 배설되는 동물은 암모니아 형태로 배설한다.
성체 양서류, 포유류 등은 독성이 약한 수용성의 요소로 변환하여 배설한다.
사람은 암모니아를 간에서 요소로 변환(오르니틴 회로)하여 배출한다.
물이 부족한 육상 파충류, 조류, 곤충류 등은 불수용성의 요산(퓨린 purine 구조 형태)으로 변환하여 배출한다.
마. 질산염(나이트레이트)으로 전환(질화 작용, nitrification)
암모니아, 요소, 요산 등의 배설물이 체외로 분비되거나 동식물의 사체가 분해되면 토양의 균에 의해 다시 토양의 무기질소화합물로 돌아간다. 미생물에 의해 식물이 이용할 수 있는 질산염으로 전환시킨다.
NH3(NH4+, 암모니아) →아질산균→ HNO2(NO2-, 아질산) → 질산균→ HNO3(NO3-, 질산)
* 배설된 요소(urea, CO(NH₂)₂)는 토양에 있는 요소분해효소(尿素分解酵素, urease)에 의해 암모니아와 이산화탄소로 분해된다.
CO(NH₂)₂＋ H2O→2NH₃＋ CO₂
* 배설된 요산은 토양 미생물의 작용으로 탄산암모늄, 질산염 등의 형태로 전환된다.
바. 탈질소 작용(Denitrification)
토양 속에 존재하는 무기질소화합물은 탈질소 세균에 의해 질소(N2)로 유리되어 공기 중으로 방출된다. 방출된 유리 질소(N2)는 다시 질소 고정 세균에 의한 질소 고정으로 생물에 이용될 수 있다. 이렇게 질소는 순환(nitrogen cycle)을 한다.
탈질소 과정: 6NO3- + 2CH3OH → 6NO2- + 2CO2 + 4H2O .....(1단계)
6NO2- + 3CH3OH → 3N2 + 3CO2 + 3H2O + 6OH- .....(2단계)
전체 방응식: 6NO3- + 5CH3OH → 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH-
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