글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/식물의 생리와 발생/식물의 영양/질소 동화

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외계로부터 섭취한 간단한 물질을 화학적으로 변화시켜 특징적인 고분자 물질을 만들 때, 이를 '동화 작용'이라고 한다. 식물체 내에서 일어나는 중요한 동화 작용으로는 탄소 동화와 질소 동화가 있다.

질소는 생물체 내의 단백질이나 핵산, 그 밖에 인지질이나 뉴클레오티드 등의 중요한 구성 원소이다. 이 질소 원소는 대기 중에 다량 존재하지만, 이를 직접 이용하여 유기 질소 화합물을 만들 수 있는 생물은 그리 많지 않다. 특히, 무기 질소화합물은 식물만이 이용할 수 있다. 이와 같이 필수 원소나 무기 질소 화합물을 이용하여 생물체 내에서 유기 질소 화합물을 만드는 작용을 '질소동화'라고 한다.

질소의 흡수 형태와 질산 환원[편집]

동물이 외계로부터 몸 속으로 받아들이는 질소는 아미노산이나 단백질 등의 유기 질소 화합물이다. 이에 반하여 식물은 질소의 대부분을 고압수에 용해되어 있는 암모늄 이온(NH4+)이나 질산이온(NO3-)의 무기 질소 형태로 흡수한다.

암모늄 이온은 질소가 환원된 형태이며, 반대로 질산 이온은 가장 산화된 형태인데, 이들은 환경에 따라 각기 다른 비율로 존재한다. 즉, 논에서와 같이 물이 차 있어서 산소가 부족한 곳에서는 주로 암모늄 이온의 형태로 존재하지만, 산소가 충분한 밭에서는 주로 질산 이온의 형태로 존재한다.

식물 중에는 질산 이온보다 암모늄 이온이 공급될 때 더 잘 자라는 종류가 있는데, 이를 '호암모니아성 식물'이라고 하며, 논벼·밭벼·피·토란 등이 여기에 속한다.

한편 대부분의 밭작물은 '호질산성 식물'로, 그 가운데는 사탕무나 담배와 같이 암모늄 이온만을 공급하게 되면 자라지 못하는 것도 있다. 이 밖에 두 이온이 적당히 공존할 경우에 잘 자라는 종류도 있다.

질산의 환원[편집]

窒酸-還元

질소는 암모늄 이온과 질산이온의 형태로 식물체 내에 흡수된다. 이들 이온 중 암모늄 이온은 흡수된 후 암모니아가 되어 바로 유기산과 결합하여 아미노산을 합성하지만, 질산 이온은 암모늄 이온으로 환원된 다음 암모니아가 되어 아미노산 합성에 사용된다. 이를 '질산 환원'이라고 하며, 이 과정에는 '질산 환원 효소'와 '아질산 환원 효소'가 관계한다.

질산의 환원은 몇 단계를 거쳐 이루어진다.

HNO3 ―→ HNO2 ―→ NH2OH ―→ NH3

이 경우 질소의 원자가는 +5에서 -3으로 변하는데, 이와 같이 환원되기 위해서는 다른 대사과정으로부터 수소 원자와 에너지가 공급되어야만 한다. 그러므로 어두운 곳에서는 호흡 작용에 의해서, 밝은 곳에서는 광합성 과정에 의해서 질산환원이 이루어진다. 어두운 곳에서 이루어지는 질산 환원에서는 1몰의 질산이 암모니아로 환원되기까지 2몰의 이산화탄소가 발생된다. 이 때 질산에서 방출된 산소는 호흡 작용에 이용되기도 한다. 한편 밝은 곳에서는 질산이 환원될 때 산소가스가 발생된다.

질산 환원 효소[편집]

질산이 아질산으로 환원되는 질산 환원의 제1단계는 '질산 환원 효소'에 의해 이루어진다. 이 효소는 몰리브덴을 함유하는 금속 효소로, 기질인 질산이 존재할 때 만들어지는 유도 효소이므로 질산 이온을 공급하면 효소가 수시간 내에 생성된다.

또 빛을 쬐어도 합성이 매우 촉진되는데, 이는 빛 조건 아래에서 질산 이온의 수송이 활발해질 뿐만 아니라 광합성 산물이 산화되어 효소의 생성에 필요한 에너지를 공급하기 때문이다. 이와는 반대로 식물체 내에 암모니아가 있으면 그 활성은 억제된다.

이와 같이 식물은 효소의 활성을 적당히 변화시켜 몸 속에 해로운 과잉 암모니아가 생기지 않도록 조절하고 있다.

아미노산 ·단백질의 합성[편집]

아미노산과 단백질은 효소의 성분이 되는 중요한 물질이다. 식물은 동물과 달리 이것들을 스스로 합성할 수 있다.

아미노산의 합성[편집]

Amino酸-合成

물체 내에서 아미노산은 탄수화물에서 유래된 유기산과 질산 환원으로 생성된 암모니아가 결합하여 생성된다.

식물체에서 최초로 합성되는 아미노산은 글루탐산인데, 이것은 질소의 동위 원소 15N가 든 암모늄염을 식물에 공급할 경우 15N가 재빨리 글루탐산에 받아들여지는 실험을 통해 밝혀졌다.

암모니아는 TCA회로의 중간 산물인 α-케토글루타르산과 결합하여 글루탐산이 된다.

α-케토글루타르산+NH3+NADH+H+

글루탐산+NAD++H2O

이렇게 하여 생성된 글루탐산은 아미노기 전이 효소(트란스아미나제)의 작용으로 아미노기(-NH2)를 잃고 자신은 α-케토글루타르산으로 되며, 이 때 유리되는 아미노기는 여러 유기산에 전달되어 여러 종류의 아미노산이 생성된다. 예를 들면, 피루브산에 아미노기가 결합되면 알라닌이 되고, 옥살아세트산에 아미노기가 결합되면 아스파르트산이 된다.

단백질 합성[편집]

蛋白質合成

위의 과정을 통해 만들어진 각종 아미노산은 펩티드 결합으로 연결된다. 여러 개의 펩티드 결합이 서로 연결된 것을 폴리펩티드라고 하는데, 이 폴리펩티드가 더욱 커지면 단백질이 형성되는 것이다. 아미노산은 약 20여 종류가 되는데 그 배열 순서에 따라 단백질의 종류가 달라진다. 이 때 만들어지는 단백질의 종류는 DNA 유전 정보에 의해 결정된다.