거의 30년 동안 연구자들은 광합성 (photosynthesis) 과정에서 전자 전달 (electron transport) 조절에 관여하는 특정 효소를 알아내는 방법을 모색하였고, 이제 뮌헨대학교 (Ludwig-Maximilians-University Munich, LMU) 연구팀에 의해 미싱링크 (missing link)가 발견됐다.
광합성은 에너지가 풍부한 화합물과 고등생물에 필요한 산소분자를 제공하여 지구상에 존재하는 생명체를 살아가게 한다. 광합성 과정은 식물, 조류 및 특정 박테리아에서 발견되는 생합성 태양 전지라고 불리는 광화학계 (photosystems, PS, 식물의 광합성을 구성하는 2종의 전자 전달계)에 흡수된 빛 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성한다. 식물은 2종의 전자 전달계, 광화학계 I과 광화학계 II를 가지고 있다. 각각은 초록색 색소 단백질 복합체로 이뤄져 있어 전자를 높은 에너지 수준으로 올리기 위해 태양 에너지를 사용한다. 그런 다음 전자는 전자 전달체를 거쳐 이동하고 그 에너지로부터 ATP가 합성된다. ATP는 모든 생물의 세포 내 존재하여 에너지대사에 매우 중요한 역할을 하는데 ATP 한 분자는 가수분해를 통해 다량의 에너지를 방출하며 이는 생물활동에 사용된다.
전자 전달은 몇 가지 다른 경로를 따라 진행될 수 있다. 선형 전자 전달이라고 불리는 경로에는 광화학계 I과 광화학계 II 모두가 필요하며 NADPH를 형성하는 NADP라는 작은 분자로 전자를 전달한다. 반면, 구형 전자 전달계는 광화학계 I 만을 가지고 있어 전자를 ATP 생산을 위해서만 이용한다. 주 전달계를 따라 이동하는 전자는 플라스토퀴논 (plastoquinone)이라고 하는 수용체를 통해 시토그롬 (cytochrome) b6f 복합체로 전달되고 이곳에서부터 다시 광화학계 I로 이동되는 완벽한 순환을 이룬다. [시토크롬은 세포 내에 존재하는 헴단백질 중에서 헤모글로빈, 미오글로빈, 페르옥시다이제, 카탈라아제를 제외한 것의 총칭으로 색소 단백질에 속한다.]
플라스토퀴논은 산소발생형 광합성을 하는 생물 및 계통적으로 그것에서 유래한 것으로 생각되는 생물에만 포함되는데, 광합성 과정의 전자 전달계에서 최초로 전자를 받고 양성자를 그라나(막)의 내강으로 수송한다. 즉, 빛 에너지를 화학 에너지로 전환시키는 물질의 하나이다.
광화학계 II (PSII)는 틸라코이드막에 존재하는 20여 종류 이상의 단백질로 구성된 복합체로, 태양의 빛 에너지를 흡수하여, 생물이 이용 가능한 전기 에너지로 변환시키며, 동시에 물을 분해시켜 산소를 발생시킨다. 이와 같은 생명 현상을 광화학 반응 (photochemical reaction)이라 하며, 광합성의 초기반응으로서, 지구상의 산소호흡을 하는 모든 생명체에게 산소를 공급하는 유일한 반응이며, 지구상에 유기물을 공급하는 시발점이다.
이러한 광화학계 II의 반응은 그 구조에 바탕을 두고 이루어지게 되는데, 그 구조의 복잡성 때문에 많은 연구와 노력에도 불구하고 아직 완전한 모습을 드러내지 않고 있다. 그러나 최근 분자구조 연구의 기술이 발달하여 이러한 분자구조를 8A의 수준에서까지 논할 수 있게 했다.
식물은 ATP와 NADPH 간의 적절한 균형을 유지하기 위해 이산화탄소를 당 합성에 필요한 선형 및 구형 전자 전달 경로 사이를 전환할 수 있다. 이것은 광화학계 간의 전자의 할당을 조절할 수 있다는 것을 의미한다. 광화학계 I 에서 직접 전자를 수용하는 페레독신 (ferredoxin, Fd)이라고 하는 전자 전달체는 이 2가지 경로 사이를 연결하는 교차로 역할을 한다. 30년 동안의 연구에서 광화학계 I은 스트로마 내에서 페레독신 및 플라보단백질 페레독신-NADP 환원효소 (ferredoxin-plastoquinone reductase, FQR)의 작용에 의해서 NADP를 NADPH로 환원시킨다는 것이 밝혀졌지만 이것에 관여하는 효소들은 아직 발견되지 않았었다.
본 연구팀은 광화학계 I과 상호 작용할 수 있고 구형 전자 전달계에 관여하는 다른 인자들과도 상호 작용할 수 있는 PGRL1이라고 하는 단백질을 밝혀냈다. 이들의 최근 연구에서 본 연구원들은 PGRL1 단백질의 정확한 생화학적 기능을 알아낼 수 있었다. PGRL1 단백질은 오랜 연구에서 찾던 플라보단백질 페레독신-NADP 환원효소로서 구형 전자 전달 경로를 조절하는데 핵심적인 역할을 하는 것으로 나타났다. 이러한 발견은 전자 전달계의 특정 구성 요소를 교체하거나 변형시켜 광합성 성능을 향상시키는데 많은 도움을 줄 수 있다.
핵심 조절자인 PGRL1 단백질은 광합성의 효율성을 향상시켜 제어 조건 하에서 작물의 수율을 증가시키기 위해서 목적으로 하는 방식으로 적용될 수 있다. 게다가, 광화학계의 조절과 구조의 완벽한 이해는 작물 수확량 증가, 태양광 전지의 새로운 형태 설계, 환경 친화적인 에너지원으로 사용하기 위한 분자 수소 생성과 같은 다양한 응용에 광합성 과정을 최적화할 수 있는 방법을 개발하기 위해서 반드시 선행되어야 한다.
본 연구는 저널 1월 3일자로 게재되었다.
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문:
http://www.en.uni-muenchen.de/news/newsarchiv/2013/f-m-01-13.html 제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2013.01.21 19:13
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