식물세포의 호흡

[임광자]

호흡작용

식물도 동물과 마찬가지로 유기물을 산화시켜 에너지를 얻고 살아가려면 밤이나 낮이나 호흡을 해야한다. 다만 낮에는 호흡작용결과 발생한 이산화탄소보다 광합성에 이용하기위해 흡수된 이산화탄소량이 더 많고, 호흡으로 소모한 산소보다 광합성으로 생성된 산소량이 많기 때문에 낮에는 광합성이 강조되고 호흡이 무시되고 있을 뿐이지 호흡을 하지 않는다면 결국 식물도 에너지를 얻지 못하고 시들게 될 것이다. 따라서 식물이 광합성 작용으로 공기를 정화시켜주지만, 밤에는 호흡작용만 일어나 산소를 소모하고 이산화탄소를 배출하므로 공기는 환자에게 나쁜 상태가 될 것이다.

이산화탄소의 농도가 증가하면 신호가 뇌로 보내져 호흡이 늘어난다. (농도가 줄면 호흡을 감소시키기 위한 신호가 보내진다.)대동맥 화학 수용기는 줄어든 산소 집중도에 반응하고 증가된 이산화탄소에 반응한다. 즉 호흡 비율의 증가를 유발한다. 낮은 산소의 농도는 숨쉬는데 중요한 자극을 주지 않는다는 사실이 우리의 상식과 틀린 중요한 사항이다.

즉 이산화탄소의 비율이 증가 하는 것이 숨쉬는 자극을 증가시킨다는 사실이다. 낮은 산소 압력은 매우 위험한 수준에 이르기 전까지는 호흡 비율을 높이 증가 시키지 못한다. 이러한 화학 수용기의 역할을 이해하는 것이 호흡과정에서는 매우 중요하다.

'동물은 언제나 산소로 호흡하고 식물은 언제나 산소를 방출한다.' 는 잘못된 생각을 가지고 있었기 때문에 죽은 것이다. 동물이 호흡을 하듯이 식물도 호흡에 의해서 생활에 필요한 에너지를 얻으며 살아가고 있다. 즉 식물도 동물과 마찬가지로 산소를 흡수하고 이산화탄소를 내놓는 호흡을 하면서 살아가는 것이다.

단지 식물은 햇빛이 있을 동안에는 광합성을 하면서 더 많은 이산화탄소를 소비하고 산소를 방출하기 때문에 호흡에 의한 산소의 흡수는 무시되고 있을 뿐이다.

그러나 식물을 빛이 없는 곳에 옮겨 놓으면 호흡작용이 왕성하게 일어난다. 따라서 방안에 식물을 들여놓으면 밤 동안 호흡 작용에 의하여 산소를 소비하고 이산화탄소를 내놓기 때문에 산소 부족으로 호흡장애 현상을 일으키게 되는 것이다.

이산화 탄소의 고정과 환원 : 물질의 전환

일차 반응에서 생성된 에너지와 NADPH2 이산화 탄소를 고에너지인 탄수화물로 전환하는데 사용된다. 이 반응은 엽록체의 스트로마에서 일어난다.

이산화 탄소 고정을 위한 pentose-phoshate (Calvin- Benson Cycle)

이산화 탄소는 수용체 (Acc : pentosephoshate ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) )에 결합한다. 이반응은 RuBP-carboxyrase(Rubisco)에 의해 촉진된다. 이 효소는 식물체에 있어서 많은 양이 존재한다. (엽록체에 있는 수용성 단백질의 50%를 차지한다. )

6 탄소 분자인 탄수화물은 즉시 3탄소 분자의 3-phosphoglyceric acid (PGA)분해된다. 각각의 분자는 3탄소 원자로 되어 있으며 따라서 이 과정을 C3 pathway of CO2 assimation 이라 한다. PGA는 ATP와 NADPH2를 사용하여 GAP로 바뀐다. 이산화 탄소의 환원은 다음과 같다.

nCO2+nAcc+2nNADPH2+2nATP → (CH2O)n+2nNADP+ +2nADP +2nPi+nAcc+nH2O

삼인산 GAP는 탄소사슬의 길이가 다른 탄수화물 로 유입됨으로써 다양한 nfwf(ekd, shrakf, 카르복실산, 아미노산)의 합성이나, 수용체의 재생에 필요한 물질을 공급한다. 카르복실화의 효율성 즉, CO2 흡수된 후 반응되는 속도는 주로 효소의 양이나 활성, 이산화탄소의 이용도에 의해 제한된다. 영향을 미치는 다른 요인으로는 수용체의농도, 온도, 원형질의 수화정도, 무기물의 공급(특히, 인산) 및 식물체의활성상태 및 발달 단계등이 있다. 이온 흐름을 조절하는 앱시스산과 같은 식물호르몬 또한 반응 속도에 영향을 끼친다. 식물 환경 중 (물 또는 대기) CO2 농도가 높을수록 RuBP -카르복실화 효소의 촉매 현상을 더욱 높아진다. 늪지대에서 자라는 식물세포체의 세포간극내의 CO2농도는 뿌리로부터 내부확산에 의한 농도의 4%에 달한다.

식물에 의한 이산화탄소 고정과 지구환경보전

1. 서론

식물(plant)은 태양에너지를 이용하여 이산화탄소를 고정하고 인간에게 유익한 각종 유용자원(식품, 의약품, 공업 및 화학원료 등)을 제공하고 있는 지구상에 가장 이상적이고 효율적인 공장(plant, factory)이다. 그러나 지금 이 식물공장이 지구온난화, 오존층의 파괴, 산성비, 삼림파괴, 사막화 등 지구적 규모의 환경문제에 의해 위기에 처해 있다. 따라서, 이러한 위기에 처한 식물생태계를 보전하는 일은 우리 인류가 해결하여야 할 최우선 과제라 생각된다.

오늘날 인구증가와 생활패턴의 변화로 인류의 에너지(주로 화석에너지) 소비량은 비약적으로 증가하였다. 특히 산업혁명 이후 석탄, 석유 등 화석에너지의 연소에 따라 대기중의 이산화탄소 농도가 크게 상승하게 되었고, 이것이 지구온난화 등 심각한 지구환경문제를 야기시키는 중요한 원인이 되고 있다(그림 1). UN-IPCC는 대기중의 이산화탄소 농도가 2050년과 2100년에는 각각 지금의 약 1.5배, 2배가 될 것이며 다른 온실효과가스와 더불어 지구의 평균온도가 약 3℃이상 증가할 것으로 예측하고 있다[1]. 세계적인 규모에서 이산화탄소 배출량의 규제 등 여러 가지 방법이 검토되고 있지만 특별한 조치를 취하지 않으면 현재의 수준을 유지하기는 매우 어려운 실정이다. 따라서 적극적인 방법으로 이산화탄소를 흡수, 고정하는 방법의 개발이 요망된다. 현재 공업화학적인 방법을 중심으로 이산화탄소고정 연구가 추진되고 있으며 광합성 식물과 세균 등에 의한 이산화탄소를 효율적으로 고정하려는 생물학적 방법도 강구되고 있다. 과다하게 배출되는 이산화탄소가 화석연료에서 유래하고 있으며 이산화탄소를 식물에 흡수, 고정시키려는 것은 가장 자연스러운 이산화탄소 고정방법으로 생각할 수 있다. 식물체에 고정되는 탄소는 식량과 연료는 물론 공업원료, 화학원료로서 재사용 될 수 있기 때문이다. 그러나 열대림의 감소와 환경스트레스는 식물생태계의 보전뿐만 아니라 식물의 생산성을 크게 저하시켜 궁극적으로 인류의 식량문제에 큰 영향을 미칠 것이 확실시 된다. 이러한 측면에서 식물은 대기중 이산화탄소의 고정은 물론 지구환경문제 해결에 대단히 중요한 역할을 담당할 것이다.

지구환경문제 해결에는 1) 일차적으로 환경문제를 발생시킨 원인을 근본적으로 제거하는 방법, 2) 차선책이지만 환경스트레스에 잘 적응하는 생물를 개발하는 방법, 3) 환경위해성을 조기에 경보할 수 있는 환경스트레스에 민감한 지표생물을 개발하는 방법 등을 생각할 수 있겠다. 본 원고에서는 식물의 지속 가능한 개발과 이용에 관계되며 당면한 지구온난화에 대한 생물학적 해결책의 일환으로 이산화탄소를 고정하는 식물의 엽록체의 기능해석, 식물에 의한 이산화탄소의 효율적 고정과 엽록체 항산화기구 재설계에 의한 환경스트레스 내성식물 개발에 관한 내용을 주로 소개하고, 환경문제 해결에 대한 연구개발 방안을 제시하고자 한다.

2. 엽록체의 기능해석

광합성(photosynthesis)은 엽록체에서 일어나며, 엽록체는 라멜라라고 하는 막계의 티라코이드와 스트로마라고 하는 가용성분획으로 구성되어 있다. 광합성반응은 태양에너지를 화학에너지(ATP)로 변환하는 명반응과 명반응에서 합성된 ATP에너지를 사용하여 이산화탄소를 고정하는 암반응으로 구성된다(그림 2). 명반응은 티라코이드막상에서 암반응은 스트로마에 존재하는 칼빈회로에서 일어난다. 이러한 광합성에 관여하는 엽록체구성성분에 대해서는 현재에도 분리, 동정 및 기능해석이 계속되고 있다. 엽록체는 단독의 유전정보계를 갖고 있지만 엽록체게놈에 코드되어 있는 유전자는 엽록체 생합성에 필요한 유전자의 10%정도밖에 되지 않는다. 90%전후의 유전자는 핵게놈에 코드되어 있다. 따라서 엽록체의 구성과 기능발현에는 엽록체자신과 핵 그리고 미코콘드리아의 3자가 조절하여 발현하고 있다.

식물세포의 엽록체에는 약 130개의 독자적인 유전자가 존재한다. 담배, 우산이끼의 엽록체게놈의 전염기서열이 1986년에 결정되었다. 엽록체게놈에는 약 100개의 기지유전자와 약 30개의 ORF가 동정되어 있다[2]. 엽록체DNA에 의한 형질전환기술에 의해 내재하고 있는 유전자의 개량과 외래유전자를 엽록체에 도입하여 발현시키는 것이 가능하게 되었다. 또한 엽록체유전자와 상동성을 가진 cyanobacteria (blue-green algae)의 유전자파괴를 이용하여 엽록체게놈에 코드되어 있는 유존자의 기능해석이 효율적으로 진행되고 있다. 엽록체유전자의 기능해석이 이루어지면 이를 토대로 인위적으로 식물의 능력(이산화탄소 고정능력 등)을 제고시킬 수 있을 것이며 나아가 지구환경보전에 용용될 수 있을 것으로 기대된다.

3. 광합성에 의한 이산화탄소 고정능력의 향상

식물체에서 이산화탄소고정의 초기반응은 식물종에 따라 C3식물, C4식물, CAM (crassulacean acid metabolism, 주로 사막식물이 여기에 해당함)식물로 나눌수 있다. 벼, 보리 등 육상식물의 95%를 차지하는 C3식물은 엽록체의 이산화탄소고정효소인 RuBisCO (ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase)가 분자상의 CO2을 기질로 이용하고[RuBP + CO2 + H2O → 2(glycerate-3-P) + 2H+], C4식물과 CAM식물은 세포질의 PEPC (phosphoenolpyruvate carboxylase)가 HCO3-이온을 고정한다(PEP + HCO3- → oxalacetate + Pi). 식물에 의한 이산화탄소고정능력을 향상시키기 위한 노력으로 C3식물 엽록체에 RuBisCO의 효율을 극대화하는 연구, C4식물의 PEPC유전자를 C3식물에 도입하는 연구 등이 수행되고 있다.

식물의 광합성은 이산화탄소 고정단계에서 강하게 제약받고 있음이 밝혀지고 있다. 광합성 RuBisCO의 유전자가 이미 클로닝되어 이 효소의 기능연구와 이를 개량한 이상적인 RuBisCO을 사용한 식물광합성의 개량에 관한 연구가 일본 RITE(재단법인 지구환경산업기술연구기구)에서 "사막녹화프로젝트"의 일환으로 추진되고 있다. RuBisCO는 이산화탄소에 대한 친화성이 매우 낮으며, 효소의 반응속도가 자연계에서 발견되는 일반적인 효소에 비해 매우 낮고, 반응중에 활성이 저해되는 현상이 존재하는 등 이산화탄소 고정의 제한요인이 되고 있다. 식물은 이러한 RuBisCO의 열악성을 극복하기 위하여 식물 가용성단백질의 50%에 달하는 RuBisCO를 합성하고, 광합성명반응에서 획득한 에너지를 소비해버리고 가능한 이산화탄소를 고정하려고 하고 있다. 이러한 RuBisCO가 지닌 열악성을 개선하기 위한 RuBisCO개량에 관한 연구는 RuBisCO의 진화과정을 유전자구조와 효소기능의 입장에서 규명하고 보다 우수한 효소를 설계하는 방향으로 진행되고 있다. 다양한 식물유래의 RuBisCO을 비교하여 CO2/O2의 비특이성이 높은 개량형RuBisCO (일명 Super-RuBisCO라 함)를 발견/개발한 후, 반응속도가 높은 광합성세균에 이를 인위적으로 도입한 변이체를 개발한 결과, 고등식물RuBisCO의 5배, 광합성세균RuBisCO의 2배의 반응속도를 나타내었다. 현재는 설계된 Super-RuBisCO를 고등식물에 도입하여 효과를 평가하고 있는 단계라 그 성과가 주목된다.

미래에는 모델식물이 아니라 실제 사막 등에서 재배하는 식물에 응용하여 사막녹화을 통한 지구환경보전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다[3]. 옥수수 등 C4식물은 대다수의 육상식물(C3식물)에 비해 일반적으로 높은 이산화탄소 고정능력을 갖고 있다. C3식물에서 RuBisCO가 공기중의 이산화탄소를 고정하는데 직접적으로 관여하는데 비해 C4식물은 RuBisCO에 더하여 PEPC을 중심으로 이산화탄소을 고정하는 경로(C4경로)가 존재한다. C4식물은 C3식물에 비해 oxygenase활성이 없으며 RuBisCO에 비해 이산화탄소에 대하여 높은 친화성을 갖고 있다. 따라서, C3식물내에 C4식물의 PEPC을 비롯하여 C4경로의 효소활성을 강화시키면 높은 이산화탄소고정능력을 갖는 식물체를 개발할 수 있을 것으로 생각된다. C4식물인 옥수수의 PEPC유전자를 CaMV 35S promoter와 담배엽록체a/b결합단백질 promoter를 사용하여 C3식물인 담배에 도입한 결과, PEPC활성이 비형질전환식물체에 비해 약 2배 높은 식물체가 개발된 바 있다[4,5]. 수세대에 걸쳐 도입유전자가 안정적으로 유전됨이 확인되었고 형질전환체가 대기중의 이산화탄소의 고정을 증대시키고 유기산의 축적 등이 일어나고 있는지 등에 대한 특성이 규명되고 있어 결과가 기대된다.

4. 엽록체 항산화기구 개량에 의한 환경스트레스 내성식물 개발

식물공장의 핵심부위인 엽록체는 이상적인 단계까지 발달되어 있다고 생각할 수 있어, 앞에서 설명한 식물에 의한 광합성(이산화탄소고정) 능력의 향상에는 한계가 있을 것이다. 그러나 식물체가 나쁜 환경스트레스에 처할 때 생성되는 각종 유해한 활성산소종(reactive oxygen species)에 의한 산화적 스트레스(oxidative stress)는 식물생산성을 크게 저하시키거나 심하면 식물을 죽게한다. 특히 이산화탄소를 고정하여 산소를 생성하는 기관인 엽록체는 산소농도가 높을 뿐 아니라 환경스트레스를 받으면 엽록체내 광합성전자전달계에서 유리되는 전자가 생체내 산소와 반응하여 발생하는 각종 유해한 활성산소종을 과다하게 생산할 수 있어 어느 기관보다도 높은 산화적 스트레스를 받을 가능성이 높다. 따라서, 엽록체 항산화기구를 잘 개량하여 환경스트레스 조건에서도 잘 적응하는 식물체 개발은 식물의 생산성(광합성능력)을 유지, 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 당면한 이산화탄소 고정에도 크게 기여될 수 있을 것이다

[6]. 엽록체의 항산화방어기구에 대해서는 ascorbate-glutathione pathway가 제안되어 있다[7]. 그러나 높은 환경스트레스에서는 현재 식물이 가지고 있는 항산화방어시스템으로는 외부스트레스로부터 자신을 보호할 수 없을 것이다. 따라서 환경스트레스 조건에서도 식물의 생산성을 유지하기 위해서는 일차적으로 식물공장에서 가장 중요한 기관인 엽록체를 활성산소종의 피해로부터 보호할 필요가 있다. 이러한 관점에서 엽록체 항산화기구의 조절에 의한 환경스트레스 내성식물 개발연구가 시도되고 있다. 엽록체에 superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX) 등을 과량으로 생산하는 식물이 개발되어 환경스트레스에 내성을 가진다는 보고가 있어, 엽록체의 항산화기구의 재설계의 가능성이 제시되고 있다. 본인의 연구팀은 항산화기구의 대사공학연구를 통한 환경스트레스에 강한 식물개발에 주력하고 있다[8-10]. 이상적인 환경스트레스 내성식물의 개발목표는 엽록체에서 SOD와 APX를 환경스트레스 조건에서 동시에 강하게 발현하는 시스템을 개발하는 것이라 하겠다.

5. 환경문제 해결에 대한 식물환경생명공학 연구개발 제안

인류 최대위기에 직면하고 있는 지구환경문제 해결을 위해서는 사고의 대전환이 있어야 한다고 생각한다. 지구에는 인간, 동물, 식물, 미생물 등 많은 종류의 생명체가 공존하고 있음에도 불구하고 인간만이 지구의 주인공인 것처럼 착각하고 인간 중심적으로 지구를 개발하여 왔기 때문에 오늘과 같은 심각한 지구환경문제를 초래하였다고 생각한다. 따라서 우리는 지구상의 모든 생명체가 공존할 수 있는 쾌적한 지구환경을 복원하는데 최선을 다하여야 할 것이다. 오존층의 파괴, 지구온난화 등 대부분의 환경문제는 이를 발생시킨 국가만이 피해를 입는 것이 아니라 인접국가, 나아가서는 지구전체가 피해를 입는 것은 주지의 사실이다.

이러한 관점에서 지구환경문제 해결을 위한 식물환경생명공학의 개발사업은

1) 국가적인 차원에서 강력히 수행하여야 하고, 2) 국내 모든 기업이 참여하는 환경생명공학연구 콘소시움과 3) 한국, 중국, 일본 등 인접국가가 참여하는 다자국 환경생명공학연구 콘소시움의 형성과 아울러, 4) 관련연구자들이 사명감을 갖고 이 분야 연구에 적극 참여할 필요가 있다고 생각된다. 정부가 주도하는 식물관련 과제에는 식량의 안정적인 확보를 위해 작물의 수량에 직접적으로 영향을 주는 병충해에 내성을 갖는 식물개발연구에는 어느 정도 지원되고 있으나 식물의 환경적응성 기구와 환경스트레스 내성식물(환경친화적 식물) 개발에 대한 지원은 미진한 실정이다. 선도기술개발사업을 포함한 특정연구개발사업은 기업의 참여를 요구하고 있으나 환경문제 특히 식물환경문제는 특정기업만의 문제가 아니기 때문에 국가주도형이 되어야 한다고 생각한다. 모든 기업의 참여를 유도하기 위해서라도 관련 모든 기업이 큰 부담 없이 참여할 수 있는 "(식물)환경생명공학연구 콘소시움"을 구성할 필요가 있다고 생각한다.

일본학술진흥회에서 주관하는 미래개척학술연구의 일환으로 추진중인 "21세기 식량 및 자원확보와 환경보전에 대응하기 위한 식물의 분자육종"연구가 좋은 참고가 될 수 있다. 식물은 식량문제 뿐 아니라 환경문제 해결에도 지대하게 영향을 미치기 때문에 국가차원에서 가칭 "식물환경연구사업단"의 설립이 요구된다. 또한 환경문제는 인접국가간의 이해관계가 얽혀 있기 때문에 한국, 일본, 중국 등이 참여하는 지역콘소시움을 형성하여 국제공동연구형태로 추진할 필요가 있다. 특히 중국, 북한 등에서 발생되는 심각한 환경오염은 바로 우리나라가 가장 크게 영향을 받고 있는 점을 상기할 필요가 있다. 아울러 식물관련 연구자들도 바로 눈앞에 이익을 위한 연구에서 지구와 인류에 진정하게 도움이 되는 미래지향적인 연구분야에 보다 많은 관심을 가져야 할 것이다.

결론적으로 지구적 규모의 환경문제는 우리인류가 해결해야 할 최우선 당면과제임을 인식하고 환경문제 해결을 위한 식물생명공학기술개발에 정부와 기업의 과감하고도 책임감 있는 지속적인 투자가 있어야 하며, 관련연구자들의 사명감 있는 연구가 절실히 요망되는 시점이라 판단된다.

6. 참고문헌

1. Watson RT, Rodhe H, Oescheger H, Siegenthaler U (1990) Greenhouse gases and aerosols. In Climate Change: The IPCC Scientific Assessment (eds Houghton JT, Jenkins GJ, Ephraums JJ), pp 1-40. Cambridge University Press. Cambridge

2. Kohchi T, Ohta E, Ohyama K (1994) Functional analysis of genes encoded in the chloroplast genome. Plant Cell Biotechnology 6(supplement):88-97

3. Yokota A (1994) Improvement of the CO2 fixation reaction in photosynthesis. Plant Cell Biotechnology 6(supplement):134-140

4. Izui K, Uchimiya H, Yanagisawa S, Terada K (1994) Augmentation of carbon dioxide-fixation ability of photosynthetic organisms by genetic engineering. Plant Cell Biotechnology 6(supplement):115-123

5. Hudspeth RL, Grula JW, Dai Z, Edwards GE, Ku MSB (1992) Expression‎_(1995) Dissection of oxidative stress tolerance using transgenic plants. Plant Physiology 107:1049-1054

7. Asada K (1994) Production and action of active oxygen species in photosynthetic tissues. In Causes of Photooxidative Stress abd Amelioration of Defence Systems in Plants. (eds Foyer CH, Mullneaux PM), pp. 77-104, CRC Press, Boca Raton, FL

8. Kwak SS, Huh GH, Yun BW, Kwon SY, Lee HS (1996) Development of stress-tolerant plants by using antioxidant enzymes. Proceedings of '96 Symposium on Advanced Enzyme Application in Agrobiotechnology. pp. 26-49. October 19, 1996. Suwon

9. Huh GH, Lee SJ, Bae YS, Liu JR, Kwak SS (1997) Molecular cloning and characterization of cDNAs for anionic and neutral peroxidases from suspension cultured-cells of sweet potato and their differential expression‎_(1998) Transgenic tobacco plants that express the SOD and APX simultaneously. Annual Meeting of Korean Society of Plant Tissue Culture. Abstract P12. November 5-6, 1998. Kwangju