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대덕밸리과학소식/한국연구재단

산소의 화학반응에서 생성된 중간체 구조

산소는 생명체에게 없어서는 안 될 가장 중요한 물질로, 철을 함유한 산소화 효소를 통해 활성화되어 생명유지에 꼭 필요한 화학물질 합성에 사용됩니다.

이러한 중요성으로 인해 전 세계 연구자들이 생체 내 산소화 효소의 화학반응을 꾸준히 연구해왔지만, 산소 활성화 과정에서 생성되는 몇 가지 핵심적인 중간체의 구조를 밝혀내지 못해, 생명체의 산소 사용과정은 여전히 풀리지 않는 숙제로 남아있었습니다. 

또한  산소 활성화 과정의 역반응인 물의 산화는 매우 중요한 화학반응이지만, 지금까지 산소 발생반응의 메커니즘은 정확히 밝혀지지 않았습니다.
 
 과학자들은 물의 산화반응을 통해 산소가 생성되는 식물의 광합성에도 산소를 함유하고 있는 중간체와 유사한 종이 존재할 것으로 추정했습니다 

X-ray 회절법에 의해 저온에서 밝혀진 반응 중간체의 구조로서 산소 분자가 철 금속에 대칭적 모양으로 결합하고 있다.

이화여대 남원우 교수, 조재흥 특임교수, 전수진, 강은아 석사과정생이 주도하고 솔로몬 교수(미국 스탠포드대), 발렌타인 교수(미국 UCLA) 및 임미희 교수(미국 미시건대)가 참여한 연구팀은 생명유지에 필요한 생체 내 효소와 산소의 화학반응에서 생성된 중간체의 구조를 생체모방연구를 통해 세계 최초로 밝혔습니다

대부분의 화학적 반응은 여러 단계를 통하여 진행되는데, 중간체는 그 중간 단계의 하나로 존재하는 물질로, 짧은 시간에 생성되었다 사라지는 매우 불안정하고 반응성이 큰 분자를 말합니다.

남원우 교수 연구팀은 효소에 의한 산소 활성화 반응에서 생성된 중간체의 구조를 확인하고, 산소 활성화 반응 메커니즘을 규명했습니다.

연구팀은 생체 효소의 반응과 유사한 인공 효소의 극저온 화학반응을 통해 중간체의 존재를 발견하고, 중간체의 구조를 다양한 방법(X-ray 회절법과 방사광 가속장치)을 통해 규명했습니다.

또 연구팀은 중간체의 구조가 반응경로에 따라 변하는 모양을 추적하여, 산소가 생체 내 산소화 효소에 의해 활성화되는 메커니즘을 밝혀냈습니다.

아울러 이번 연구결과는 친환경 에너지원을 확보하는데 중요한 물의 산화 반응을 이해하는 이론적 토대를 마련했습니다.

이화여자대학교 생체모방연구단, (왼쪽부터) 조재흥 박사(특임교수), 전수진 연구원(석사과정), 남원우 교수(연구단장), 강은아 연구원(석사과정)

이번 연구는 인간을 포함한 생명체의 존재에 필수적인 효소와 산소의 화학반응에서 순식간에 나타났다 사라지는 중간체의 존재와 구조를 규명한 기초연구로, 지구에 풍부히 존재하면서도 공해가 없는 산소와 물을 이용한 친환경 에너지 생산 등 인류에게 필요한 무공해 생산공정 개발에 새로운 가능성을 제시했다는 평가를 받고 있습니다.

 용  어  설  명

생체모방 연구 :
생명체의 화학 반응을 이해하기 위하여 인공 화학 물질을 사용하여 생명체에서 일어나는 화학 반응을 규명하기 위한 연구.

중간체 :
화학 반응에서 짧은 시간에 생성되었다 사라지는 매우 불안정하고 반응성이 큰 분자를 말한다. 대부분의 화학적 반응은 여러 단계를 통하여 진행되는데, 반응 중간체는 그 중간 단계의 하나로 존재하는 물질이다. 이러한 중간체의 구조와 화학적 성질을 이해할 경우 화학 반응이 어떤 경로를 통하여 진행하는지를 이해하는데 큰 도움을 준다.

X-ray 회절법 :
비파괴 분석 기법의 하나로 X-ray의 회절을 이용하여 물질의 결정 구조, 화학적 조성, 그리고 물리적 특성에 대한 정보를 밝히는 방법이다. 물질의 내부 미세 구조를 밝히는데 매우 유용한 수단이다.

방사광 가속장치 :
빛이 발생하는 입자를 가속하는 장치로서 이렇게 방출된 방사광은 빔라인을 통해 빠져나와 물질의 구성단위 수준에서 분자나 원자의 세계를 규명할 수 있다.