수소화효소

수소는 주기율표 상에서 원자번호 1인 가장 가벼운 화학원소이며, 일반적으로 수소원자 두 개가 결합하여 수소분자(H2)의 형태를 취한다. 수소는 또한 우주 전체의 질량의 75%를 차지하며, 지구 상에서도 흔한 원소이나 순수한 수소 분자 자체로 존재하는 일은 드물고, 일반적으로 메탄(CH4)이나 물(H2O) 분자처럼 일반적으로 다른 원소와 결합된 상태로 존재한다. 생물체가 보유한 효소 중에는 이러한 수소분자에서 전자를 떼어내어 양성자인 수소 양이온(H+; Proton; Hydron; 히드론)을 만드는 반응을 촉매 하거나, 반대로 이러한 반응의 역반응을 촉매 하여서 수소 분자(H2)를 생산하는데 관여하는 효소가 있다. 이러한 두 가지 가역적인 반응(reversible reaction) 등을 촉매하는 생물 효소를 통칭하여 수소화효소(하이드로제네이스; Hydrogenase; H2ase)라고 부른다. 첫 번째 반응을 ‘수소 소비 반응(Hydrogen uptake reaction)’이라고 부르는데 이 반응에서는 수소 분자에서 전자(Electron; e-)를 떼어내어 수소양이온(H+; proton)을 만드는 과정에서 전자(Electron; e-)를 받아들이는 전자수용체(Electron Acceptor)가 필요하다. 반대로 두 번째 반응을 ‘수소 양이온 환원 반응(Proton reduction)’이라고 칭하는데, 이 반응에서는 수소 양이온(proton)으로부터 수소 분자를 만드는 화학 반응에서 전자(Electron; e-)를 제공하는 전자공여체(Electron Donor)가 필요하다.¹⁾ 이 중 두 번째 반응, 즉 수소 분자를 만드는 화학 과정은 수소를 원료로 전기에너지를 만드는 수소에너지(Hydrogen Energy) 생산 측면에서 주목을 받고 있다.

수소화효소를 활용한 수소 생산과 수소를 활용한 전기 생산 ()

목차

수소화효소(하이드로제네이스; Hydrogenase; H₂ase)는 효소의 활성 부위(Active Site)에 철(iron)과 니켈(Nickel) 금속을 보유하고 있는 ‘금속 함유 효소(Metalloenzymes)’이다. 수소화효소(Hydrogenase)에 중심에 있는 금속 이온은 수소화효소의 활성에서 중요한 보조 역할을 수행한다. 이 활성부위에 존재하는 금속 이온의 종류에 따라서 수소화효소를 ‘니켈-철 수소화효소(「NiFe」-Hydrogenase)’, ‘철-철 수소화효소(「FeFe」-Hydrogenase)’, 그리고 ‘철 수소화효소(「Fe」-Hydrogenase)’로 분류한다.²⁾ 이 중, ‘니켈-철 수소화효소(「NiFe」-Hydrogenase)’와 ‘철-철 수소화효소(「FeFe」-Hydrogenase)’ 모두 금속 이온이 위치한 효소 활성 부위를 일산화탄소 그룹(Carbon monoxide group; CO)과 시아나이드 그룹(Cyanide group; CN^-)이 둘러싸서 결합하고 있어서, 수소화효소의 산화 환원 반응을 통한 수소 양이온(proton; H⁺) 또는 수소 분자(H₂)의 생성 반응이 원활히 일어나도록 도와준다. 

니켈-철 수소화효소의 단백질 구조 ()

수소화효소(Hydrogenase)를 보유하는 미생물들은 박테리아(Bacteria; 세균)과 고균(고세균; Archaea) 및 시아노박테리아(Cyanobacteria; 남조류) 그리고 조류(Algae)에 걸쳐서 널리 분포하고 있다. 그러나, 이러한 다양한 수소화효소는 그 생물학적 유래(origin)에 따라 분류되기 보다는, 수소화효소의 활성 부위(Active Site)에 존재하는 금속 이온의 종류에 따라서 일반적으로 분류된다. 상술한 것처럼, ‘니켈-철 수소화효소(「NiFe」-Hydrogenase)’, ‘철-철 수소화효소(「FeFe」-Hydrogenase)’, 그리고 ‘철 수소화효소(「Fe」-Hydrogenase)’ 등으로 분류한다.²⁾

이 수소화 효소를 보유하고 있는 대표적인 미생물로는 Desulfovibrio gigas, D. fructosovorans, D. vulgaris, D. desulfuricans 등이 있다. 크고 작은 두 개의 단백질 서브 유닛[Small(S) subunit + Large(L) subunit]으로 구성된 헤테로다이머(Heterodimer) 단백질이다.

이 계통의 수소화 효소들은 두 개의 철(iron)이온 주위로 아미노산 시스테인(Cystein)이 위차하여 「4Fe-4S」라고도 표현되며, H-클러스터(H-cluster)라고도 불리는 구조를 만들어낸다. 이 수소화효소를 지니고 있는 대표적인 미생물로는 Clostridium pasteurianum 와 Desulfovibrio desulfuricans와 미세조류(Microalgae)인 Chlamydomonas reinhardtii가 있다.  

최근에야 철(iron) 금속 보조 원소가 활성 부위에 존재하는 것이 밝혀졌고, 그 전에는 ‘금속 함유 효소(Metalloenzymes)’가 아닌 순수한 유기물로 구성된 효소로 잘못 간주되었다. 고균(Archae; 고세균)에서만 발견되는 수소화효소이다.

수소를 에너지로 활용하게 되면 공기 중 수소의 연소 시 공해물질이 배출되지 않아서, 수소에너지(Hydrogen Energy)를 청정에너지라고도 부르고 있다. 또한 수소를 연료전지(Fuel cell)와 결합시키면 수소를 연료로 공해 없는 전기 에너지를 만들 수 있어서, 대체 에너지원으로 각광을 받고 있다. 문제는 수소에너지가 보편화되기 위해서 충분한 수소 생산이 필요하다는 점이고, 이러한 점에서 수소화효소(Hydrogenase)를 활용하는 생물학적인 수소 생산은 각광을 받고 있다[또 다른 수소 생산 생물효소인 질소고정효소(질소분해효소, nitrogenase)에 비하여 대사회전 수(Turnover number; K_cat)이 더 높아서 유망하다]. 하지만, 일반적으로 자연계에서 수소를 생성하는 수소화효소(Hydrogenase)들은 대부분 산소에 매우 민감하여서 산소 존재의 유무에 따라 효소의 안정성(Stability)와 활성(Activity)가 크게 저해를 받는다. 이러한 수소화효소(Hydrogenase)의 수소민감성은 수소에너지를 생물학적으로 수소화효소(Hydrogenase)를 활용하여 생산하고자 할 때에 지대한 제약 요인으로 작용하며, 수소에너지의 생물학적 생산을 위하여 반드시 풀어야 할 숙제라고 할 수 있다.

질소고정 효소(nitrogenase), 전자공여체(Electron Donor), 전자수용체(Electron Acceptor), 질소고정, 미생물, 계통, 고균(고세균; Archaea), 세균, 조류

최윤이/고려대학교

하남출/서울대학교

1. Yagi, T. and Higuchi, Y. 2013. Studies on hydrogenase. Proc. Jpn. Acad. Ser. B. 89, 16-33.
2. Simmons, T.R., Berggren, G., Bacchi, M., Fontecave, M., and Artero, V. 2014. Mimicking hydrogenases: From biomimetics to artificial enzymes. Coord. Chem. Rev. 270-271, 127-150.