정답
① \( \mathrm{Fe^{2+}} \), ㉢ 킬레이트제(금속 이온 킬레이터)
출제 의도
이 문제는 토양 중에 주로 난용성 제2철 산화물 형태로 존재하는 철을 쌍떡잎식물 뿌리가 어떻게 용해·환원하여 흡수하는지, 그리고 원형질막의 H+-펌프와 킬레이트제가 이 과정에서 어떤 역할을 하는지를 이해하고 서술할 수 있는지를 평가한다.
풀이 과정
중성 pH 토양에서 철은 대부분 난용성 제2철 산화물(Fe(III) 산화물) 형태로 존재하여 그대로는 뿌리가 흡수하기 어렵다. 쌍떡잎식물의 뿌리는 제2철(Fe³⁺)을 제1철(Fe²⁺)로 환원하여 용해도를 높인 뒤, 이 철 이온을 흡수한다. 따라서 그림에서 ‘용해된 철 이온’으로 표기된 밑줄 친 ①은 제1철 이온인 \( \mathrm{Fe^{2+}} \)이다.
또한 뿌리는 시트르산, 말산, 구연산 등과 같이 금속 이온과 배위결합을 하여 안정한 수용성 복합체를 형성하는 유기산을 분비하는데, 이러한 물질을 (ㄱ)이라고 한다. (ㄱ)은 철과 같은 금속 이온을 둘러싸서 킬레이트(chelate) 복합체를 만드는 물질이므로, (ㄱ)의 명칭은 킬레이트제이다. 양액 재배에서 철 흡수를 증가시키기 위해 EDTA, DTPA와 같은 인공 킬레이트제를 첨가하는 것도 같은 원리이다. 따라서 괄호 안의 ㉢에 해당하는 명칭은 킬레이트제이다.
그림의 원형질막 단백질 P는 H+-펌프(H+-ATPase)로, ATP를 분해한 에너지를 이용해 뿌리 세포 안의 H+를 원형질막 바깥(토양 쪽)으로 능동 수송한다. 이로 인해 뿌리 주변 토양(근권)의 H+ 농도가 높아지고 pH가 낮아져 토양이 산성화된다.
토양이 산성화되면 난용성 제2철 산화물이나 토양 입자에 흡착되어 있던 철 화합물이 H+와의 반응 및 이온 교환 작용에 의해 용해되어, 수용성 Fe³⁺ 형태로 토양 용액 중으로 풀려 나온다. 이렇게 용해된 Fe³⁺는 뿌리 표피 세포막 바깥쪽에 존재하는 환원효소(페리크 킬레이트 환원효소)에 의해 제1철 이온 \( \mathrm{Fe^{2+}} \)로 환원된다.
한편 뿌리에서 분비된 유기산(킬레이트제)이나 양액에 첨가된 EDTA, DTPA 같은 킬레이트제는 용해된 철 이온과 결합하여 안정한 수용성 철-킬레이트 복합체를 형성한다. 이 복합체는 다시 침전되지 않고 용액 상태로 유지되므로, 뿌리 표면에서 환원·수송되기 쉬운 형태로 철을 공급해 준다.
결과적으로 원형질막 단백질 P에 의한 H+의 능동 수송은 근권 토양을 산성화하여 철 화합물의 용해를 촉진하고, 용해된 철은 환원효소에 의해 \( \mathrm{Fe^{2+}} \)로 전환된 후 뿌리 내부로 운반되며, 킬레이트제는 이 과정에서 철을 수용성 상태로 안정적으로 유지시켜 철 흡수를 더욱 증가시킨다.
여기에서부터 수식을 MathJax로 출력한다.
뿌리 세포막 밖으로의 양성자 펌프 작용은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
$$ \text{ATP} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{H^+}_{\text{세포 내}} \;\longrightarrow\; \text{ADP} + \mathrm{P_i} + \mathrm{H^+}_{\text{토양}} $$
또한 제2철의 환원은 다음과 같이 정리할 수 있다.
$$ \mathrm{Fe^{3+}} + e^- \;\longrightarrow\; \mathrm{Fe^{2+}} $$
따라서 밑줄 친 ①은 \( \mathrm{Fe^{2+}} \)이며, ㉢은 금속 이온을 킬레이트하는 킬레이트제이다.
<풀이가 부정확할 수 있으니 반드시 교차검증 확인 바랍니다.>