Mitochondria를 이용 Paraquat의 전자포흭 과정을 보면 Paraquat가 생체내의 catabolic pathway에서 생성된 전자를 포획하여 산화형의 Paraquat가 환원형으로 바뀌고 다시 산소 등에 직접 electron을 넘겨주고 다시 산화형이 될 수 있는 것으로 보인다. 또한 paraquat가 포획한 전자를 산소와 같은 물질에 넘겨줌으로서 cytochrome 호흡쇄로의 단계별 전자전달계가 막혀 생물체에 있어서 paraquat에 의한 급성독성이 나타날 것으로 보인다.
<h1>결과 및 고찰</h1><h2>Paraquat의 전자포획 및 방출</h2><h3>Paraquat의 전자포흭</h3><p>Mitochondria를 이용해서 paraquat와의 작용을 검토하는 과정에서 다음과 같은 결과를 얻었다.</p><p>Plate 1의 A에서와 같이 투명한 mitochondria액에 \( 1.0 \mathrm{mM} \) 이상의 paraquat를 첨가한 결과 육안으로도 식별 가능한 청색의 발색현상이 확인되었다. 이러한 발색현상을 해석하기 위해 전극을 설치한 photo cell에 \( 1.0 \mathrm{mM} \)의 paraquat를 넣고 \( 0.1 \mathrm{~mA} \)의 전류를 통하는 실험을 행한 결과 사진의 B와 같이 음극으로부터 청색으로 발색되기 시작하여 전반적으로 청색화됨을 관찰할 수 있었다.</p><p>Paraquat에 의한 산화-환원반응의 가속화 경향은 mitochondria와 paraquat가 반응해서 청색으로 발색되는 현상으로부터 해석될 수 있는 바, paraquat가 전자를 포획한 결과로 판단되었다. Mitochondria와 paraquat와의 반응에 의한 청색화 현상은 mitochondria에서의 물질대사 과정중 발생된 electron을 paraquat가 포획한 결과로 판단된다.</p><h3>Paraquat와 \( \mathrm{NAD}^{+} \)의 전자포획 비교</h3><p>농도별 paraquat에 \( 1.5 \mathrm{~V} \)의 전류를 10분간 처리한 후 \( 340\mathrm{nm} \)에서의 흡광도 변화를 측정한 결과는 Fig. 1과 같다. Paraquat농도가 \( 1.0 \mathrm{mM} \)이하인 경우는 전자포획에 의한 흡광도 증가가 거의 없었으나 \( 1.0 \mathrm{mM} \)이상에서는 전자를 포획하여 흡광도가 직선적으로 증가하였다.</p><p>\( 1.0 \mathrm{mM} \)의 NAD와 paraquat에 대한 동일한 통전실험을 행하여 경시적으로 \( 340 \mathrm{~nm} \)에서의 흡광도 변화를 비교 측정 한 결과는 Fig. 2와 같다.</p><p>Paraquat와 \( \mathrm{NAD}^{+} \)에 전자를 공급함으로써 수용액 중에 있는 proton을 흡수하여 \( 340 \mathrm{~nm} \)에서 흡광도가 증가 하는 현상이 확인 되었으며 그 경향이 두 물질에 있어서 매우 유사하였다. 차이는 \( \mathrm{NAD}^{+} \)는 거의 직선적인 증가를 하였으나 paraquat는 통전 후 약 12분경에 변곡점을 가지는 증가를 볼 수 있었다. 이것은 NAD가 electron을 받아들일 수 있는 Nitrogen+이온이 한 개인데 비하여 paraquat는 2개가 존재하기 때문인 것으로 판단된다.</p><p>Paraquat의 electron포획은 paraquat의 식물에 대한 제초효과가 광합성에 의해 생성되는 electron을 paraquat가 흡수함으로서 시발된다는 것과 Liochev등 과 Simon등이 paraquat에 의한 redox-cycle의 activation을 보고한 바와 일치되는 결과이다.</p><p>또한 Paraquat와 NAD가 전자를 포획함에 있어서 서로 경쟁적인 관계라고 판단되며, 만약 paraquat가 전자를 포획만하고 다른 물질에 넘겨줄 수 없다면 NAD(H)의 산화 및 환원반응 중 어느 한쪽은 가속되나 다른 한쪽은 가속되지 않을 가능성이 있다. 그러나 두 반응 모두 가속된 결과로 봐서 electron을 포획한 다음 다른 물질에 넘겨줄 수도 있다고 판단되며 Frank도 paraquat의 전자포획과 방출에 대한 가능성을 언급하였다.</p><p>또한 paraquat의 전자포획 및 방출기능을 이용하여 Klier 등은 paraquat의 독성에 영향을 받지 않은 일부 균주를 이용하여 electrochemical cell에서 paraquat (methyl viologen: \( \mathrm{MV}^{+} \))와 수소를 공급하여 dihydrooxazine의 N-O bond를 환원적으로 절단하여 amino cyclitol을 합성하는 방법이 화학 합성법 보다 효과적임을 보고하였으며 Braun 등, Thanos 등 및 Tidswell 등도 paraquat 내성의 혐기적 세균(Clostridium)을 이용하여 유사한 결과를 보고하였다.</p><h3>Paraquat의 전자포획 및 방출</h3><p>Paraquat에 전자를 넣고 전류를 통하여 발색되는 전자포획 현상을 청색의 특이 흡광파장인 \( 660 \mathrm{~nm} \)에서 timer scanning 하여 추적한 결과는 Fig. 3과 같다.</p><p>Fig. 3A의 경우 paraquat만 넣고 전류를 흘린 결과 초기 \(5 \sim10\)분 사이에 대단히 심한 흡광도 변화를 볼 수 있으며 이후 비교적 안정되는 경향이었다. 이러한 초기의 흡광도 변화의 원인이 paraquat이외의 친 전자성 물질의 공존에 의한, paraquat와의 전자포획의 투쟁에 의한 결과로 판단하고 NaOH를 반응 초기에 첨가하여 친 전자성 물질을 제거한 결과 Fig. 3 B에서와 같이 초기의 불안정한 흡광도 변화는 없어지고 직선적인 흡광도 증가 현상을 볼 수 있었다.</p><p>이러한 현상은 paraquat가 음극으로부터 직접 전자를 받아 간다는 Plate 1과 일치되는 결과이다. 그리고 NAD(H) 산화 및 환원에 대한 효소반응의 결과에서 paraquat에 의한 가속화 현상이 paraquat가 전자를 포획할 뿐만 아니라 다른 물질에 전자를 공급할 수도 있다는 판단아래 B의 \( \downarrow \) 지점에서 proton을 첨가한 결과 첨가직후부터 격렬한 수소 gas발생과 함께 흡광도가 일직선으로 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이 결과로부터 paraquat는 전자를 포획할 뿐만 아니라 다른 물질에 전자를 넘겨줄 수도 있다는 것이 확인되었다.</p><p>또한 paraquat의 독성이 산소 의존성이라는 점에서 paraquat가 산소에 직접 전자를 넘겨줄 수 있는지를 확인하기 위한 실험의 결과는 Fig. 4와 같다. 전자를 공급하여 청색으로 발색된 paraquat에 발생기 산소 및 분자상태의 산소를 공급한 결과 두 경우 모두 급격한 흡광도 감소현상을 볼 수 있었다. 이상의 결과로 부터 paraquat는 전자를 포획할 뿐만 아니라 수소 및 산소에 전자를 넘겨줄 수 있음이 확인되었다.</p><p>효소를 매개로 하지 않은 경우에도 paraquat와 NADH간에 전자포획을 위한 경쟁적 반응이 일어날 수 있다는 가능성이 Fig. 5의 결과로부터 제시되었다. 즉 NADH와 paraquat의 혼합액에서 불안정하고 불규칙한 흡광도 변화가 확인 되었으며 이는 NADH와 paraquat간에 전자가 직접 출입된다는 것을 단정적으로 결론 지을수는 없으나 NADH와 paraquat 사이에는 경쟁적인 반응이 일어나고 있는 것으로 판단된다.</p><p>이상의 결과를 종합하면 Paraquat가 생체내의 catabolic pathway에서 생성된 전자를 포획하여 산화형의 Paraquat가 환원형으로 바뀌어 \( 660 \mathrm{~nm} \)에서 높은 흡광도를 나타내는 구조가 되며, 이는 cyctochrome호흡쇄를 거치지 않고 산소 등에 직접 electron을 넘겨주고 자신은 다시 electron을 받을 수 있는 산화형이 될 수 있는 것으로 판단된다. 산소에 electron을 넘겨줌으로써 superoxide radical들이 다량 생성되고 정상적인 상태에서는 SOD에 의하여 superoxide radical들이 처리되어지나 paraquat에 의해 SOD가 직접적인 저해를 받음으로써 superoxide radical들이 해독작용을 받지 못하고 막의 불포화 지질에 작용하여 지질 과산화물을 축적함으로써 독작용을 나타내는 것으로 추정된다. 그러나 지질 과산화물이 만들어져 생체가 사멸하기까지는 상당한 시간을 요할 것이다. 그러나 paraquat가 산화환원반응에서 포획한 전자를 산소와 같은 물질에 직접 넘겨줌으로서 cytochrome 호흡쇄로의 단계별 전자전달계가 차단된다면 산화적 인산화가 저해되어 생물체에 있어서 SOD 활성저해 이전의 paraquat에 의한 급성독성으로 나타날 것이라 판단된다.</p>