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1. 개요
酸化的燐酸化 / Oxidative phosphorylation세포질에서 이루어지는 해당과정, 미토콘드리아 내부 매트릭스에서 이루어지는 TCA 회로에서 산출된 전자 공여체인 [math(rm NADH)]와 [math(rm FADH₂)]를 이용해 미토콘드리아의 내막과 막간공간의 수소이온 농도 구배를 형성한 뒤, 이를 에너지원으로 이용해 ADP에 인산을 붙여 ATP를 만드는 과정.
유산소 세포호흡의 세 단계인 해당과정, TCA 회로, 산화적 인산화 중 마지막 단계로서, 이 단계에서 전체 세포호흡 과정을 통틀어 대부분의 ATP가 생성된다.
산화적 인산화의 과정을 간단히 서술하자면 다음과 같다. 해당과정과 TCA 회로 결과 NADH와 FADH2라는 물질이 산출되는데, 이들은 고에너지 전자를 미토콘드리아 내막의 전자전달계로 운반한다. 전자를 받은 전자전달계는 전자의 에너지를 원동력으로 미토콘드리아 기질 내의 양성자를 막간공간으로 펌프질한다. 그 결과 미토콘드리아 기질과 막간공간 사이에는 양성자의 농도차가 발생하고 결국 양성자는 막간공간에서 기질로 확산된다. 이때 양성자는 미토콘드리아 내막에 존재하는 ATP 합성효소를 경유하여 확산되고, ATP 합성효소는 양성자의 확산되는 에너지를 원동력(Proton motive force, PMF)으로 ATP를 생산한다.
2. 산화적 인산화 단계
2.1. 전자전달계
미토콘드리아 가장 안쪽 (이중막의 맨 안쪽)에서 TCA 회로가 돌고, 그 회로의 결과물로 두 종류의 전자공여체 (NADH 와 FADH₂)가 생성된 상태에서 개시한다.간단히 요약하면, 먼저 NADH 와 FADH₂에서 수소이온이 막간 단백질을 통해 이중막 사이 공간으로 이동한다. 이 과정에서 남는 전하 (그러니까 전자)는 전자전달계라고 불리는 일련의 단백질 군(복합체 I, II, III, IV로 구성되는)을 거쳐 최종적으로 막 안의 남는 수소 이온 및 산소와 결합하여 물을 만들게 된다. 비율식으로 따져보면 대충 수소이온 열 개 중 네다섯 개가 밖으로 나가고 두 개가 전자하고 산소하고 붙어서 물이 되는 정도. (NADH 와 FADH₂의 비율이 달라서 딱 맞게 안떨어진다.) 나머지는 손실.
이 중 복합체 I, III, IV는 전자를 통과시키며 미토콘드리아 매트릭스(기질) 안의 수소이온을 막간공간으로 수송하는 역할을 하며, 유비퀴논(ubiquinone, UQ 또는 Coenzyme Q)은 전자를 I과II에서 받아 III로 옮기는 징검다리 역할을 한다. 전자가 전자 전달계를 이처럼 순차적으로 이동할 수 있는 것은 전자 친화도가 높은 쪽으로 전자가 이동하기 때문인데, 이때 전자 친화도가 상대적으로 가장 낮은 NADH에서 시작하면 I, III, IV를 거쳐 전자가 흘러가고 석신산에서 푸마르산으로 가는 중 나오는 FADH₂ 경우는 II (이게 TCA의 석신산 탈수소효소다)에서 시작해 III, IV를 거쳐 간다. 시작보다 조금 높은, 그보다 조금 높은, 거기에서 조금 더 높은 전자 전달계 순으로 이동하며 최종적으로는 가장 높은 전자 친화도를 가진 산소에게 전달된다. 즉 III의 전자 친화도보다 Cyt c[1]의 전자 친화도가 더 크다. 전자가 전달될수록 전자가 가진 에너지의 크기는 점차 감소하며, 이 과정에서 전자가 일을 하게 되는데, 전자가 하는 일은 전자 전달계 I, III, IV의 수소이온 펌프를 돌려 막 안에서 밖으로 수소이온을 농도 기울기를 거슬러서 능동수송하는 일이다.
따라서 NADH에서 나온 전자 한 쌍은 복합체 I, III, IV를 모두 거치므로(=펌프 세 개) 총 3개의 수소 이온을 수송하게 되고, FADH₂에서 나온 전자 한 쌍은 복합체 II, III, IV만 거치므로 III에서 한 번, IV에서 한 번 이렇게 총 두 번만 수소 이온을 수송하게 된다.
ATP 합성 효소는 미토콘드리아 막간 공간에 있는 수소이온 하나를 통과시킬 때 마다 ATP 하나를 만드므로 NADH의 경우 최대 3분자의 ATP를, FADH₂의 경우에 최대 2분자의 ATP를 합성한다. 단, 전자전달계에서 수송한 수소이온이 전부 ATP 합성에 쓰이는 것은 아니고 일부는 피루브산을 미토콘드리아 매트릭스 안으로 수송하는 데도 사용되며, 일부는 밖으로 새어나가서 유실되기도 한다. 따라서 실험적으로는 NADH 한 분자로 대략 2.5개의 ATP를, FADH₂ 한 분자로 대략 1.5개의 ATP를 만드는 것으로 알려져 있다.
전자전달계를 통과한 전자는 최종전자 수용체인 산소에 전달되어 수소이온과 결합해 물을 만들어낸다. 최종전자 수용체인 산소가 없으면 전자 전달 효소들이 산화되지 못하기 때문에 전자의 전달이 멈추고 NADHD와 FADH₂가 산화되지 못하게 되기 때문에 TCA회로에서 요구하는 NAD+와 FAD가 부족해져 TCA회로와 산화적 인산화 모두 일어날수 없게 된다.
2.2. 화학 삼투
막간 공간으로 이동한 수소이온에 의해 막간 공간과 미토콘드리아 내막 사이(기질)에 농도 기울기가 형성된다. 이때, 막간 공간의 수소 이온이 통로로 작용하는 ATP합성 효소를 통해 미토콘드리아 기질로 이동하게 된다. 이 과정에서 ATP 합성효소는 ADP에 인산을 붙여 ATP를 형성하게 된다.기본적으로 ATP 합성효소는 일종의 물레방아로서, 미토콘드리아 막간 공간과 기질 사이의수소 이온(양성자)의 농도 차에 의해 발생하는 양성자동력(PMF, proton motive force)을 사용해 회전하면서 ADP와 무기인산을 ATP로 합성한다. 이 과정은 미토콘드리아 뿐만 아니라 엽록체의 광합성에서도 동일한 원리로 작동한다.
간단히 그 구조를 보자면, 막에 박혀서 시계방향으로 도는 로터축과 모터를 막에 고정시켜주는 앵커, 그리고 막 밖에서 둘 씩 짝지어서 ADP를 ATP로 만들어주는 효소 여섯뭉치가 묶여 있는 모양이다. 이때 수소 이온은 로터축과 앵커를 통해서 빠져나가며, 이 때 발생하는 "물리적" 회전 과정을 통해 효소의 "물리적 형태"가 바뀌고 그 에너지가 ADP를 ATP로 바꿔준다. 요 개념 밝힌 공로로 1997년 노벨상 받았다.
백문이 불여일견. 아래쪽이 막 안이고 위가 막 밖이다.
ATP합성효소는 ATPase라고도 하는데 이것은 ATP 합성효소가 ATP를 합성하는 반응과 ADP와 무기인산으로 분해하는 반응 두 반응을 모두 촉매하기 때문이다. 실제로 동위원소 표지한 산소가 포함된 물 분자가 있는 실험 환경에서 ATP 합성효소만 단독으로 넣어주었을때 (양성자 기울기 없이) 동위원소 표지된 산소가 포함된 무기인산이 생성됨을 관측하였다. 이것은 ATP가 생성되면서 인산기그룹에 물의 산소가 첨가되었다가 다시 ADP와 무기인산으로 해리되면서 빠져나온 결과다.
ATP합성효소의 구조는 크게 F0-F1 영역으로 구성되어 있는데 F0 subunit은 수소이온을 통과시키는 통로의 역할을 하고 F1 subunit이 실제로 ATP를 합성하는 부분이다. 이 F1부분은 β subunit 3개와 γ subunit 1개로 구성되어 있는데 β subunit은 각각 L,T,O의 conformal한 형태를 가진다. 그리고 γ subunit 은 이 β subunit 을 회전시킴으로써 서로간의 형태변환을 시키는 역할을 하게된다. 이 γ subunit 을 회전시키는 동력이 바로 양성자 기울기다.
β subunit의 conformation L,T,O를 보자면 L 형태는 ADP와 무기인산이 결합할 수 있는 형태, T는 ATP가 생성되지만 단단히 효소에 붙어있는 형태이다가 O형태가 되면 합성된 ATP가 방출될 수 있게 열린 형태로 변한다. [2]
F0의 구조는 F1의 γ subunit에 결합하고 있는 c subunit 10~14개 정도로 ring을 구성하고 있는 부분과 여기에 붙어있는 a subunit으로 구성되어 있다. 실제로 양성자가 이동하는 통로는 이 a subunit인데 여기에는 완전히 관통된 통로는 없고 두개의 반쪽 통로를 가진다. 양성자가 a subunit의 막힌 부분인 절반 부분까지 오면 c subunit에 있는 aspartate residue를 중성화시키고 이는 미토콘드리아 내막 인지질쪽으로의 친화성을 증가시켜서 c subunit을 따라 옆으로 회전하게 된다. 양성자를 받은 이 c subunit이 완전히 360도 회전하여 다시 아래쪽 절반이 있는 a subunit과 만나게 되면 들어와있는 양성자가 미토콘드리아 기질 쪽으로 흘러나오게 된다.
요약하면 양성자 기울기에 의한 양성자 흐름이 c subunit을 회전시키고, c subunit에 결합된 γ subunit이 회전하게 되어 β subunit의 구조변화를 일으킨다. γ subunit이 120도 회전을 한번 할 때 마다 O form의 β subunit이 생성됨으로써 ATP가 방출되는 것이다.
3. 전자 전달 저해제
전자 전달계 또는 막사이 공간에 개입하여 전자 전달을 차단시키거나 억제시킨다.미토콘드리아 내막에는 전자전달계 효소 이외에 CN-, CO, C23H22O6(로테논),아미탈, F0F1 complex 저해제 짝풀림제등이 있다.
3.1. 전자 전달 저해제
CN-은 청산가리로써 전자전달 복합체 IV(Cytochrome c oxidase)의 활성 자리(active site)에 존재하는 헴(Heme) 분자에 결합하여 전자가 산소로 전달되는 것을 억제시킨다. 전자를 받지 못한 산소는 그대로 환원되지 못하면서 양성자 이동이 멈추어 세포 호흡이 불가능해진다. 특히 청산가리와 헴의 결합은 비가역적이기 때문에 효소가 영구적으로 망가지며, 새로운 효소가 합성되지 않는 이상 전자 전달을 재개할 수 없어서 매우 치명적이다. 결과적으로 ATP합성 효소 활성에 필요한 H+ 농도 기울기가 사라지기 때문에 화학삼투가 일어날수 없어 ATP 합성이 멈추고, 그대로 죽음에 이르게 된다.일산화탄소 또한 같은 원리로 전자 전달을 차단한다. 청산가리에 비해서 결합의 세기가 훨씬 약하고 가역적인 반응이라서 상대적으로 독성이 약하다. 그러나 마찬가지로 매우 치명적인 물질이며, 무색무취이기 때문에 일산화탄소 경보기가 없을 시 신속한 대처가 어려운 것이 문제다.
- (2)C23H22O6(로테논), 아미탈
- (3)C28H40N2O9(안티마이신 A)
3.2. F0F1 complex(ATP 중합 효소) 저해제
F0F1 complex 저해제로써는 올리고마이신이 있다. 올리고마이신은 ATP 중합 효소인 F0F1 complex를 저해한다. ATP 중합 효소가 저해됨으로써 막사이공간으로 이동하지 못하게된 양성자 H+들은 시간이 지남으로써 축적되게 된다. 이에 양성자간의 척력의 증가로 인해 양성자 H+ 펌프의 작동이 불가능해진다. 즉, 양성자 농도 기울기가 정상적인 역할을 할수 없게 만들기 때문에 결과적으로 전자전달계의 마비로 이루어진다. 다만, 일부 양성자가 짝풀림 단백질에 의해서 ATP 소모 없이 막을 통해 누출되기 때문에 실제로는 전자 흐름이 완전히 마비되진 않는다.3.3. 짝풀림제
미토콘드리아의 내막에는 전자전달계 효소 이외에 소수성 양성자 운반체인 짝풀림 단백질(Uncoupling proteins)가 존재하며 대표적으로 Thermogenin(uncoupling protein 1, 또는 UCP1)이 있다. 미토콘드리아 기질로 펌핑 된 양성자들이 ATP 합성 효소 대신에 이 짝풀림 단백질을 통해 미토콘드리아 내막으로 새어나가면 산화적 인산화와 더불어 ATP의 합성이 감소한다. 이 과정에서 사용한 에너지는 열로 방출되기 때문에 동면을 취하는 동물들에게 열을 제공하는 역할을 한다. 그래서 동물들의 갈색 지방 조직에 존재하는 미토콘드리아들은 짝풀림 단백질을 다량으로 가지고 있다.이 짝풀림 단백질과 유사한 기능을 가진 약으로 2,4-dinitrophenol(DNP)이라는 물질이 있다. DNP는 미토콘드리아 처리함으로써 미토콘드리아 내막에 위치하여 양성자 H+ 농도 기울기를 사라지게 한다. 이에 양성자 H+ 농도 기울기가 감소함으로써 최종 전자 수용체인 산소의 소모율이 감소하고 ATP 합성효율이 감소한다. 짝풀림제나 DNP를 인간이 직접 섭취시에 ATP 합성효율이 감소하기 때문에 이에 인체는 부족한 ATP를 채우기 위해 다른 대사속도를 증진시키다. 이 과정에서 가속화된 대사율에 의해 체온이 증가하게된다. 과학자들은 이 짝풀림 단백질과 DNP를 통해 비만의 치료가 가능할 것으로 기대하여 지속적인 연구하여 다이어트 약으로도 나타났고, 한때 이 다이어트 약이 선풍적인 인기를 이끌었었다. 획기적인것 같지만, 사실 심각한 문제를 가지고 있었다. 상술했듯이 부족한 ATP를 채우기 위해서 인체는 각종 대사속도를 증가시키고, 이 과정에서 체온이 증가한다. 신체는 높아진 체온을 낮추기 위해 땀을 흘리는 등 온갖 노력을 하지만 이게 지나치면 힘이 빠져 죽게 된다. 또한 빠르거나 불규칙한 심장박동과 탈수증세, 구토 등의 증상과 심장과 피부 손상, 백내장 등의 부작용을 유발할수 있다. 게다가 ED50(효과를 보는 투여량)과 LD50(치명적인 투여량)이 비슷해서 독극물에 가까운 물질이다. 이런 문제들이 드러나면서 DNP는 출시한지 8년만인 1938년 미국 식약청점 (FDA)에 의해 공식적으로 위험한 화학물질로 지정되어 생산이 중단되었다.[3][1] 여담으로 이 녀석이 세포질로 유출될 경우 세포자살을 유도한다. 따라서 세포자살 기작에는 미토콘드리아를 파괴해 Cyt c를 유출시키는 과정이 포함된다.[2] Boyer는 이 ‘결합-변화 기작 (binding-change mechanism)’이 실험적으로 증명되어 역시 노벨상을 수상하였다[3] FDA Consumer. U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Public Health Service, Food and Drug Administration. 1987.