14. 화학에너지의 수확 경로(3)

14. 화학에너지의 수확 경로(3)

 

  호흡사슬은 미토콘드리아 내막에 있다. 내막은 주름이 많이 있기 때문에 표면적이 넓어 사슬의 단백질이 위치할 수 있는 공간을 많이 가지고 있다. 상호 작용하는 여러 구성 요소들이 있는데, 여기서 큰 내재성 단백질과 작은 외재성 단백질, 작은 지질 분자가 포함된다. 4개의 거대 단백질 복합체(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ)는 전자운반체와 효소로 이루어져 있다. 진핵생물에서 이들은 미토콘드리아 내막의 내재성 막 단백질이며 3개는 막 관통 단백질이다. 시토크롬 c는 막 사이 공간에 놓여 있는 작은 외재성 단백질이며 미토콘드리아 내막의 바깥쪽 표면에 느슨하게 붙어 있다. 유비퀴논은 작은 비극성 지질 분자이다. 미토콘드리아 내막의 인지질 2 중층의 소수성 내부에서 자유롭게 이동한다. 간단히 말해서 호흡 사슬에서 NADH와 FADH2에서 나온 전자는 호흡사슬, 즉 미토콘드리아 내막에 있는 전자운반체와 효소를 가진 일련의 단백질 복합체를 따라 전달된다. 운반체는 환원될 때 자유에너지를 얻으며 산화될 때는 자유에너지를 방출한다. 전자전달이 일어나는 동안, 양성자도 막을 가로질러 능동적으로 수송된다. 3개의 막 관통복합체(Ⅰ, Ⅲ, Ⅳ) 각각의 내부에 발생하는 전자전달은 기질에서 막 사이 공간으로 양성자의 수송을 일으킨다. 지질 2 중층은 H+의 확산을 막아주면서 전자전달을 통해 막을 가로질러 H+가 전달되면 기질보다 막 사이 공간의 H+ 농도가 높은 농도 기울기가 형성된다. 또한 H+는 전하를 띠므로 막 사이 공간이 더 양전하를 띤다. 이러한 2종류의 기울기, 즉 농도와 전하 기울기는 세포의 에너지 대사에서 핵심적인 양성자구동력을 형성한다. 내막을 가로지르는 H+ 기울기가 위치에너지의 근원이다. 세포는 이 에너지를 ATP 합성효소를 통해 사용한다. 이 효소는 H+가 농도 기울기를 따라 기질로 확산하여 돌아갈 수 있게 한다. 이 과정에서 위치에너지가 TP 형성에 이용된다. 양성자구동력과 TP 합성의 연계는 화학 삼투 또는 화학 삼투 기작이라고 하며, 모든 호흡 세포에서 발견된다. 결과적으로, 포도당이나 다른 연료 분자에 담겨 있던 에너지는 최종적으로 세포의 에너지 화폐인 ATP에 포획된다, NADH로부터 산소로 호흡사슬을 따라 전달되는 전자 1쌍당 약 2.5분자의 ATP가 형성된다. FADH2의 산화는 약 1.5분자의 ATP를 생산하는데, NADH보다 뒤 단계의 전자전달 사슬로 전자를 전달하기 때문이다. ATP 합성은 가역적인 반응이며, ATP 합성효소는 ATP 가수분해효소로도 작용하여 ATP를 ADP와 Pi로 가수분해할 수 있다.

ATP ⇔ ADP + Pi + 자유에너지

  반응이 오른쪽으로 진행될 때 자유에너지가 방출된다. 미토콘드리아에서 이 에너지는 H+를 미토콘드리아 기질 밖으로 퍼내는 데 사용된다. 반면 반응이 왼쪽으로 진행하면, H+가 기질로 확산하는 자유에너지가 ATP를 만드는 데 사용된다. 무엇이 ATP를 합성하는 방향으로 반응은 크게 2가지가 존재한다. 첫 번째, 세포의 어딘가에 사용되기 위해 ATP는 만들어지자마자 미토콘드리아 기질을 떠난다. 따라서 기질 내의 ATP 농도는 낮게 유지되어 반응은 왼쪽으로 진행된다. 두 번쨰, 전자와 양성자의 수송에 의해 H+의 농도 기울기가 유지된다. 사람은 보통 매일 약 10의 25제곱 개의 ATP 분자를 ADP로 가수분해한다. 이 양은 9kg 정도로 사람의 체중에 비해 상당한 비중이며 생성된 ADP 대부분은 포도당 산화로부터 나오는 자유에너지를 사용하여 다시 ATP로 전환되어 재활용된다.

 

  화학 삼투는 매우 중요하여 많은 실험을 진행하였다. H+기울기가 ATP 합성을 직접 일으킬 수 있다는 증거와 전자전달과 ATP 합성 연계의 자연적인 차단에 관한 실험을 진행했다. 막을 경계로 형성된 양성자 기울기가 ATP 합성을 일으킨다는 것을 입증하는 핵심적인 실험은 빛에너지를 화학에너지로 전환하는 식물의 엽록체를 이용해 처음으로 수행되었다. 곧이어 동일한 기작이 미토콘드리아에서 작용한다는 것이 확인되었다. 전자전달과 화학 삼투의 연계는 ATP 형태로 자유에너지를 포획하는 데 필수적이다. 갈색지방세포의 미토콘드리아에서 발견되는 짝 풀림 단백질 1(UCP1)이 이러한 연계의 중요성을 보여주었다. UCP1은 기울기를 없애 전자전달 동안 방출된 에너지가 화학에너지로 ATP에 저장되는 것이 아니라 열의 형태로 방출되게 한다. 따라서 갈색지방의 UCP1과 체중 사이의 관계는 일반적인 생쥐와는 달리 나이를 먹어도 지방이 많아지지 않는 유전 품종의 연구를 통해 실험적으로 조사되었다. 의사들은 비만인 사람들에게 짝풀림제를 처방하면 지방을 산화시킬 수 있다고 생각했고, 실제로 효과가 나타났지만, 이런 효과가 지방세포뿐만 아니라 신체의 모든 세포에 있는 미토콘드리아에서 효과가 나타났기 때문에 몸 전체의 ATP 생산이 매우 낮아지는 심각한 부작용을 가지게 되었다. 심한 경우 생명까지 위협받아 결국은 상용화되지 못했다.

 

  ATP 합성효소는 실제로 어떻게 ADP와 Pi로부터 ATP를 만드는지는 거의 모든 세포가 에너지를 수확하기 때문이다. ATP 합성효소는 두 부위로 구성된 분자 모터이다. F0 단위체는 막 관통 부위로 H+ 통로이고, F1 단위체는 ATP 합성을 위한 활성부위를 가지고 있다. 6개의 소단위체로 구성되어 있는데, 막을 관통하는 F0와 연결된 손잡이 모양의 중심 폴리펩타이드 주위에 마치 오렌지 조각처럼 배열되어 있다. 전자전달로 인해 막을 경계로 H+ 기울기가 형성되며 이 기울기는 위치에너지이며, H+가 통로를 통해 확산할 때 운동에너지로 전환되어 중심 폴리펩타이드를 회전시킨다. 이 에너지를 통해 ATP가 합성된다.

 

전자전달과 ATP 합성효소