[생화학] 18.1 : 산화적 인산화(oxidative phosphorylation) - 1

 

 

 

이번 포스트부터는 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)에 대해 알아보자.

 

 

 

 

앞서 위 그림상에서 stage 2까지의 반응들을 살펴봤었음. 그 결과 생성된 NADH, FADH2로부터 공급되는 e는 결국 oxidative phosphorylation을 통해 ATP를 만드는데 사용되게 됨. 다만 이 때 ATP가 만들어지는 과정이 high-energy phosphate carrier로부터 ADP에 직접 phosphate가 전달되는 것은 아니고, electron transport chain을 통해 전자가 이동하면서 생기는 proton의 electrochemical gradient를 이용해 ATP가 합성되게 됨. (이것이 chemiosmotic theory임)

 

 

 

방금 언급한 proton gradient는 ion에 대해 impermeable한 membrane을 사이에 두고 형성될 수 있음. 우선 bacteria의 경우 plasma membrane을 사이에 두고 gradient가 형성될 수 있으며, 그 밖의 진핵생물에서는 mitochondria의 inner membrane에서, 그리고 식물의 경우 chloroplast의 thylakoid membrane에서 이런 gradient가 형성될 수 있음. 이런 proton gradient는 쉽게 말해 electron이 자발적으로 downhill flow로 내려오는 과정에서 형성되는 일종의 uphill flow로 이해하면 됨.

 

 

 

 

위 그림에는 mitochondria에서 형성되는 proton gradient에 대한 그림이 나타나 있음. 보면 우선 NADH, FADH2와 같은 reduced electron donor가 electron transport chain으로 전자를 전달해줄 시 전자가 relay로 전달되어 최종적으로 O2에까지 도달하게 됨. (그 결과 H2O가 형성됨) 이 과정에서 proton이 intermembrane space쪽으로 pumping out되게 됨. 이렇게 해서 intermembrane space에 proton이 많아질 시 이 녀석은 ATP synthase를 통해 다시 mitochondrial matrix로 들어오게 되는데, 이 과정에서 ATP가 생산됨.

 

 

 

 

 

위 그림 왼쪽에는 mitochondria의 구조가 조금 더 자세히 나타나 있음. 우선 outer membrane을 보면, 여기에는 porin protein들이 있어서 이 porin channel을 통해 각종 분자들이 대부분 자유롭게 이동할 수 있음. 그러다 보니 outer membrane에서는 gradient가 만들어질 수가 없음. 다음으로 inner membrane을 보면, 이 경우 plasma membrane과 거의 유사하게 대부분의 small molecule, ion(H+도 포함)들에 대해 impermeable함. 한편 이 막에는 respiratory electron carrier에 해당하는 complex I-IV까지가 transmembrane protein, 혹은 peripheral protein의 형태로 존재하고 있음. 그 밖에 inner membrane에는 ADP-ATP translocase도 존재하는데, 이 translocase에 의해 mitochondrial matrix에서 만들어진 ATP는 외부로 나가고, 밖에서 형성된 ADP는 mitochondrial matrix로 다시 들어오게 됨. 그 밖에 ATP 합성에 필요한 Pi가 운반되는 transporter도 inner membrane에 존재함. 그리고 inner membrane의 경우 cristae라 불리는 구불구불한 구조를 가지고 있어서 machinery들이 최대한 넓은 면적에서 존재할 수 있다는 특징이 있음.

 

 

 

그 다음으로 mitochondria의 내부공간에 해당하는 matrix에 대해 생각해보자. matrix 내에는 pyruvate dehydrogenase complex, citric acid cycle enzyme, fatty acid β oxidation과 관련된 enzyme들, amino acid oxidation과 관련된 enzyme들이 존재하고 있음. 그 밖에 matrix에는 자체적인 DNA, ribosome도 있는데, 이를 통해 mitochondria는 자신이 사용하는 단백질의 일부를 스스로 만들어 사용함. (물론 대다수의 경우 세포의 핵으로부터 mitochondria로 필요한 단백질들이 합성되어 전달됨) 이는 세포내 공생설의 한 증거이기도 함. 그 밖에 matrix에는 ATP, ADP, Mg2+, Ca2+, K+를 포함한 다양한 ion들, 그리고 soluble한 metabolic intermediate들도 존재하고 있으므로 참고할 것.

 

 

앞서 말한것처럼 전자 전달 과정에 의해 matrix로부터 intermembrane space(IMS)로 proton이 pumping되므로, 그 결과 matrix의 pH 값은 높아지고 IMS의 pH 값은 낮아지게 됨. 이러한 pH 차이, 즉 proton concentration 차이를 이용해 ATP를 합성하게 되는 것임.

 

 

 

 

위 표에는 NADH, NADPH가 만들어지는 각종 생화학반응들이 나타나 있음. 이 때 M으로 표시된 것은 matrix 내에서 일어나는 반응이며 C로 표시된 것은 cytosol에서 일어나는 반응임. 보통 matrix에서 일어나는 반응의 경우 반응 결과 생성된 NADH가 바로 ETC로 전달됨. 한편 cytosol에서 일어나는 반응의 경우 반응 결과 생성된 NADH가 별도의 transporter를 통해 mitochondria로 전달될 수도 있고, 혹은 반응이 reverse방향으로 일어난 뒤 생성물이 mitochondria 내부로 수송되어서 내부에서 다시금 반응이 일어나 NADH를 생성시키는 경우도 있음.

 

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.