[생화학] 18.1 : 산화적 인산화(oxidative phosphorylation) - 3

 

 

 

지난 포스트에 이어서 살펴보자.

 

 

 

 

위 표에는 mitochondrial respiratory chain을 구성하는 4개의 complex가 나타나 있음. (그 밖에 III와 IV 사이에 cytochrome c가 끼어들어가 있음) 우선 complex I은 NADH dehydrogenase로도 불리며 45개의 subunit으로 이루어져 있고 내부에 FMN, Fe-S가 포함되어 있음. complex II는 succinate dehydrogenase로도 불리며 4개의 subunit으로 이루어져 있고 내부에 FAD, Fe-S가 포함되어 있음. complex III는 ubiquinone, 혹은 cytochrome c oxidoreductase로도 불리며 11개의 subunit으로 이루어져 있고 내부에 heme이 포함되어 있음. 마지막으로 complex IV의 경우 cytochrome oxidase로도 불리며 13개의 subunit으로 이루어져 있고 내부에 heme, CuA, CuB가 포함되어 있음.

 

 

 

 

electron transport chain 내에서 일어나는 reduction 반응을 reduction potential 순서대로 나열한 것이 위 표임. 이 때 위에서 아래 방향으로의 전자전달반응은 효소만 있다면 아주 자연스레 일어날 수 있음.

 

 

 

 

그러다 보니 실제로도 위과 같은 순서대로 전자전달이 일어나게 됨. (이러한 전자전달 과정에서 proton gradient가 형성되게 됨) 참고로 이 때 complex I에서 출발할 경우 NADH에서 시작하며, complex II에서 시작할 경우 Q에서 시작하게 된다는 것도 알아둘 필요가 있음.

 

 

 

 

 

 

한편 과거 과학자들은 위와 같이 electron 전달의 각 과정을 block하는 inhibiting agent를 처리하고 어디에서 전자가 stuck되어있는지를 확인하는 과정을 거치면서 전자전달계의 전자전달순서를 알아낼 수 있었음. (즉, 이를 통해 flow mapping을 수행함)

 

 

 

참고로 이 때 CO와 CN-가 전자전달계의 최종 step에서 O2로 electron이 전달되는 것을 막는다는 것은 눈여겨볼 필요가 있는데, CO의 경우 연탄에 많이 함유되어 있고 CN-는 청산가리의 주 구성성분임.

 

 

이러한 inhibiting agent들은 위와 같은 연구에 사용될 수도 있지만, 그 밖에 곤충 specific하게 작용하는 agent들의 경우 살충제로 사용할 수도 있음.

 

 

 

 

그렇다면 구체적으로 mitochondrial inner membrane에 분포하고 있는 각각의 protein들이 어떤 기능을 하는지에 대해서는 어떻게 알 수 있을까.

 

 

 

 

이 때 기본적으로 사용가능한 실험 concept이 위와 같음. 보면 mitochondria membrane을 homogenization시킨 후 fractionation시켜서 각각의 component들의 역할을 밝히는 방식임. 물론 fractionation을 시켰다 해도 비슷한 기능을 가지는 녀석들끼리는 여전히 같이 붙어서 존재할 수 있으므로 단백질 1개의 기능을 봤다기보다는 한 덩어리로 잘 뭉쳐다니는 녀석들의 기능들을 파악했다고 보면 됨.

 

 

위 그림 아래를 보면 실제로 넣어주는 substrate를 바꿔가며 각각의 fraction에 대해 어떤 생성물이 생기는지를 파악함. 이에 더해 각 fraction을 SDS-PAGE 등을 이용해 분리해서 몇개의 protein으로 구성되어 있는지, molecular weight은 얼마인지 등을 파악하는 과정을 거쳤고 그 결과 electron transport chain의 구성요소에 대해 면밀히 알 수 있게 됨.

 

 

 

 

위 표는 앞서 살펴봤던 것처럼 electron transport chain을 구성하는 각 구성요소를 나타내 보여주고 있으므로 참고할 것. (이 때 나머지와는 달리 cytochrome c는 단일 subunit으로 구성된 단백질임을 기억해두자)

 

 

 

 

위 그림은 실제로 각 complex를 통해 어떤 식으로 electron이 transport되는지의 과정을 대략적으로 나타내 보여주고 있음. 이 때 위 그림상에서 위쪽, P side로 표시된 부분이 있는데, 이 부분은 intermembrane space이며 proton이 이곳으로 pumping out되어서 positive한 상태로 존재하기에 이곳을 P side로 불러주는 것임.

 

 

보면 각 complex를 거쳐 electron이 순차적으로 이동해가며, 이 과정에서 발생하는 ΔG를 이용해 proton들이 수송됨. complex I을 통해서는 4개가, complex III를 통해서도 4개가, complex IV를 통해서는 2개가 수송되며, 따라서 NADH에서 시작할 시 최종적으로 10개의 proton이 수송됨.

 

 

이 때 complex 1에서 시작할 경우 I→Q→III→IV로 가는 반면 complex II에서 시작할 경우 II→Q→III→IV로 간다는 것 또한 눈여겨볼 필요가 있음.

 

 

 

 

 

위 그림에는 특별히 complex I, complex II를 통해 전자가 전달되는 과정이 세밀하게 묘사되어 있음. 이 때 두 complex 모두에서 최종적으로 Q(ubiquinone)가 전자를 받아 ubiquitnol로 변하는 step이 수반된다는 것을 알 수 있음. 참고로 위 그림상에도 묘사되어 있는 것처럼 fatty acid의 β-oxidation 과정에서 생기는 FAD는 ETF라는, Q oxidoreductase로 전자를 전달한 뒤 이 전자가 최종적으로 Q로 전달되게 됨.

 

 

 

이제 다음 포스트부터는 각각의 complex들에 대해 구체적으로 알아보자.