광인산화

엽록체 틸라코이드막에서 빛 에너지가 환원력인 NADPH를 생성하는 전자전달 과정과 짝지워져서 생성되는 양성자 기울기를 이용하여 ATP 합성효소에 의한 ATP가 생합성되는 과정을 광인산화라고 한다. 미토콘드리아 호흡과정에서 ATP가 합성되는 경로인 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)와 대비해서 광인산화(photophosphorylation)라 한다.

목차

ATP 합성효소는 분자량이 약 400kDa정도이며 ATP 분해효소 혹은 CFo-CF1이라고도 한다. 막에 내재된 부분(CF0)과 스트로마에 노출된 돌출부위(CF1)로 나뉘어져 있다. CF0은 4개의 폴리펩티드 a, b, b’, C14으로 구성되어 있는데, 양성자가 루멘에서 스트로마로 이동하는데 관여하는 통로이다. CF1은 α3, β3, γ, δ, ε의 5 종류 폴리펩티드로 구성되어 있으며 ATP를 합성하는 부분이다.¹⁾ ATP 합성이 일어나는 동안에 막내재성 일부 구조가 회전하는데, 한 번 회전할 때 마다 3분자의 ATP가 합성되는데 총 14개의 양성자가 수송된다. 따라서 ATP가 생성될 때마다 4.67개의 양성자 수송이 필요하다.

광인산화는 1950년대 아논(D. Arnon) 연구진에 의해서 발견되었다. 광인산화가 화학삼투 기전을 통해서 일어난다는 가설은 1960년대 미첼(P. Mitchell)에 의해 제안되었다. 기본 개념은 막을 경계로 안과 밖의 이온 농도(혹은 화학 퍼텐셜)와 전기적 퍼텐셜 차이가 ATP 합성에 필요한 에너지 공급원이 된다는 것이다. 미첼은 ATP 합성에 이용 가능한 총에너지인 양성자 구동력(ΔP)은 양성자 화학퍼텐셜(ΔpH)과 전기퍼텐셜(ΔE)의 합(ΔP= -59ΔpH + ΔE)이라고 제안하였다. 25도에서 비례상수는 pH 1 단위당 59mV이다. 엽록체에서 전기적 퍼텐셜 차이가 작기 때문에 pH 기울기가 양성자 구동력의 대부분을 차지한다. 1967년 야겐도르프(A. Jagendorf) 그룹이 이 가설을 실험적으로 입증하였다.²⁾ 먼저 틸라코이드막을 경계로 양성자 기울기를 생성하기 위해서 pH가 4와 8인 현탁용액에 차례로 배양함으로써 pH가 4단위 만큼 차이 나게 하였다. 이어서 빛이 없는 조건에서 ADP와 Pi를 섞어 주었을 때 ATP가 합성됨을 발견하였다.

물과 환원된 플라스토퀴놀(PQH₂)이 산화될 때 틸라코이드 루멘에서 양성자가 축적된다. 첫 번째는 틸라코이드 루멘에 노출되어 있는 광계2(PS2)의 물분해계에서 2분자의 물이 산화되어 1분자의 산소가 발생할 때 4개의 양성자(H+)가 생성된다.

2H₂O + 빛 -> O₂ + 4H⁺ + 4e

플라스토퀴논(PQ)-시토크롬 양성자 펌프는 미첼이 제안하였던 큐-회로(Q-cycle)로 설명될 수 있다.³⁾

PQ는 2개의 전자를 받을 수 있는데 1개만 갖고 있는 플라스토세미퀴논(plastosemiquinone)형으로 광계2의 Q_B로부터 1개의 전자를 받아서 2개의 전자를 갖게된다. 이때 스트로마에서 2개의 양성자를 받아들여 환원형의 플라스토히드로퀴논 PQH₂가 된다.

플라스토퀴논의 산화와 환원 (출처:한국식물학회)

PQH₂는 광계2에서 분리되어 시토크롬 b₆/f 복합체와 마주칠 때까지 틸라코이드 막에서 확산된다. 시토크롬 b와 리스케 철-황 중심(Rieske Fe-S center) 단백질에 각 1개의 전자를 전달되는 산화 과정에서 2개의 양성자가 루멘으로 방출된다. 환원된 리스케-철 황 중심에서 전자가 시토크롬 f를 거쳐 플라시토시안(PC)으로 전달된다. 반면 시토크롬 b로 전달된 전자는 플라스토퀴논으로 다시 전달되어 세미퀴논 플라스토퀴논이 된다. 이 플라스토세미퀴논은 이어서 두 번째로 산화되는 PQH₂로부터 하나의 전자를 추가로 받고 스트로마의 양성자 2개와 결합하여 PQH2로 환원된다. 따라서 광계1으로 2개의 전자가 수송될 때, 2개의 PQH₂가 PQ로 산화되고, 4개의 양성자가 스트로마에서 루멘으로 이동하며, 1개의 PQ가 PQH₂로 환원된다. 따라서 큐-회로는 PQ <-> PQH₂ 풀을 만드는 것이라 할 수 있다.

Q-회로 (출처:한국식물학회)

큐-회로에 의하면 2분자의 물이 분해되어 1분자의 산소가 발생할 때 발생한 4개의 전자가 Q-회로를 거치게 되어 총 8개의 양성자가 스트로마에서 루멘으로 이동하게 된다. 결론적으로 2분자의 물이 분해될 때 4개, 큐-회로에서 8개의 양성자가 루멘에 쌓이게 되어 총 12개 양성자에 해당하는 양성자 구동력이 생성된다. 1분자의 이산화탄소가 캘빈회로에 의해서 고정될 때 3분자의 ATP와 2분자의 NADPH가 소모된다. 그런데 2분자의 물이 분해되면 2분자의 NADPH가 생성되고 총 12개의 양성자가 루멘에 집적된다. 엽록체에서 ATP 합성효소가 3분자의 ATP를 생성하는데 14개의 양성자가 필요하다. 하지만 12개의 양성자만이 축적되었기에 2개의 양성자가 추가로 필요하다. 이처럼 부족한 양성자는 광계2와는 별개로 광계1과 페레독신, 플라스토퀴논, 시토크롬 b6/f 복합체, 그리고 피지알5(PGR5)라고 불리는 전자전달 수송체로 구성된 순환적 전자전달계에 의해서 보충된다. 페레독신에서 NADP⁺로 전자가 전달되는 대신 순환적 전자전달계를 거쳐서 산화된 광계1으로 전자가 순환하는 과정에서 양성자가 스트로마에서 루멘으로 이동하게 된다. 이처럼 순환적 전자전달계에 의해서 생성된 양성자구동력에 의해서 ATP가 합성되는 것을 순환적 광인산화라 한다. 반면 물에서 공급된 전자가 NADPH로 전달되는 비순환적 전자전달계에 의해서 생성된 양성자구동력에 의해서 ATP가 합성되는 것을 비순환적 광인산화라 한다. 즉, 비순환적 전자전달에 의해서 NADPH와 ATP, 그리고 산소가 생성되지만 순환적 전자전달에 의해서는 ATP만 생성된다.

광합성 전자전달 과정에서 물분해와 Q-회로에 의해 루멘에 양성자가 집적됨 (출처:한국식물학회)

1. Abrahams JP, Leslie AG, Lutter R 등 (1994) Structure at 2.8 A resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria. Nature, 370: 621-628
2. Jagendorf AT, Uribe E (1966) ATP formation caused by acid-base transition of spinach chloroplasts. Proc Natl Acad Sci USA, 55: 170-177
3. Mitchell P (1975) The protonmotive Q cycle: a general formuation. FEBS Lett, 59: 137-139