ATP 합성효소
[ ATP synthase ]
ATP는 ATP 합성효소에 의해서 ADP 전구체로부터 합성된다. ATP 합성효소는 미토콘드리아의 내막과 크리스타(crista), 엽록체의 틸라코이드막과 세균의 원형질막에 존재한다. 이들 장소에서 ATP 합성 과정은 유사하지만, 엽록체의 경우 빛 에너지가 수소 이온의 막을 가로지르는 이동을 시킬 수 있다는 점이 다르다. ATP 합성효소는 전기화학 에너지를 사용하는 산화적 인산화 경로의 가장 마지막 효소이며, 지구에서 가장 풍부한 단백질 중의 하나이고, ATP를 ADP와 Pi로의 가역적인 분해를 일으키기도 한다. 미토콘드리아 ATP 합성효소는 약 550 kDa의 분자량을 갖는 여러 단백질의 복합체이다.
목차
ATP 합성효소에 의한 ATP 합성
피터 미첼(Peter Mitchell)에 의해 제기된 화학삼투압 모델에 의하면 전자전달에 의해서 형성된 막을 가로지르는 수소와 수산화 이온의 전기화학적 차이에 의해 ATP 합성효소라 불리는 반응중심으로부터 수소 및 수산화 이온의 전달을 통하여 ADP와 Pi가 결합하게 된다. 기본적으로 미토콘드리아, 엽록체 및 세균의 막을 통한 전자전달에 의해서 생긴 수소 이온의 기울기(pH 차이)는 ATP 합성을 위한 주요한 에너지가 된다는 이론이다.
미토콘드리아의 세포호흡은 ATP 합성을 위한 화학삼투압 이론이 적용되는 가장 잘 알려진 과정이다. NADH, FADH와 그밖의 산화기질로부터 전자는 미토콘드리아 내막에 비대칭적으로 존재하는 전자전달계를 통하여 이동한다. 이때 전자 흐름은 막을 가로지르는 수소 이온의 이동을 유발하여 화학적 기울기(ΔpH)와 전기적 기울기(ΔΨ)를 유발한다. 이 전기화학적 에너지는 양성자구동력(proton motive force; PMF)이라 불리며, 수소 이온은 ATP 합성효소의 양성자 특이적인 통로(F0)를 통하여 기질(matrix)로 돌아가면서 ATP 합성을 유발한다(그림 1).
미토콘드리아의 전자전달은 복합체로 구성된 4개의 다른 구조로 되어 있으며(I, II, III, IV), 순차적으로 전자를 전달하여 산소를 물로 전환시킨다. 이 중에서 전자전달은 3개의 복합체(I, III, IV)롤 통한 수소 이온의 이동과 연결되어 있다. 수소 이온은 최종적으로 ATP 합성효소를 통하여 미토콘드리아 기질로 다시 들어오면서 ATP 합성을 유발한다.1)
그림 1. 미토콘드리아 전자 전달과 ATP 합성효소. (출처: KSPB)
ATP 합성효소의 구조
대장균의 ATP 합성효소는 8개의 소단위로 구성되어 있으며, 미토콘드리아와 엽록체의 ATP 합성효소는 약간의 차이를 보인다. 엽록체의 것은 2개의 동위체(isoform)으로 구성되며, 미토콘드리아는 7-9개의 추가적인 소단위를 포함한다. 복합체 V로도 불리는 ATP 합성효소는 F0과 F1으로 불리는 2개의 주된 소단위를 가진다. F0은 미토콘드리아 내막에 존재하고 수소 이온의 이동에 관여하며, F1은 미토콘드리아 기질에 존재하고 친수성으로 효소작용을 하며 산화적 인산화에 작용한다. F1 부분은 8개의 소단위로 구성되며 3개의 α, 3개의 β와 각 하나씩의 γ, δ, ε로 구성된다. γ, ε은 일차적인 축으로 막에 있는 소수성 c 고리와 비공유적으로 결합한다. c 중합체는 ab2, δ로 구성된 주변 고정자에 반대 방향으로 회전하며, 이 고정자는 α3β3 복합체 부분의 회전을 제한한다. 수소 이온은 a–c 고리 사이를 통하여 이동하고, 이때 중심축인 γε에 회전력에 의한 힘을 유발한다. α 나선형 코일-코일구조를 갖는 γ 소단위는 F1의 α3β3에 박혀 있다. γ의 회전력은 β 소단위의 구조 변화를 유발하고, 뉴클레오티드 결합 친화도에서 차이를 유발하여 ATP 합성 혹은 분해를 일으키게 된다. 세균의 ATP 합성효소와 달리 미토콘드리아 ATP 합성효소는 F0 부분에 DAPIT와 6.8kDa Proteolipid를 가지며, 고정자 부분에 d, F6를 가진다(그림 2).
그림 2. 미토콘드리아 막에 존재하는 대표적인 ATP 합성효소의 구조. (출처: KSPB)
참고문헌
1. Neupane P, Bhuju S, Thapa N 등 (2019) ATP Synthase: Structure, Function and Inhibition. BioMol Concepts 10: 1–10