산화적 인산화

산화적 인산화(oxidative phosphorylation)란 세포(cell)가 효소(enzyme)를 사용하여 영양분을 산화시키고, 동물과 식물에서 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP)을 형성하는 대사과정이다. 이러한 아데노신 삼인산 생성 과정은 주로 미토콘드리아(mitochondria) 내막의 막관통 단백질 복합체(membrane protein complex)에서 연속적인 산화-환원 반응을 통해 전자가 이동함으로써 발생한다.

미토콘드리아의 기질(matrix) 및 내막(inner membrane)과 외막(outer membrane)에서는 수소 이온(양성자; proton), 전자, 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD) 등이 아데노신 삼인산 생성 과정에 관계되어 있으며, 시트르산 회로(citric acid cycle)는 아데노신 삼인산을 생성하는 효소인 ATP 생성효소(ATP Synthase)에 에너지를 공급한다. 시트르산 회로는 트라이카복실산 회로(tricarboxylic acid cycle, TCA 회로) 또는 크렙스 회로(Krebs cycle)라고도 불린다.¹⁾²⁾

목차

산화적 인산화는 호기성 생물(aerobic organism)과 대부분의 진핵 생물(eukaryote) 미토콘드리아에서 발생한다. 미토콘드리아 내의 환원된 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드(NADH) 및 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(flavin adenine dinucleotide, FADH),그리고 석신산 음이온(succinate)은 전자 공여체(electron donor)의 역할을 한다. 공여체로부터 나온 전자가 미토콘드리아 내막의 막관통 단백질 복합체 I 에서 IV까지 통과할 때, 전자에 의해 방출된 에너지는 막관통 단백질 복합체 I, III, IV 에 의해 막간 공간(intermembrane space)으로 양성자의 능동수송을 유도한다.

양성자의 능동수송으로 막간 공간에 양성자가 많아 지게 되면, 이는 미토콘드리아 내막을 경계로 미토콘드리아 기질과 막간 공간 사이의 위치 에너지를 발생시키게 된다. 이로 인해, 양성자가 미토콘드리아 기질로 확산이 일어나고, 확산은 ATP 생성효소(막관통 단백질 복합체V)를 통한다. 이때 아데노신 이인산(adenosine diphosphate, ADP)이 아데노신 삼인산으로 전환되는 인산화 반응(phosphorylation reaction)이 일어나게 된다.³⁾⁴⁾

미토콘드리아 내 시트르산(citric acid)과 관계된 산화적 인산화 과정 모식도 ()

산화적 인산화의 용어는 1939년 볼로디미르 벨리체르(Volodymyr Belitser)가 '호흡과 관련된 인산화 메커니즘'이라는 제목의 논문을 통해 처음 언급되었지만, 1940년 헤르만 칼카르(Herman Kalckar) 연구팀이 당(sugar)의 산화와 아데노신 삼인산 생성 사이의 연관성을 연구함으로써 체계적으로 알려졌다.⁵⁾⁶⁾

산화적 인산화와 화학삼투(chemiosmosis)간의 연관성은 1961년 피터 D. 미첼(Peter Dennis Mitchell)에 의해 그 이론이 처음으로 제시되었다. 미첼은 이온 펌프(ion pump)는 막 전위 기울기(membrane potential gradient)에 의해서 작동한다고 제안하였다. 화학삼투란, 양성자가 특정 공간에 많이 위치할 때, 위치 에너지(potential energy)가 생기고 이 에너지로 인해, 농도가 상대적으로 낮은 공간 내로 이동하면서 에너지가 전달되는 과정을 말한다.⁷⁾

전자 전달계(electron transport chain, ETC)는 전자와 양성자를 모두 운반할 수 있다. 특히 전자를 전자 공여체에서 전자 수용체(electron acceptor)로 전달할 수 있고, 양성자의 경우엔 능동 수송을 통해 전자 전달계의 막을 가로지른다. 미토콘드리아 내 수용성 전자 전달 단백질로는 사이토크롬 c(cytochrome c)가 있다. 미토콘드리아 내 지용성 전자/양성자 전달 단백질은 유비퀴논-유비퀴놀(ubiquinone-ubiquinol)이 있다. 단백질 내 전자 전달 물질로는 플라빈 보조 인자(flavin cofactor), 철-황 클러스터(iron-sulfur cluster, 2Fe-2S 또는 4Fe-4S) 등이 있다.⁸⁾⁹⁾

전자 전달계는 미토콘드리아 내막에 있는 분자들의 집합체로서 해당 과정과 시트르산 회로를 거쳐 생성된 NADH 또는 FADH가 막관통 단백질 복합체I(NADH 탈수소효소 복합체)에 의해 산화되면서 일련의 전자 전달효소들을 통해 최종적으로 전자를 산소로 전달하는 각 과정에서 소량의 에너지가 방출된다. 이 때, 막관통 단백질 I~IV는 전자 전달 효소에 해당되며 이를 전자 전달계라고 부른다. 그 과정은 아래와 같은 4단계로 나눌 수 있다.

(1) NADH 탈수소효소 복합체(막관통 단백질 복합체 I)로부터 NADH + H⁺ 가 NAD⁺ + 2H⁺로 이화된다. 이때, 유비퀴논에 2개의 전자가 전달되고 NAD는 호흡과정에서 재활용된다.

(2) FADH 는 석신산-Q-환원효소(막관통 단백질 복합체II)에서 FAD + 2H⁺ 로 분해되며, FAD는 호흡 과정에 재활용되고 2개 전자는 유비퀴논으로 전달된다.

(3) 유비퀴논은 전자를 사이토크롬 bc1 복합체(막관통 단백질 복합체 III)로 전달하는 과정과 동시에 4개의 양성자를 막간 공간으로 이동시킨다. 사이토크롬 bc1 복합체의 전자는 최종적으로 사이토크롬 c 산화효소 복합체(막관통 단백질 복합체 IV)로 전달되며, 이 과정에서 전자가 산소를 환원시켜 물을 생성한다.

(4) 막간 공간에 생긴 양성자 기울기로 인해, 막관통 단백질 V의 ATP 생성효소에 의해 양성자가 고농도에서 저농도로 이동하며, 이때 아데노신 이인산은 인산화하여 아데노신 삼인산으로 전환된다.¹⁰⁾¹¹⁾

원핵생물(prokaryotes)의 전자 전달계는 진핵생물과는 다르게 세포막(cell membrane)에 존재하며, 진핵생물과 동일하게 기질의 산화로부터 방출되는 에너지를 사용하여 양성자를 능동 수송하고 위치 에너지를 생성한다. 이러한 위치 에너지에 의해 전기화학적인 기울기가 형성된다.¹²⁾

1960년대 흄베르토 페르나데즈 모란(Humberto Fernadez-Moran)에 의해 처음 발견된 ATP 생성효소는 생명 활동의 근원인 아데노신 삼인산을 생성하는 효소이다. ATP 생성효소는 구조적으로 F0과 F1로 구성되어있다. F1은 아데노신 삼인산을 합성하는 효소가 포함된 구조이며, F0은 아데노신 삼인산을 합성하는 효소를 내막에 고정하는 역할을 한다.¹³⁾

활성 산소(reactive oxygen)는 산소를 포함하면서 화학적으로 반응성이 있는 분자를 일컫는다. 이러한 분자들은 짝지어지지 않은 전자 때문에 높은 반응성을 가지고, 세포에 독성을 보인다. 활성 산소는 미토콘드리아 내의 산화적 인산화 과정 중 소량 발생된다.¹⁴⁾

1. Oxidative Phosphorylation, Lumen Boundless Biology,
2. Oxidative Phosphorylation: The major energy provider of the cell, Khan Academy,
3. 5.2: Electron Transport & Oxidative Phosphorylation, Biology LibreTexts,
4. Energy for the Body: Oxidative Phosphorylation,
5. H. M. Kalckar, Origins of the concept oxidative phosphorylation, Molecular and Cellular biochemistry, 1974, 5, 55-62, DOI: 10.1007/BF01874172.
6. H. M. Kalckar, 50 YEARS OF BIOLOGICAL RESEARCH—FROM OXIDATIVE PHOSPHORYLATION TO ENERGY REQUIRING TRANSPORT REGULATION, Annual Review of Biochemistry, 1991, 60, 1-38, DOI: 10.1146/annurev.bi.60.070191.000245.
7. P. Mitchell, Coupling of Phosphorylation to Electron and Hydrogen Transfer by a Chemi-Osmotic type of Mechanism, Nature, 1961, 191, 144-148, DOI: 10.1038/191144a0.
8. F. S. Mathews, The structure, function and evolution of cytochromes, Progress in Biophysics and Molecular Biology, 1985, 45, 1-56, DOI: 10.1016/0079-6107(85)90004-5.
9. F. L. Crane, Biochemical Functions of Coenzyme Q10, Journal of the American College of Nutrition, 2013, 20, 591-598, DOI: 10.1080/07315724.2001.10719063.
10. J. M. Berg, Section 18.1Oxidative Phosphorylation in Eukaryotes Takes Place in Mitochondria, Biochemistry (5th edition), 2002, New York: W H Freeman, ISBN-10: 0-7167-3051-0.
11. Oxidative Phosphorylation, Biology Reference,
12. Oxidative Phosphorylation,
13. P. Dimroth, Energy transduction in the sodium F-ATPase of Propionigenium modestum, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1999, 96, 4924-4929, DOI: 10.1073/pnas.96.9.4924.
14. J. D. Dunn, Reactive oxygen species and mitochondria: A nexus of cellular homeostasis, Redox Biology, 2015, 6, 472-485, DOI: 10.1016/j.redox.2015.09.005.