[목차] == 개요 == {{{+1 酸化的燐酸化}}} [[세포질]]에서 이루어지는 [[해당과정]], [[미토콘드리아]] 내부 매트릭스에서 이루어지는 [[TCA 회로]]에서 산출된 전자 공여체인 [[NADH|{{{-1 [math(\rm NADH)]}}}]]와 [[FADH₂|{{{-1 [math(\rm FADH₂)]}}}]]를 이용해 미토콘드리아의 내막과 막간공간의 [[수소]]이온 농도 구배를 형성한 뒤, 이를 에너지원으로 이용해 ADP에 인산을 붙여 [[ATP]]를 만드는 과정. 유산소 세포호흡의 세 단계인 [[해당과정]], [[TCA 회로]], [[산화적 인산화]] 중 마지막 단계로서, 이 단계에서 전체 세포호흡 과정을 통틀어 대부분의 ATP가 생성된다. 산화적 인산화의 과정을 간단히 서술하자면 다음과 같다. [[해당과정]]과 [[TCA 회로]] 결과 [[NADH]]와 [[FADH₂]]라는 물질이 산출되는데, 이들은 고에너지 전자를 미토콘드리아 내막의 전자전달계로 운반한다. 전자를 받은 전자전달계는 전자의 에너지를 원동력으로 미토콘드리아 기질 내의 양성자를 막간공간으로 펌프질한다. 그 결과 미토콘드리아 기질과 막간공간 사이에는 양성자의 농도차가 발생하고 결국 양성자는 막간공간에서 기질로 확산된다. 이때 양성자는 미토콘드리아 내막에 존재하는 ATP 합성효소를 경유하여 확산되고, ATP 합성효소는 양성자의 확산되는 에너지를 원동력으로 ATP를 생산한다. == 산화적 인산화 단계 == === 전자 전달계 === 미토콘드리아 가장 안쪽 (이중막의 맨 안쪽)에서 TCA 회로가 돌고, 그 회로의 결과물로 두 종류의 전자공여체 (NADH 와 FADH₂)가 생성된 상태에서 개시한다. [[파일:external/upload.wikimedia.org/648px-Mitochondrial_electron_transport_chain%E2%80%94Etc4.svg.png]] 간단히 요약하면, 먼저 NADH 와 FADH₂에서 수소이온이 막간 단백질을 통해 이중막 사이 공간으로 이동한다. 이 과정에서 남는 전하 (그러니까 [[전자]])는 전자전달계라고 불리는 일련의 단백질 군(전자전달계 I, II, III, IV로 구성되는)을 거쳐 최종적으로 막 안의 남는 수소 이온 및 산소와 결합하여 물을 만들게 된다. 비율식으로 따져보면 대충 수소이온 열 개 중 네다섯 개가 밖으로 나가고 두 개가 전자하고 산소하고 붙어서 물이 되는 정도. (NADH 와 FADH₂의 비율이 달라서 딱 맞게 안떨어진다.) 나머지는 손실. 이 중 전자전달계 I, III, IV는 전자를 통과시키며 미토콘드리아 매트릭스 안의 수소이온을 막간공간으로 수송하는 역할을 하며, 유비퀴논(ubiquinone, UQ 또는 Coenzyme Q)은 전자를 I과II에서 받아 III로 옮기는 징검다리 역할을 한다. 전자가 전자 전달계를 이처럼 순차적으로 이동할 수 있는 것은 전자 친화도가 높은 쪽으로 전자가 이동하기 때문인데, 이때 전자 친화도가 상대적으로 가장 낮은 NADH에서 시작하면 I, III, IV를 거쳐 전자가 흘러가고 석신산에서 푸마르산으로 가는 중 나오는 FADH₂ 경우는 II (이게 TCA의 석신산 탈수소효소다)에서 시작해 III, IV를 거쳐 간다. 시작보다 조금 높은, 그보다 조금 높은, 거기에서 조금 더 높은 전자 전달계 순으로 이동하며 최종적으로는 가장 높은 전자 친화도를 가진 산소에게 전달된다. 즉 III의 전자 친화도보다 Cyt c의 전자 친화도가 더 크다. 전자가 전달될수록 전자가 가진 에너지의 크기는 점차 감소하며, 이 과정에서 전자가 일을 하게 되는데, 전자가 하는 일은 전자 전달계 I, III, IV의 수소이온 펌프를 돌려 막 안에서 밖으로 수소이온을 농도 기울기를 거슬러서 능동수송하는 일이다. 따라서 NADH에서 나온 전자 한 쌍은 전자 전달계 I, III, IV를 모두 거치므로(=펌프 세 개) 총 3개의 수소 이온을 수송하게 되고, FADH₂에서 나온 전자 한 쌍은 전자 전달계 II, III, IV만 거치므로 III에서 한 번, IV에서 한 번 이렇게 총 두 번만 수소 이온을 수송하게 된다. ATP 합성 효소는 미토콘드리아 막간 공간에 있는 수소이온 하나를 통과시킬 때 마다 ATP 하나를 만드므로 NADH의 경우 최대 3분자의 ATP를, FADH₂의 경우에 최대 2분자의 ATP를 합성한다. 단, 전자전달계에서 수송한 수소이온이 전부 ATP 합성에 쓰이는 것은 아니고 일부는 피루브산을 미토콘드리아 매트릭스 안으로 수송하는 데도 사용되며, 일부는 밖으로 새어나가서 유실되기도 한다. 따라서 실험적으로는 NADH 한 분자로 대략 2.5개의 ATP를, FADH₂ 한 분자로 대략 1.5개의 ATP를 만드는 것으로 알려져 있다. 전자전달계를 통과한 전자는 최종전자 수용체인 산소에 전달되어 수소이온과 결합해 물을 만들어낸다. 최종전자 수용체인 산소가 없으면 전자 정달 효소들이 산화되지 못하기 때문에 전자의 전달이 먼추고 NADHD와 FADH₂가 산화되지 못하게 되기 때문에 TCA회로에서 요구하는 NAD+와 FAD가 부족해져 TCA회로와 산화적 인산화 모두 일어날수 없게 된다. === 화학 삼투 === 막간 공간으로 이동한 수소이온에 의해 막간 공간과 미토콘드리아 내막 사이에 농도 기울기가 형성된다. 이때, 막간 공간의 수소 이온이 통로로 작용하는 ATP합성 효소를 통해 미토콘드리아 내막으로 이동하게 된다. 이 과정에서 ATP 합성효소는 ADP에 인산을 붙여 ATP를 헝성하게 된다. 기본적으로 ATP 합성효소는 일종의 물레방아로서, 수소 이온의 농도 차이에 따라 이동하는 수소 이온의 파워를 써서 '''회전'''하며 (실제로 돈다.) 그 힘으로 ATP를 합성한다. 이놈은 산화적 인산화만이 아니라 [[광합성]]에서도 동일한 원리로 작동한다. 간단히 그 구조를 보자면, 막에 박혀서 시계방향으로 도는 로터축과 모터를 막에 고정시켜주는 앵커, 그리고 막 밖에서 둘 씩 짝지어서 ADP를 ATP로 만들어주는 효소 여섯뭉치가 묶여 있는 모양이다. 이때 수소 이온은 로터축과 앵커를 통해서 빠져나가며, 이 때 발생하는 "물리적" 회전 과정을 통해 효소의 "물리적 형태"가 바뀌고 그 에너지가 ADP를 ATP로 바꿔준다. 요 개념 밝힌 공로로 1997년 노벨상 받았다. {{{#!html <iframe width="640" height="360" src="https://www.youtube.com/embed/GM9buhWJjlA" frameborder="0" allowfullscreen></iframe>}}} 백문이 불여일견. 아래쪽이 막 안이고 위가 막 밖이다. ATP합성효소는 ATPase라고도 하는데 이것은 ATP 합성효소가 ATP를 합성하는 반응과 ADP와 무기인산으로 분해하는 반응 두 반응을 모두 촉매하기 때문이다. 실제로 동위원소 표지한 산소가 포함된 물 분자가 있는 실험 환경에서 ATP 합성효소만 단독으로 넣어주었을때 (양성자 기울기 없이) 동위원소 표지된 산소가 포함된 무기인산이 생성됨을 관측하였다. 이것은 ATP가 생성되면서 인산기그룹에 물의 산소가 첨가되었다가 다시 ADP와 무기인산으로 해리되면서 빠져나온 결과다. ATP합성효소의 구조는 크게 F0-F1 영역으로 구성되어 있는데 F0 subunit은 수소이온을 통과시키는 통로의 역할을 하고 F1 subunit이 실제로 ATP를 합성하는 부분이다. 이 F1부분은 β subunit 3개와 γ subunit 1개로 구성되어 있는데 β subunit은 각각 L,T,O의 conformal한 형태를 가진다. 그리고 γ subunit 은 이 β subunit 을 회전시킴으로써 서로간의 형태변환을 시키는 역할을 하게된다. 이 γ subunit 을 회전시키는 동력이 바로 양성자 기울기다. β subunit의 conformation L,T,O를 보자면 L 형태는 ADP와 무기인산이 결합할 수 있는 형태, T는 ATP가 생성되지만 단단히 효소에 붙어있는 형태이다가 O형태가 되면 합성된 ATP가 방출될 수 있게 열린 형태로 변한다. [* Boyer는 이 ‘결합-변화 기작 (binding-change mechanism)’이 실험적으로 증명되어 역시 노벨상을 수상하였다] F0의 구조는 F1의 γ subunit에 결합하고 있는 c subunit 10~14개 정도로 ring을 구성하고 있는 부분과 여기에 붙어있는 a subunit으로 구성되어 있다. 실제로 양성자가 이동하는 통로는 이 a subunit인데 여기에는 완전히 관통된 통로는 없고 두개의 반쪽 통로를 가진다. 양성자가 a subunit의 막힌 부분인 절반 부분까지 오면 c subunit에 있는 aspartate residue를 중성화시키고 이는 미토콘드리아 내막 인지질쪽으로의 친화성을 증가시켜서 c subunit을 따라 옆으로 회전하게 된다. 양성자를 받은 이 c subunit이 완전히 360도 회전하여 다시 아래쪽 절반이 있는 a subunit과 만나게 되면 들어와있는 양성자가 미토콘드리아 기질 쪽으로 흘러나오게 된다. 요약하면 양성자 기울기에 의한 양성자 흐름이 c subunit을 회전시키고, c subunit에 결합된 γ subunit이 회전하게 되어 β subunit의 구조변화를 일으킨다. γ subunit이 120도 회전을 한번 할 때 마다 O form의 β subunit이 생성됨으로써 ATP가 방출되는 것이다. == 전자 전달 저해제 == 전자 전달계 또는 막사이 공간에 개입하여 전자 전달을 차단시키거나 억제시킨다. 미토콘드리아 내막에는 전자전달계 효소 이외에 CN-, CO, C23H22O6(로테논),아미탈, F0F1 complex 저해제 짝풀림제등이 있다. === 전자 전달 저해제 === (1)CN-([[청산가리]]), CO([[일산화탄소]]) CN-은 청산가리로써 전자전달 복합체 Cty c의 산화효소에 결합하여 전자가 산소로 전달되는 것을 억제시킨다. 청산가리에 의해 전자를 공급받지 못하게된 Cty c는 산화된채로 남아있게 되고 이에 전자를 전달 받지 못하게된 다른 전자전달 복합체는 환원된채로 남아있게 된다. 따라서 모든 전자전달계의 전자이동이 마비되어 에너지의 생산이 불가능해지기 때문에 양성자 H+ 농도 기울기를 유지시킬수 없게 된다. 결과적으로 ATP합성 효소에서 작용할수 있게 해주는 H+ 농도 기울기가 존재하지 않기 때문에 화학삼투가 일어날수 없어 ATP를 합성할 수 없게 되어 죽음에 이르게된다. (CO인 일산화탄소 마시고 죽는 이유또한 같은 이유이다.CO또한 전자전달 복합체 Cyt c에 작용한다.)~~죽겠네~~ (2)C23H22O6(로테논), 아미탈 C23H22O6(로테논), 아미탈은 전자전달 복합체 I의 Fe-S 중심에 결합하여 전자가 유비퀴논(ubiquinone, UQ 또는 Coenzyme Q)에 전달되는 것을 억제한다. 이 과정에서 NADH로 부터의 전자공급이 불가해진다. FADH₂는 NADH와 달리 전자전달 복합계 II를 통하여 전자를 전달하기 떄문에 전자 공급이 가능하지만 FADH₂는 TCA회로에서 숙신산이 탈수소 효소의 작용으로 푸마르산이 되는 과정 중에서 FADH₂가 생성되기 때문에 숙신산의 지속적인 공급을 필요로한다.~~공급이 안된다면 죽어야지~~ C23H22O6(로테논), 아미탈을 처리하더라도 숙신산의 지속적인 공급이 있다면 FADH₂를 통한 전자공급이 가능해지기 때문에 양성자 H+ 농도기울기를 유지할수 있어 ATP의 합성이 가능하다(조건부:숙신산의 공급)).~~숙신산 먹어도 되나~~ === F0F1 complex(ATP 중합 효소) 저해제 === F0F1 complex 저해제로써는 올리고마이신이있다. 올리고마이신은 ATP 중합 효소인 F0F1 complex를 저해한다. ATP 중합 효소가 저해됨으로써 막사이공간으로 이동하지 못하게된 양성자 H+들은 시간이 지남으로써 축적되게 된다. 이에 양성자간의 척력의 증가로인해 양성자 H+ 펌프의 작동이 불가능해진다. 즉, 양성자 농도 기울기가 정상적인 역할을 할수 없게 만들기 때문에 결과적으로 전자전달계의 마비로 이루어진다.~~이건 죽는다~~ === 짝풀림제 === 미토콘드리아의 내막에는 전자전달계 효소 이외에 소수성 양성자 운반체인 짝풀림 단백질(Uncoupling proteins)가 존재한다. 미토콘드리아 기질로 펌핑 된 양성자들이 ATP 합성 효소 대신에 이 짝풀림 단백질을 통해 미토콘드리아 내막으로 새어나가서 [[산화적 인산화]]가 억제되어 ATP의 합성은 감소한다. 대신 사용한 에너지는 열로 방출된다. 그래서 동면을 취하는 동물들에게 열을 제공하는 역할을 하여서 이들의 갈색 지방 조직의 미토콘드리아에 짝풀림 단백질이 다량 존재한다. 이 짝풀림 단백질과 유사한 기능을 가진 약으로 (2,4-dinitrophenol) DNP라는 물질이 있다. DNP는 미토콘드리아 처리함으로써 미토콘드리아 내막에 위치하여 양성자 H+ 농도 기울기를 사라지게 한다. 이에 양성자 H+ 농도 기울기가 감소함으로써 최종 전자 수용체인 산소의 소모율이 감소하고 ATP 합성효율이 감소한다. 짝풀림제나 DNP를 인간이 직접 섭취시에 ATP 합성효율이 감소하기 때문에 이에 인체는 부족한 ATP를 채우기 위해 다른 대사속도를 증진시키다. 이과정에서 가속화된 대사율에 의해 체온이증가하게된다. 과학자들은 이 짝풀림 담백질과 DNP를 통해 비만의 치료가 가능할 것으로 기대하여 지속적인 연구하였고 이에 DNP라는 물질을 이용한 다이어트 약으로 나타났다. 한때 이 다이어트 약이 선풍적인 인기를 이끌었었다. 획기적인것 같지만, 사실 심각한 문제를 가지고 있었다. 앞서 말했드시 부족한 ATP를 채우기 위해서 인체는 각종 대사속도를 증가시키면서 체온이 증가하게되는데 이로인해 높아진 체온을 낮추기 위해 몸은 땀을 흘리는 등 온갖 노력을 하다가 [[탈진|힘이 빠져]] 죽게 된다. 또한 빠르거나 불규칙한 심장박동과 탈수증세, 구토 등의 증상과 심장과 피부 손상, 백내장 등을 유발할수 있다. '그러면 적당히 먹으면 되는거 아냐?'라고 생각할지 모르지만, ED50(효과를 보는 투여량)과 LD50(치명적인 투여량)이 비슷하다. ~~운이 좋으면 잠깐 염라대왕과 1:1면담, 나쁘면 삼도천 직행이란 소리다.~~ 이런 문제들때문에 DNP는 나온지 8년만인 1938년 미국 식약청 ([[FDA]])는 공식적으로 DNP이 위험한 화학물질이라는 성명서를 공식 발표함으로써 생산이 중단되었다. ~~살빼려면 이런거 쓰지 말고 덜먹고 운동하자.~~ [[분류:생화학]][[분류:분자생물학]]