19장 산화인산화 I 19장 전자전달 사슬 진핵 세포에서 산화적 인산화 반응은 미토콘드리아에서 일어난다

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1 19장 산화인산화 I 19장 전자전달 사슬 진핵 세포에서 산화적 인산화 반응은 미토콘드리아에서 일어난다
진핵 세포에서 산화적 인산화 반응은 미토콘드리아에서 일어난다   산화적 인산화 반응은 전자전달에 의존한다   전자전달 사슬은 양성자 펌프와 시트르산 회로의 물리적 연결로 이루어져 있다   19장 전자전달 사슬

2 개요 전자들의 전달은 호흡 사슬(respiratory chain) 혹은 전자전달 사슬(electron-transport chain)이라고 불리는 미토콘드리아 내막에 박혀 있는 네 개의 큰 단백질 복합체에 의하여 이루어짐 이들 중 3개의 복합체가 전자를 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 퍼냄으로써 전자 전달에 의한 에너지 방출에 사용 이때 생성된 양성자 기울기는 ATP 합성의 힘으로 사용됨 시트르산 회로에서 높은 이동-전위 전자들의 생성, 호흡 사슬을 통한 전달, 이와 동반되는 ATP 합성을 모두 통합하여 세포 호흡(cellular respiration)이라고 함

3 진핵 세포에서 산화적 인산화 반응은 미토콘드리아에서 일어난다
시트르산 회로처럼, 호흡 사슬과 ATP 합성은 미토콘드리아에서 일어남 시트르산 회로는 미토콘드리아 기질에서 일어나는 반면에 호흡 사슬과 ATP 합성 과정을 통한 전자의 전달은 미토콘드리아 내막에서 일어남 미토콘드리아는 외막과 심하게 주름져 있는 내막으로 이루어진 이중막으로 구성 내막은 크리스타(cristae)라고 불리는 내부 주름들을 형성하여 표면적 증가 미토콘드리아는 두 부분으로 나누어짐 (1) 외막과 내막 사이의 막간 공간 (intermembrane space) (2) 내막 안쪽의 기질(matrix)

4 외막에 전압-의존성 음이온 통로(voltage-dependent anion channel, VDAC)라고도 알려진 구멍 형성 단백질인 미토콘드리아 porin이 많이 존재하여 대부분의 작은 분자들과 이온들이 투과 가능. VDAC는 세포 호흡의 기능에 매우 중요한 분자들, 즉 인산염, 유기 음이온, adenine nucleotide들과 같은 음이온들이 외막을 통과하는 흐름을 조절 내막은 본질적으로 거의 모든 이온들과 극성 분자들이 투과할 수 없지만 일련의 운반체들의 작용으로 ATP, pyruvate, citrate 같은 대사물질들은 내막을 가로질러 통과 가능 내막의 양쪽 면을 각각 기질 면(matrix side)과 세포질 면(cytoplasmic side)이라고 함. 기질 면에서는 막 전위가 음성(negative, N)이고 세포질 면에서는 양성(positive, P)이기 때문에 내막은 N면과 P면으로도 불리기도 함 원핵 세포에서는 전자들로부터 유도된 양성자 펌프와 ATP 합성 복합체는 원형질막에 존재

5 생물학적 고찰 미토콘드리아는 숙주 세포와 내부 공생적 관계를 유지하면서 살고 있는 반독립적인 세포소기관이다
소기관은 다양한 종류의 단백질들과 RNA를 암호화하는 자기 자신의 DNA를 가지고 세포 핵 DNA의 암호에 의하여 만들어진 많은 단백질들도 포함 미토콘드리아를 함유하는 세포는 산화적 인산화 반응을 이 소기관에 의지, 미토콘드리아는 생존을 세포에 의지 내부공생 사건(endosymbiotic event)은 산화적 인산화 반응을 하면서 독립적으로 살아가는 개체를 다른 세포가 집어 삼키면서 시작되었다고 생각됨 이중막, 원형 DNA, 미토콘드리아의 독특한 전사 및 해독이 이러한 결론의 주요인임.

6 염기서열 분석 자료는 현존하는 모든 미토콘드리아가 Rickettsia Prowazekii 의 조상으로부터 단 한 번의 내부공생 사건의 결과로서 유래하였다고 추측. 증거로서 현재 원생동물 Reclinomonas 의 미토콘드리아 유전체의 97개 유전자 중에 62개의 단백질 합성 유전자가 모든 미토콘드리아 유전체와 동일

7 산화적 인산화 반응은 전자전달에 의존한다 시트르산 회로의 중요한 기능은 acetyl CoA의 산화에 의한 NADH와 FADH2의 생성 산화적 인산화 반응에서, NADH와 FADH2의 전자는 산소 분자를 물로 환원하는 데 사용됨 NADH와 FADH2에 의한 산소 분자의 높은 에너지 방출성 환원은 전자전달 사슬이 수행하는 많은 전자전달 반응들을 통하여 이루어짐 NADH와 FADH2로부터 방출된 전자는 전자 사슬의 구성성분을 통하여 전달되고 최종적으로 산소를 환원함

8 전자의 전자 이동 전위: 산화 환원 전위 산화적 인산화 반응에서 NADH와 FADH2의 전자 이동 전위는 ATP의 인산기 이동 전위로 전환됨 활성화된 인산기 화합물의 가수분해는 ΔG°으로 나타냄 전자 이동 전위에서는 환원전위[reduction potential, 산화환원 전위(redox potential, oxidation-reduction potential)라고도 불림]인 E0´으로 나타냄 즉, 강한 환원제(NADH와 같은 것)는 음성 환원전위를 나타내며 전자들을 방출하기가 쉬움, 강한 산화제(O2와 같은 것)는 양성 환원전위를 가지며 전자들을 받아들이기가 쉬움 표준자유에너지의 변화 ΔG°’은 다음과 같은 식으로 환원전위의 변화 ΔE0’과 관련됨 ΔG°’ = -nF ΔE0’ n: 전달된 전자의 몰수, F: Faraday (96.48 kJ mol-1V-1, 혹은 kcal mol-1V-1)라는 비례상수 ΔE0’은 두 반쪽 반응의 전체전압 ΔG°’은 kJ 혹은 kcal/몰을 나타냄

9 전자전달 사슬을 통한 전자의 전달은 양성자 기울기를 형성
산화적 인산화 반응의 추진력은 NADH와 FADH2의 전자 이동 전위임 NADH와 FADH2는 대사의 다른 곳에서나 시트르산 회로에서 생성된 높은 이동 전위 전자들의 운반체임 NADH에 의하여 O2가 산화될 때 생성되는 에너지의 양 ½ O2 + 2 H+ + 2 e- → H2O E‘0 = V (A)   NAD+ + H+ + 2 e- → NADH E‘0 = V (B)   반응 A에서 반응 B를 빼면 아래와 같다. ½ O2 + NADH + H+ → H2O + NAD+ Δ E‘0 = 1.14 V

10 이 반응의 표준 자유에너지는 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
ΔG°’ = -nF ΔE’0 적정한 값을 대입하면 다음과 같다. ΔG°’ = -2 x kJ mol-1V-1 x 0.82 V - (-2 x kJ mol-1V-1 x V) = kJ/mol kJ/mol = kJ/mol (-52.6 kcal /mol) 참고로 ATP 가수분해의 ΔG °’ 는 kJ/mol (-7.3 kcal /mol)임 각각의 전자 운반체들의 환원에 의하여 방출된 에너지는 양성자 기울기를 만들고, 그 다음에 ATP 합성과 미토콘드리아 막을 가로지르는 대사산물들의 운반에 사용 

11 전자 전달사슬 구조 및 성분 높은 이동-전위 전자들의 에너지 생성에 영향을 주고 전자들의 효율적인 전달을 촉진

12 전자전달 사슬은 일련의 산화-환원 반응들의 쌍으로 구성
NADH로부터 O2로 전자의 전달은 순차적인 산화-환원 반응들의 쌍으로 이루어진 일련의 중간 전자 운반체들에 의하여 수행됨

13 Flavin mononucleotide
NADH는 첫 번째 전자 운반체인 flavin mononucleotide (FMN)에 전자를 전달하고 산화됨 FMN은 adenine nucleotide가 없다는 점을 제외하면 FAD와 유사 환원된 FMN은 사슬에 있는 다음 전자 운반체에 의하여 뒤이어서 산화되고, 이러한 과정은 전자들이 전자전달 사슬을 통하여 전달되어 최종적으로 O2가 환원될 때까지 반복됨 전자들은 항상 더 강한 환원전위(높은 전자 친화력)를 가지고 있는 구성성분으로 전달됨

14 전자전달 사슬의 특징 FADH2의 전자들은 낮은 환원전위를 가지고 있음 → FADH2의 전자들은 NADH 전자들의 전자전달 사슬의 아래 단계에 공급됨(표 19.1 참조). FADH2로부터 방출된 전자들은 작은 양의 양성자를 퍼내고 작은 양의 ATP 분자를 생성 2. 철이 여러 반응에서 나타나는 중요한 전자 운반체라는 점 철은 전자전달 사슬에서 2가지 형태 존재 : 철-황 단백질들(iron-sulfur proteins)[비헴-철(nonheme-iron) 단백질들이라고도 함]에 위치한 철-황 클러스터로서 황과 결합됨 cytochrome이라고 불리는 특별한 종류의 단백질에 끼여있는 헴 작용기(heme-prosthetic group)의 구성 성분 철 이온의 산화-환원 전위가 환경에 따라서 변함

15 cytochrome의 구조 cytochrome들은 하나의 heme기를 포함한다. heme에 따라 곁 사슬의 종류가 다르다.

16 3. 전자 운반체로 보조효소 Q가 참여 보조효소 Q는 생물계에 널리 존재하는 quinone이라는 뜻의 ubiquinone이라고 부르기도 함. 10개의 5-탄소 isoprene 단위로 구성된 quinone 유도체로, 분자들을 소수성 상태로 만들어 미토콘드리아 내막 안에서 신속하게 확산될 수 있도록 함 보조효소 Q는 quinone들의 산화 상태에 따라 3가지 형태로 존재. 완전히 산화된 상태(Q)에서는 보조효소 Q는 2개의 케톤기를 가짐. 전자 한 개가 추가되면 semiquinone 래디칼 음이온(Q∙-)이 생성. 한 개의 전자와 양성자가 추가되면 semiquinone 형태(QH∙)가 됨. 두 번째 전자와 양성자의 추가는 보조효소 Q의 완전히 환원된 형태인 ubiquinol(QH2)을 생성 quinone들에서 전자전달 사슬들은 양성자 결합 및 방출과 짝지어져 있고, 이러한 성질은 막을 가로지르는 양성자의 운반에 중요한 역할을 함

17 호흡 사슬은 양성자 펌프와 시트르산 회로의 물리적 연결로 구성
호흡 사슬은 양성자 펌프와 시트르산 회로의 물리적 연결로 구성 전자들은 NADH-Q oxidoreductase, Q-cytochrome c oxidoreductase, cytochrome c oxidase로 불리는 3종류의 단백질 복합체를 통하여 NADH로부터 O2로 전달됨 이러한 막단백질들 내에서의 전자의 흐름은 미토콘드리아 내막을 가로질러 양성자의 운반을 유도 succinate-Q reductase는 네 번째의 큰 단백질 복합체로 시트르산 회로에서 FADH2를 생성하는 succinyl dehydrogenase를 포함 FADH2의 전자들은 Q-cytochrome c oxidoreductase의 전자전달 사슬로 들어감 succinate-Q reductase는 내막을 가로질러 양성자를 퍼내지 못함

18 NADH의 전자들은 NADH-Q oxidoreductase (NADH-Q 산화환원효소, 복합체 I)의 사슬로 들어감
전자들은 NADH로부터 FMN으로 전달되고, 다음에 철-황 클러스터, 마지막으로 보조효소 Q로 전달됨 NADH + Q + 5 H+기질 → NAD+ + QH2 + 4 H+세포질 NADH의 결합으로 반응이 시작되고, 2개의 높은 퍼텐셜 전자들이 복합체의 보결 분자단인 FMN으로 전달되어 환원형의 FMNH2를 형성 FMNH2의 전자들은 NADH-Q oxidoreductase의 두 번째 형태의 보결분자단인 일련의 철-황 클러스터들로 전달된 다음 Q 집합체의 한 구성 성분인 보조효소 Q로 전달됨. 4개의 수소이온들이 미토콘드리아 기질로부터 내막을 가로질러 막간 공간으로 펌프질됨. 보조효소 Q가 두 개의 전자들을 받으면, 기질로부터 2개의 수소이온들을 끌어들여 QH2로 환원됨 → QH2는 효소를 떠나서 막의 소수성 내부에 있는 Q 집합체로 이동

19 NADH-Q oxidoreductase의 작용 방법
양성자 펌프로 작용하는 3개의 수직 나선 구조 내부에 음하전을 가진 Glu가 존재하여 양성자와 상호작용하여 유도 3개의 수직 나선 펌프는 수평의 연결 막대 나선에 의하여 연결되어 있어 NADH로부터 전자가 보조효소Q로 전달되면 3차 구조의 변화가 생겨 3개의 펌프 구조가 내부막 쪽으로 열려 4개의 양성자가 이동함.

20 2) ubiquinol은 플라보 단백질의 FADH2로부터 전자들이 들어가는 지점이다
Succinate dehydrogenase (A)는 미토콘드리아 내막에 결합되어 있는 막 단백질인 succinate-Q reductase complex (복합체 II)의 구성 성분 이 복합체에 있는 전자 운반체는 FAD, 철-황 단백질, 보조효소 Q 임 FADH2는 복합체를 떠나지 않고 FADH2의 전자들이 철-황 중심으로 전달되고, 다음에 전자전달 사슬로 들어가기 위하여 보조효소 Q로 전달됨 succinate-Q reductase complex는 양성자를 운반하지 못함 → FADH2의 산화는 NADH보다 ATP가 적게 생성됨

21 3) 전자들은 Q-cytochrome c oxidoreductase를 통하여 ubiquinol로부터 cytochrome c로 전달된다
Q-cytochrome c oxidoreductase는 NADH-Q oxidoreductase와 succinate-Q reductase complex에 의하여 생성된 QH2로부터 전자들을 수용성 단백질인 산화된 cytochrome c (Cyt c)로 전달하는 것을 촉매 이와 동반하여 양성자가 기질에서 막간공간으로 펌프질되어 나감. QH2 + 2 Cyt c산화 + 2 H+ 기질 → Q + 2 Cyt c환원 + 4 H+ 세포질

22 Q-cytochrome c oxidoreductase의 구조
Q-cytochrome c oxidoreductase는 2개의 cytochrome 소단위체 내에 3개의 헴과 또한 2Fe-2S 중심에 철-황 단백질을 포함 리스케 중심(Rieske center)이라 불리는 이 중심은 철 이온들 중 하나가 두 개의 Cys 잔기들이 아닌 두 개의 His 잔기들과 연결되어 있음

23 4) Q 회로는 2개의 전자 운반체부터 1개의 전자 운반체로 전자들을 전달하고 양성자를 퍼낸다
Q 회로(Q cycle): 보조효소 Q로부터 Cyt c로 전자의 전달과 막을 가로지른 양성자의 이동이 연결되어 일어나는 과정 QH2는 Q-cytochrome c oxidoreductase에 2개의 전자들을 보내지만 이 복합체의 전자 수용체인 Cyt c는 오로지 한 개의 전자만을 받음. 두 개의 QH2 분자들이 복합체에 순차적으로 결합하고 4개의 전자들과 4개의 H+를 막의 세포질면 쪽으로 방출됨.

24 Q 회로 2개의 전자들 중 한 전자는 처음에 리스케 2Fe-2S 클러스터로 전달되고, 다음에 Cyt c1, 그리고 마지막으로 산화된 Cyt c로 전달되어 Cyt c를 환원함. 환원된 Cyt c는 효소로부터 분리되고 호흡 사슬의 다음 과정을 계속하기 위하여 이동 두 번째 전자는 Cyt b에 있는 2개의 heme 그룹을 통하여 두 번째 보조효소 Q 결합 부위에 있는 산화형 ubiquinone으로 전달되고 두 번째 결합 부위에 있는 보조효소 Q는 첫 번째 QH2의 전자에 의하여 semiquinone 래디칼 음이온(Q∙-)으로 환원됨. 완전히 산화된 보조효소 Q는 첫 번째 Q 결합 부위를 떠나서 이동하여 Q 집합체로 다시 들어감

25 두 번째 QH2 분자가 Q-cytochrome c oxidoreductase에 결합하고 첫 번째의 경우와 같은 방법으로 반응
두 번째 QH2 분자가 Q-cytochrome c oxidoreductase에 결합하고 첫 번째의 경우와 같은 방법으로 반응. 한 개의 전자는 Cyt c로 전달되고 두 번째 전자는 Cyt b의 두 개의 heme 그룹을 거쳐서 두 번째 결합 부위에 결합되어 일부 환원되어 있는 ubiquinone에 전달됨. 두 번째 QH2 분자로부터 전자가 전달되면, semiquinone 래디칼 음이온은 기질로부터 두 개의 양성자를 받아들여 QH2를 형성 기질로부터 이와 같은 두 개의 양성자 제거는 양성자 기울기 형성에 기여. 전체적으로 4개의 양성자들이 막간공간으로 방출 2QH2 + Q + 2Cyt c산화 + 2H+기질 → 2Q + QH2 + 2Cyt c환원 + 4H+세포질 하나의 Q 회로에서 두 개의 QH2 분자가 산화되어 두 개의 Q 분자가 되고, 그 다음에 한 분자의 Q는 QH2로 환원됨 환원효소의 Cyt b 구성요소는 QH2의 전자들을 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 중요한 재활용 기구임

26 5) cytochrome c oxidase는 산소분자가 물로 환원되는 것을 촉매한다
cytochrome c oxidase는 환원형 Cyt c의 전자들이 최종 수용체인 산소분자로 전달되는 것을 촉매 4 Cyt c환원 + 8 H+기질 + O2 → 4 Cyt c산화 + 2 H2O + 4 H+세포질 네 개의 전자들이 O2에 전달되어 두 분자의 H2O로 완전히 환원시키고 동시에 양성자들이 미토콘드리아 내막의 기질로부터 세포질 면 쪽으로 펌프질됨 Q-cytochrome c oxidoreductase에 의하여 생성된 4 분자의 환원형 Cyt c가 cytochrome c oxidase에 연속적으로 결합하고 전자를 전달함으로써 한 분자의 O2를 H2O로 환원

27 cytochrome c oxidase 내의 전자 전달 방법
두 개의 환원된 Cyt c로부터 전자들이 산환-환원 반응들을 통하여 전달되다가 하나는 CuB에서 멈추고, 다른 하나는 heme a3에서 멈춤, 양쪽 중심들이 환원되면 이들은 함께 산소 분자와 결합 가능 산소 분자가 결합하면 활성 중심에 가까이 있는 각각의 이온들로부터 한 개씩의 전자를 제거하여 그들 사이의 과산화물(O22-) 다리를 형성

28 추가적인 두 개의 H+와 반응하면 두 분자의 H2O를 방출시키며 효소는 완전히 산화된 형태인 처음으로 돌아감
두 분자의 Cyt c가 더 결합하여 방출된 전자들은 활성 중심으로 전달됨. 각 산소 원자에 H+ 뿐만 아니라 전자까지 첨가되면 CuB2+-OH와 Fe3+-OH 형태의 두 이온-산소 그룹들로 환원됨 추가적인 두 개의 H+와 반응하면 두 분자의 H2O를 방출시키며 효소는 완전히 산화된 형태인 처음으로 돌아감   4 Cyt c환원 + 4 H+기질 + O2 → 4 Cyt c산화 + 2 H2O

29 이 반응에서 네 개의 양성자들은 오로지 기질로부터 옴. 이들 네 개의 양성자의 소비는 양성자 기울기에 직접적으로 기여
네 개의 양성자의 소비에는 87.2 kJ/mol이 필요. 산소가 물로 환원될 때 방출되는 자유에너지보다 실제적으로 매우 작은 양임. cytochrome c oxidase가 나머지 에너지를 이용하여 각 반응 회로의 과정에서 네 개의 추가적인 양성자를 기질로부터 막의 세포질면으로 펌프질하여 결국 기질로부터 여덟 개의 양성자를 제거함 cytochrome c oxidase에 의하여 촉매되는 전체과정은 다음과 같음 4 Cyt c환원 + 8 H+기질 + O2 → 4 Cyt c산화 + 2 H2O + 4 H+세포질

30 전자전달계 일련의 산화-환원 발열 반응들은 기질로부터 양성자를 막간공간으로 펌프질하는 것과 연결됨. 양성자 기울기에 들어있는 에너지는 ATP 합성에 이용됨  

31 생물학적 고찰 죽음의 지역: 너무 많은 호흡 어떤 해양생물들은 과도한 세포호흡을 하고 그로 인하여 많은 산소 분자들을 필요로 하기 때문에 바닷물의 산소 농도가 너무 낮아져 다른 생물들이 호흡을 유지할 수 없을 정도까지 감소됨 미시시피강은 농업용 물로 인하여 매우 영양성분이 많게 되어 식물성 플랑크톤이 활발하게 증식. 식물성 플랑크톤이 죽게 되면 강 바닥에 가라앉게 되고 다른 호기성 세균들에 의하여 소비 호기성 세균들은 강 바닥의 작은 새우와 게 같은 다른 생물들이 살아가기 위하여 필요한 산소를 얻을 수 없을 정도까지 과도하게 증식

32 초과산화 래디칼 같은 산소 분자의 독성 파생물들은 보호 효소들에 의하여 제거
네 개의 전자들의 전달은 두 분자의 H2O 형태의 안전한 생성물을 만들지만, 부분적인 환원은 위험한 성분들을 생성 O2에 한 개의 전자가 전달되면 초과산화 음이온(superoxide anion)이 생성되고 두 개의 전자가 전달되면 강한 파괴성을 가진 과산화물(peroxide)이 생성됨. 초과산화 이온, 과산화수소, 그리고 하이드록시 래디칼(OH∙) 같은 반응들에서 생성되는 것들을 모아서 활성산소(reactive oxygen species, ROS)라 함 활성산소는 단백질, nucleotide, 막 등 세포에 있는 모든 큰 분자들과 반응. ROS에 의한 산화적 손상은 노화 과정과 관련되어 있고, 또한 질병들과의 연관성도 늘어나고 있음

33 ROS에 대한 방어 superoxide dismutase라는 효소로 ROS에 의한 산화적 손상에 대한 세포를 방어
이 반응은 두 단계로 진행 : 산화형의 효소가 초과산화 래디칼에 의하여 환원되면서 산소를 방출 반응에서 만들어진 환원형의 효소는 두 번째 초과산화 래디칼과 반응하여 과산화물을 형성하고, 반응과정 동안 두 개의 양성자를 받아들여 과산화수소를 생성

34 superoxide dismutase 나 다른 과정들에 의하여 생성된 과산화수소는 catalase에 의하여 제거됨
superoxide dismutase 나 다른 과정들에 의하여 생성된 과산화수소는 catalase에 의하여 제거됨. catalase는 다양한 곳에 존재하는 heme 단백질로 과산화수소를 물과 산소 분자로 분해하는 반응을 촉매 비타민 C와 비타민 E와 같은 항산화 비타민들도 산화적 손상에 대한 세포의 또 다른 방어. 비타민 E는 지질 친화성 때문에 지질의 과산화반응으로부터 막을 보호하는데 특히 유용 운동하는 동안 호기성 대사의 상승은 더 많은 ROS의 생성을 초래 → 세포는 더 많은 보호 효소들을 합성 → superoxide dismutase의 증가는 휴식기간에도 세포를 더욱 효과적으로 보호 가능