산화적 인산화

1 개요

세포질에서 이루어지는 해당과정, 미토콘드리아 내부 매트릭스에서 이루어지는 TCA 회로에서 산출된 전자 공여체인 NADH와 FADH₂를 이용해 미토콘드리아의 내막과 막간공간의 수소이온 농도 구배를 형성한 뒤, 이를 에너지원으로 이용해 ADP에 인산을 붙여 ATP를 만드는 과정.

2 과정

2.1 전자 전달 과정

미토콘드리아 가장 안쪽 (이중막은 맨 안쪽)에서 TCA 회로가 돌고, 그 회로의 결과물로 두 종류의 전자공여체 (NADH 와 FADH₂)가 생성된 상태에서 개시한다.

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, 전자전달계 II는 전자를 I에서 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 숙신산에서 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. 이 과정에서 전자가 일을 하게 되는데, 전자가 하는 일은 전자 전달계 I, III, IV의 수소이온 펌프를 돌려 막 안에서 밖으로 수소이온을 농도 기울기를 거슬러서 수송하는 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.

2.2 ATP 합성

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 빠와를 써서 회전하며 (실제로 돈다.) 그 힘으로 ATP를 합성한다. 이놈은 산화적 인산화만이 아니라 광합성에서도 동일한 원리로 작동한다.

간단히 그 구조를 볼작시면, 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.

백문이 불여일견. 아래쪽이 막 안이고 위가 막 밖이다.

자세한 과정 추가바람.

3 기타

산화적 인산화를 방해해 살을 빼는 약이 나온적이 있는데 DNP라는 물질이다. 이 물질은 짝풀림제로 작용하는데, 산화적 인산화 과정에서 수소이온이 미토콘드리아 내막으로 새어나오게 한다. ATP합성효소를 지나 ATP를 합성해야 할 수소이온이 딴데로 새버리니 ATP합성은 안되고 몸은 에너지만 쓰게 되서 살이 빠지는 것이다.
여기까지만 들으면 획기적인것 같지만, 사실 심각한 문제를 가지고 있었다. 바로 ATP 합성에 쓰이지 않은 에너지가 열로 방출된다는것이다. 이 방출되는 열은 체온을 높이고, 높아진 체온을 낮추기 위해 몸은 땀을 흘리는 등 온갖 노력을 하다가 힘이 빠져 죽게 된다.
'그러면 적당히 먹으면 되는거 아냐?'라고 생각할지 모르지만, 효과를 보는 투여량과 치명적인 투여량이 비슷하다. 운이 좋으면 잠깐 염라대왕과 1:1면담, 나쁘면 삼도천 직행이란 소리다.
이런 문제들때문에 DNP는 나온지 8년만인 1938년 생산이 중단되었다. 살빼려면 이런거 쓰지 말고 덜먹고 운동하자.