전자전달

 

산화과정과 ATP의 생성(인산화)은 연결되어 있다.

        electron transfer from NADH & FADH2 to O2

        pumping protons out of matrix

        generation of proton-motive force

             (pH gradient and transmembrane electric potential)

        flow back of protons to the mitochondrial matrix through enzyme complex

        ATP synthesis (32 molecules in case of 36 ATP generation)

 

가. Mitochondria의 구조:

        포유동물의 경우 800-2500/cell (적혈구와 같이 전혀 없는 세포도 있다).  크기는 0.2-0.8 um의 지름과 0.5-1 um의 길이를 가지나 모양은 대사조건에 따라 변화가 많으며 대략 길죽한 타원형을 이룬다.

1. 외막: 대부분 인지질로 구성되어 있으며, porin이라고 하는 단백질이 많이 존재하여 작은 분자나 이온들에 투과성이 좋다.  Porin은 분자량 10,000 미만의 것들이 자유롭게 통과할 수 있는 channel을 형성한다. phosphatidyl inositol의 함량이 매우 높다.

 

2. 막간 공간 (intermembrane space): ADP와 긴사슬의 지방산 전달에 관여하는 전달단백질들이 존재한다. ATP를 사용하는 creatine kinase와 adenylate kinase 등도 발견된다.

 

3. 내막: 모든 이온과 극성인 분자들에 비투과성이고, 인산화와 전자전달에 관여하는 단백질이 풍부하게 존재한다 (lipid:protein=0.27:1). 고도로 불포화된 지방산을 가지며, cardiolipin과 diphosphatidyl glycerol이 풍부하나 콜레스테롤은 존재하지 않는다.

 

4. 기질 (matrix): TCA 회로와 지방산 산화를 수행하는 효소들이 풍부하다. 독자적인 게놈을 가지며, 단백질합성 효소와 리보솜도 가지고 있다.

 

 

나. 환원전위 (Redox Potential): 전자전달전위 (Electron-transfer potential, Eo')

산화적 인산화에서 NADH 또는 FADH2의 전자전달전위는 인산기 전달전위로 전환된다.

산화와 환원 반응은 맞물려 있다. 이 때 어떤 것이 산화되느냐 (전자가 전달되느냐)는 환원전위에 따라 결정된다.

lactate는 pyruvate로 산화되고, Fe2+ 도 Fe3+로 산화된다. 가령 이 두가지 반응이 맞물려있다면 어느 하나는 산화되고 다른 하나는 환원되어야만 한다. 이 때 어느 것이 산화되는지는 각 반응 (반쪽반응)의 기준이 되는 반쪽반응에 대한 환원전위값을 통해 알 수 있다. 기준반쪽반응은 1기압에서 수소기체와 평형에 있는 1 M의 H+로서 임의로 0.0 V의 표준환원전위가 부여되어 있다.

 

i) lactate의 경우는 산화반응이 일어난다.

        sample: lactate --> pyruvate + 2H+ + 2e-

     reference: 2H+ + 2e- --> H2

        이때 환원전위 Eo'= -0.185 V

        

ii) Fe3+는 Fe2+로 환원된다.

        sample: Fe3+ + e- --> Fe2+

     reference: H2 --> 2H+ + 2e-

        환원전위 Eo'= + 0.77 V

 

i), ii) 반응이 맞물려있다면 환원전위가 낮은 lactate가 전자를 내주고 Fe3+는 전자를 받는 반응이 일어날 수 있다.

큰 양의 환원전위를 가진 산화환원쌍은 전자를 수용하려는 경향이 강하며, 그러한 쌍의 산화형은 강한 산화제이다. 즉, 전자에 대한 친화력이 낮은 것은 환원제로 작용하고, 반대로 전자에 대한 친화력이 높은 것은 산화제로 작용한다.

 

짝지워진 산화환원반응: 산화환원전위들은 에너지변화를 분석하는데 사용될 수 있다.

Eo'와 △Go'의 연관 (산화환원 반응에서의 자유에너지 변화)

        △Go' = - nF△Eo'              

 

n: 전달된 전자의 갯수

F: 패러데이 상수(23.06 kcal/V mol): 1M의 전자들이 1 volt의 전위차를 통과하면서 나타나는 자유에너지의 변화

 

        평형상태에서

            △Go' = -RT ln Keq'

        therefore, at T=298 K(25 C) and R= gas const.=1.987 cal/K/mol

 

            

 

예제: pyruvate + NADH + H+  --> lactate + NAD+

        반쪽 반응: oxidant + e- --> reductant

             환원반쪽반응: pyruvate + 2H+ + 2e- --> lactate     Eo'= -0.19 V

             산화반쪽반응: NAD+ + H+ + 2e- --> NADH        Eo'= -0.32 V

             -------------------------------------------------------

                Eo'(환원) - Eo'(산화) = △Eo' = + 0.13 V

        

        △Go' = -nF△Eo' = -6 kcal/mol

 

NADH와 FADH2의 전자전달 전위(환원전위)는 ADP와 Pi로 부터 ATP의 생성과 관련된 phosphoryl-group 전달반응을 야기시키는데 필요한 자유에너지를 제공한다.

 

        NADH + H+ + ½O2 --> NAD+ + H2O

        반쪽반응:   ½O2 + 2H+ + 2e- --> H2O   Eo'= +0.82 V

                    NAD+ + H+ + 2e- --> NADH       Eo'= -0.32 V   

        ----------------------------------------------------

                                                Eo'= +1.14 V

        △Go'= -nF△Eo'

           = -52.6 kcal/mol

 

이때 얻어지는 값은 표준자유에너지의 변화값이다. 알다시피 세포내에서의 실제상태를 반영하는 것은 자유에너지값의 변화이므로 실제 환원전위는 다음 식에 의해 주어진다.

        

 

다. 전자운반연쇄-개관

해당과정과 TCA 회로에서의 산화과정에서 나오는 에너지는 NADH와 FADH2로 모아진다. 이들의 재산화과정에서 나오는 전자는 최종적으로 분자산소로 전달된다. 이때의 표준자유에너지 변화값은 -219 kJ/mol에 해당된다.

 

전자운반연쇄는 4개의 복합체로 분리될 수 있으며, 이들은 FMN이나 FAD를 포함하는 플라보단백질, 우비퀴논이라 불리는 보조효소 Q, 시토크롬들, Fe2+와 Fe3+를 포함하는 철-황 단백질, 그리고 구리원자를 함유하고 있다. 시토크롬을 제외한 모든 운반체는 막에 존재하며, 단백질들은 전자전달 보결원자단 그룹을 가지고 있다. 이들 복합체는 직접적으로 연결되어 전자를 주고받는 것은 아니다.

 

 

라. 전자운반 복합체

1. NADH-보조효소 Q 환원효소: NADH-Q reductase complex (NADH dehydrogenase)

        850 kd: 25 polypeptide로 구성

        Prosthetic group으로 FMN과 Fe-S clusters

                Fe-S cluster는 2Fe-2S 와 4Fe-4S로 구성되어 있다: 5-8 Fe-S cluster에 16-24 nonheme iron atom들이 있으며 이들의 환원전위는 -0.42에서 +0.3 V 이다.

        

        Semiquinone intermediate forms of FMN & Q

 

        Isoprene units of coenz. Q (ubiquinone): quinone derivative   ubiquitous in biological systems. isoprene unit의 수는 종마다 다르지만 포유동물에서는 일반적으로 10개. Q는 소수성인 동시에 전자전달에 용이한 구조적 특성을 가지고 있다.  따라서 생체막에서 자유롭게 이동하며 전자전달에 관여한다.

 

One electron carrier인 Fe-S는 어떻게 two-electron carrier들인 FMN과 Q로 부터 전자를 주고 받는가 ?  FMN은 two-electron transfer에 의해 환원되지만 산화될 때는 두번의 one-electron transfer에 의해 진행된다.

        

 

2. 숙신산-보조효소 Q 환원효소: Succinate-Q reductase complex (Succinate dehydrogenase)

succinate dehydrogenase와 iron-sulfur protein들로 이루어진 4개의 polypeptide로 구성되어 있다.

succinate dehydrogenase는 citric acid cycle에서 succinate를 fumarate로 산화시키는 효소이다.

Prosthetic group으로 FAD와 3개의 Fe-S clusters를 가지고 있다.

        Proton-pumping은 일어나지 않는다. 왜냐하면 FADH2로 부터 Q로의 표준환원전위가 0.113 V로서 proton의 pumping을 진행시키기에는 너무 낮기 떄문이다.

 

 

3. 보조효소 Q- 시토크롬 c 환원효소: Cytochrome reductase

세가지 다른 cytochrome (cytochrome b562, cytochrome b566, c1)과 하나의 Fe-S protein을 가지고 있다.

prosthetic group들은 모두 동일한 heme이나 각각 다른 전자친화력과 흡광 특성을 가진다.

        cytochrome b: Heme b-562

                      Heme b-566

        cytochrome c1: Heme c1

        Fe-S protein : Fe-S

 

Cytochrome들은 모든 호기성 생물체에 존재하는  heme을 가지고 있는 단백질들로서 호흡계와 광합성에서의 전자전달계에서 one electron carrier로 작용한다. Heme group의 곁가지에 따라  a, b, c로 구분한다. cytochrome b에는 다시 알파 띠의 최대파장과 환원전위에 의해 구분되는 b566 (또는 bL)과 b562 (bH)가 존재한다. bL은 환원전위가 -0.1V이고, bH는 +0.5V이다.

 

Q 회로: 이전자 운반체인 ubiquinol로 하여금 일전자 운반체인 Fe-S와 작용하게 하는 재순환 기구이다. 이때 중요한 매개역할을 하는 것이 cyt.bL과 cyt.bH이다. UQH2는 UQ로 산화되면서 두 개의 전자를 전달하나, 하나는 Fe-S를 거쳐 cyt.c1으로 전달되고 나머지 하나는 cyt.bL로 전달된다. 이것은 다시 cyt.bH를 거쳐 UQ에 전달되어 세미퀴논을 형성한다. 이것으로 Q회로의 첫 번째 절반이 완성된다. 두 번째 절반의 회로에서도 동일한 전달과정이 반복된다. 다만 마지막 단계에서 첫 번째 절반에서 형성된 세미퀴논에 전자가 전달되어 UQH2로 환원되어 자리를 떠난다. 이 회로에서 양성자의 전달은 UQH2로 전달될 때마다 2개씩 막간공간으로 빠져나가고, 두 번째 절반에서 마지막 단계에 UQH2가 생성될 때 2개의 양성자가 기질로부터 들어온다. 따라서 전체 회로의 결과는 UQH2 한 분자가 UQ로 산화되면서 두 개의 cyt.c1을 환원시키고, 2개의 양성자를 기질로부터 취하여 4개의 양성자를 막간공간으로 전달하는 것이다.

 

시토크롬 c: 최종적으로 전자는 시토크롬 c로 전달된다. 이것은 막간공간에 존재하는 이동성 전자운반체이다. 이것은 복합체 III에서 전자를 받기위해 느슨하게 결합되어 있다가 전자를 받은 후 막표면을 따라 이동하여 복합체 IV로 이동한다.

peripheral membrane protein으로서 쉽게 분리될 수 있었기 때문에 X 선 회절분석에 의한 삼차구조가 잘 밝혀져 있다. 소의 심장에서 분리된 이 단백질은 104개의 아미노산 잔기로 구성된 단일사슬로서 헴과 결합되어 있다. 이 단백질은 염기성으로 표면에는 특이적으로 lys 잔기들이 분포되어 있다. 이 양성잔기들이 복합체와의 인식에 매우 중요하게 작용한다. Poly-lys의 경우 이 상호인식을 방해하는 작용을 한다.

이 단백질은 어떻게 전자를 받고 주는가 ? donor와 acceptor의 헴기들은 직접적으로 접촉하지 않는다 (이것은 산소와 접촉하는 헤모글로빈의 경우와 아주 다르다). 전자전달은 떨어진 상태로 일어나며, 이때 이들 간의 거리와 환원전위, 방향 등이 중요하게 작용한다.  (전자는 철원자에만 국한되어 있는 것이 아니라 heme의 conjugated pi-electron network 전체에 부분적으로 분산된 상태에 있다. 따라서 heme 끼리 가깝게 접근하면 (less than about 8 A apart) 직접적인 전자의 전달이 가능해진다. 그것은 cyt.c의 입체구조상 한쪽면 만이 노출되어 있으므로 가능하다). 때문에 시토크롬 c의 구조는 매우 중요하며, 이러한 구조는 수십억년 동안 보존되어 왔다.

 

 

4. 시토크롬 c 산화효소: Cytochrome oxidase

        최소한 10개 이상의 subunit로 구성된 약 162 kd의 단백질 복합체이다. Subunit I, II, III은 미토콘드리아 DNA에서 비롯된다. 전체적인 구조는 Y-형이며 막에 걸쳐져 있다. 전자들은 막을 거슬러 기질에서 산소에 전달된다.

        prosthetic group으로 heme a(cyt.a), heme a3(cyt.a3), 그리고 두가지 종류의 copper ion들 (CuA와 CuB)이 존재한다.

        Subunit I에 존재하는 heme a는 subunit II의 CuA에 가깝고, subunit II에 존재하는 heme a3는 subunit I의 CuB에 근접해 있다. Cu는 환원된 Cu+와 산화된 Cu2+ 사이를 순환한다.

 

이 복합체는 시토크롬 c로부터 전자를 받아 산소의 4-전자 환원에 연결시켜 물을 생성한다. 이때 4분자의 양성자의 운반도 수반된다.

 

산소에 불완전한 전자전달이 일어날 경우는 라디칼이 생기게 된다.

        O2 + e- --> O2- (superoxide anion: radical)

Superoxide anion은 두가지의 효소반응에 의해 제거된다.

   superoxide dismutase: O2-· + O2-·  --> H2O2 + O2

   catalase: H2O2 + H2O2  --> 2H2O + O2

산소는 이상적인 최종 전자 수용체이다. 전자에 대한 높은 친화력은 산화적 인산화에 대한 강력한 열역학적 원동력이 된다. 그러나 촉매에 의해 활성화되지 않는 한 매우 느리게 반응한다. 문제는 4개의 전자가 전달되면 2분자의 물이 생기나, 부분적인 환원이 일어나면 반응성이 높은 라디칼이 형성된다는 것이다. 그렇지만 전자들은 한번에 하나씩 전달되기 때문에 산소가 완전히 환원된 상태에서만 방출될 수 있는 잘 조절된 전자전달과정이 필요하다 (산소 1/2 분자당 물 한 분자가 생길 수는 없다). Cyt.a3와 CuB는 서로 가깝게 위치하며, 아마도 시스테인의 황원자를 리간드로서 공유하는 것으로 생각된다. 이 연관된 금속이온쌍을 이핵중심 (binuclear center)라 부르며, 여기서 산소에 전자전달이 일어난다.