* 진핵세포에서미토콘드리아의기질에는시트르산회로효소들, 지방산산화효소들, 그리고내 막에는전자전달 ( 운반 ) 사슬들이분포하고있다. 미토콘드리아는이중막으로둘러싸여있다 * 미토콘드리아는외막과내막, 그리고내막안쪽의공간에해당하는기질 (matrix) 로이루어져 있는데주름처럼접혀있

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산 점
6 years ago
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1 제 11 주차 : 18 장 Chapter 18: 산화적인산화 (Oxidative Phosorylation) *TCA cycle에서여러탈수소효소들의작용으로기질 ( 연료분자, 영양분 ) 에서빠져나와 ( 산화 ) NADH, FADH 2 에들어있는전자들은산소분자로전달이되는데이전자의흐름은미토콘드리아내막에 ( 세균의경우에는세포막 ) 박혀있는 4개의커다란단백질복합체들을경유하여일어나며이단백질복합체들및그들중간에위치하고있는비단백질성전달체 (CoQ) 와단일단백질전달체 (Cytochrome c) 들을통틀어서이들을호흡사슬 (respiratory chain) 또는전자운반사슬 (electron transport chain) 이라한다. NADH Complex I Q Complex III cytochrome c Complex IV O 2 Complex II FADH 2 Succinate *NADH + 1/2 O 2 + H + H 2 O + NAD + (ΔG o = kcal mol -1 ) * 이렇게전자전달시방출되는자유에너지를이용하여 4곳중 3곳에서 proton을미토콘드리아기질 (matrix) 에서세포질로 ( 정확히는 2중막사이의공간 ) 퍼낸다 * 그결과내막을사이로양성자기울기 (proton gradient) 가발생하고이것은 ph gradient ( 물질적인포텐셜 ) 와함께전기적인포텐셜을함께가지는일종의위치에너지형태인양성자동력 (proton-motive force, PMF) 을생성한다. 이힘은 proton들이다시농도가낮은쪽 ( 미토콘드리아기질쪽 ) 으로역류할수있게하는원동력이되고실제로양성자들이내막에박혀있는 ATP 합성효소 (ATP synthase) 를통해서물밀듯이다시기질로밀려들어올때 ADP의인산화로부터 ATP가생성된다. (ADP + Pi + H + ATP + H 2 O (ΔG o = kcal mol -1 ) * 이처럼연료분자들의산화와 ADP의인산화 ( 즉 ATP의생성 ) 과정의연결고리를 양성자기울기 로설명하는가설을화학삼투가설 (chemiosmotic hypothesis) 라한다 * 시트르산회로-전자전달-산화적인산화에따른 ATP 생성을집합적으로세포호흡 (cellular respiration) 이라한다. 때로는해당까지를포함해서일컫기도한다 진핵세포의산화적인산화는미토콘드리아에서일어난다

2 * 진핵세포에서미토콘드리아의기질에는시트르산회로효소들, 지방산산화효소들, 그리고내 막에는전자전달 ( 운반 ) 사슬들이분포하고있다. 미토콘드리아는이중막으로둘러싸여있다 * 미토콘드리아는외막과내막, 그리고내막안쪽의공간에해당하는기질 (matrix) 로이루어져 있는데주름처럼접혀있는내막을크리스테라고한다 미토콘드리아는내부공생사건의결과로생긴것이다 * 미토콘드리아와같은진핵세포들의세포소기관들의진화 ( 즉진핵세포의진화 ) 는두원핵세포들의내부공생으로시작하여그중하나의원핵세포가세포성을잃어버리고하나의소기관으로전락함으로써이루어졌다고하는내부공생설이인정을받고있음. 이가설을이끌어낸남겨진진화의흔적들에는 1. 세포소기관들은모두자체의막을지닌다 2. 미토콘드리아와엽록체에는소기관 DNA도존재하며 3. 그모양이원핵세포들의염색체 DNA와같은환형 (circular) 이다 4. 이들두소기관에는 ribosome들도존재하며 5. 그크기가세균과같은 70 S 이다 18.2 산화적인산화반응은전자이동에의존한다 전자의이동포텐셜은산화 - 환원전위로측정된다 * 어떤화합물이 ( 정확히는산화-환원쌍의산화제가 ) 전자를획득하여환원되고자하는경향의정도를수치로나타낸것이환원전위 (reduction potential, redox potential, oxidoreduction potential, oxidation-reduction potential) 이라하며산화-환원반응의모든반응물과생성물의농도가 1 M, 25 o C ( 즉표준상태 ) 에서의 reduction potential을 표준산화환원전위 (E o ) 이라하고단위는 volt (V) 이다. 각종산화 / 환원쌍들의 E o 값은 H + /H 2 쌍의 E o 값을 zero (0) 로했을때의상대적인수치로나타낸다. 수소이온의농도가 1M ( 즉 ph가 0) 이아닌조건에서의 E 0 를 E 0 라한다. 즉어떤산화 / 환원쌍의 E o값이 plus 값이라함은그쌍의산화제가환원되는경향이 H + 가 H 2 로환원될려는경향보다강함을의미한다. 예를들면 NAD + /NADH의 E o값이 0.32 V이고 1/2O 2 /H 2 O 쌍의 E o값이 V 이기때문에이두개의반쪽산화-환원반응을합치면하나의완전한산화-환원반응이일어나느데두쪽모두에서환원반응만일어날수는없고한쪽은산화반응이일어나야한다. 그러므로 E o값이큰쪽에서는환원반응이, 그리고 E o값이작은쪽에서는산화반응이일어난다. 그리하여 NADH NAD + + H e - (E o = V, 왜냐하면환원이아니라산화반응으로표시했으니 ) 1/2 O H e - H 2 O (E o = V) 두반쪽반응을합치면 :

3 NADH + H + + 1/2 O 2 H 2 O + NAD + (ΔE o = 1.14 V) * ΔG o = -nf ΔE o, 여기에서 n 은이동되는전자의수, F 는패러데이상수 (96.48 kj mol -1 V -1 ) 임 NADH 와 O 2 사이의 1.14 volt 의전위차가호흡사슬을통한전자이동을추진하며양성자기울기 의형성을유리하게한다 * 위에서 NADH로부터산소분자에게로전자이동 ( 산화환원반응 ) 이일어나면 1.14 볼트의환원포텐셜의변화가있음을보았고또한환원포텐셜의변화를자유에너지의변화로전환하는식을이용하여이과정에서의자유에너지의변화를구해보면 ΔG o = -2 x x 1.14 = kj mol -1 이니까이전자전달과정중많은자유에너지가방출되는호의적인과정임을알수있다. 세포는이에너지를우선양성자를내막밖으로퍼내는데사용하여 proton gradient를만든다. 복잡한식을사용하여전형적인세포막의환경에서양성자하나가퍼내어질때소모되는자유에너지를계산해보면 21.8 kj mol -1 이다 18.3 호흡사슬은 4 개의복합체로구성되는데이중에서양성자펌프는 3 개 (complex I, III, IV) 이고 나머지하나는시트르산에물리적으로연결된비양성자펌프 (complex II) 이다 *3 개의 proton pumps: 1. NADH-Q oxidoreductase (NADH dehydrogenase, complex I) 2. Q-cytochrome c oxidoreductase (cytochrome c reductase, cytochrome b-c1 complex, complex III) 3. Cytochrome c oxidase (complex IV) 1 개의 non-proton pump 4. Succinate-Q reductase (succinate dehydrogenase 를포함하고있음, complex II) * 이들복합체사이에는비단백질성의 coenzyme Q (CoQ 10, ubiquinone) 와단일단백질 ( 복합체 가아니고 ) 전자전달체인 cytochrome c 가존재한다 *Q 는 Q (ubiquinone) QH.(semiquinone) QH 2 (ubiquinol) 로산화 - 환원되면서전자의주게 (donor) 혹은받게 (acceptor) 로작용하여 complex I 에서 complex III 로, 그리고 complex II 에서 complex III 로전자를전달한다 *Cytochrome c (Cyt c) 는다른 cytochrome 들과달리내막에짱박혀있는단백질이아니기때 문에상당히물에잘녹는수용성단백질이며 complex III 에서 complex IV 로전자를전달한다

4 NADH 의높은포텐셜의전자들은 NADH-Q oxidoreductase 를통해호흡사슬로들어간다 *NADH + Q + 5 H + 기질 (matrix) NAD + + QH H + 세포질 (by NADH-Q oxidoreductase or complex I) *Complex I 은 iron-sulfur cluster 를가지며또한 FMN 도가지고있다. 실제전자는 NADH FMN Fe (Fe-S) 로흐르며 complex I 을관통한다. 이과정에서식에서보는것처럼양성자 들이미토콘드리아기질에서세포질방향으로퍼내어진다 Ubiquinol 은플라보단백질 (FAD 를지니는단백질들 ) 의 FADH 2 로부터오는전자가호흡사슬로 들어가는 entry point 다 *Comple II (succinate-q reductase) 는 TCA cycle 효소인 succinate dehydrogenase를포함하는복합체로써 iron-sulfur center를가지며 succinate에서빠져나와 FADH 2 속에들어있는전자를 CoQ에게전달한다 (Succinate + CoQ Fumarate + CoQH 2 by complex II). 글리세롤인산탈수소효소와지방산아실 CoA 탈수소효소가각각글리세롤과지방산에서빼내어 FADH 2 속에보관하던전자들도 CoQ에게로전달된다 전자들은 Q-cytochrome c oxidoreductase (cytochrome c reductase, complex III) 를거쳐서 ubiquinol 로부터 cytochrome c 로흐른다 *QH Cyt c ox + 2 H + 기질 Q + 2 Cyt c red + 4 H + 세포질 (by complex III) *Cytochrome들은 Fe가결합된포피린, 즉헴 (heme) 을가지는단백질들로써대부분의경우막에결합되어전자전달에관여한다. 흡수하는빛의파장에따라크게 Cyt a, b, c의세부류로나뉘고이들내에서또한약간씩의파장의차이에따라세분된다. 전자전달사슬에참여하는사이토크롬중에는 Cyt a, a 3, c, c 1, 그리고 3 type의 Cyt b가있다. Cyt a 부류는 heme a를, 나머지 cytochrome들은모두헤모글로빈과미오글로빈에서보는 heme b를 prosthetic group ( 보결단 ) 으로지니고있다 *Complex III 에는 cytochrome b 와 Cyt c 1 이구성성분으로들어가있다 * 식에서보는것처럼전자들이 complex III 를통하여 QH 2 로부터 Cyt c 에게넘어갈때도수소 이온들이퍼내어짐을볼수있다 ( 따라서 complex III 는 proton pump 이다 ) Q 회로는전자들을 two-electron carrier 로부터 one-electron carrier 로흐르게하고양성자들을 퍼낸다 *QH 2 는한번에 2 개의전자를 complex III 에게전달하는반면에 comple III 에게서전자를받는 Cyt c 는한번에하나의전자만을받을수있다 (Fe 2+ Fe + ). 이의불일치를해결하기위해서

5 complex III에서는 Q회로 (Q cycle) 가작동하는데이방법에의하면 QH 2 의 2개의전자중하나만 Cyt c에게전달되고다른하나는미리 complex III에붙어있던 Q에게전달되어 Q. (semiquinone) 을만든다. 또다시한분자의 QH 2 가 complex III에들어와다시하나의전자는 Cyt c를환원시키면서양성자를퍼내고다른하나의전자는조금전에생성되어 complex III에머물고있던 Q.(semiquinone) 에전달되어 QH 2 를생성한다. 전체로두번의과정을합쳐보면 : 2 QH 2 + Q + 2 Cyt c ox + 2 H + 기질 2 Q + QH Cyt c red + 4 H + 세포질이다. 그러니알짜반응은 : QH Cyt c ox + 2 H + 기질 Q + 2 Cyt c red + 4 H + 세포질이된다. Cyt c oxidase (complex IV) 는산소분자가물로환원되는것을촉매한다 *4 Cyt c red + 8 H + 기질 + O 2 4 Cyt c ox + 2 H 2 O + 4 H + 세포질 (by complex IV) *Complex IV (cytochrome c oxidase) 는 Cyt a 와 a 3 를구성단백질들로지니고있고구리이온도 가지고있다. 이복합체속에서의전자흐름을보면 Cyt c 에서전달된전자는 구리 Fe in heme a Fe in heme a 3 구리 O 2 의순서로전달된다 초과산화라디칼 (superoxide radical) 과같은산소분자의유독한유도체들 ( 활성산소종들 ) 은 보호효소들에의해청소된다 * 산소분자에하나의전자가이전하면초과산화음이온라디칼 (superoxide anion radical, O - 2 ) 이생성되고두개의전자에의해환원되면과산화물 ( 과산화수소, H 2 O 2 ) 이형성된다. 이들은 hydroxyl radical과더불어반응성이매우큰활성산소종 (reactive oxygen species, ROS) 들이며 DNA, 단백질, 지질들을산화시켜노화와암을비롯한각종질병을일으킬수있다. 이들이많이생성되어생체내산화제와환원제들사이의균형이기울었을때산화스트레스 (oxidative stress) 가증가되었다고말한다. 그러므로산소분자로전자전달이일어날때 4개의전자가전달이되어완전히환원되기전까지는중간의부분환원된산소분자가방출되지않아야하는데이는 Cyt c oxidase의 Fe와 Cu들이산소분자와단단히결합하여붙들고있기때문에가능하다. 활성산소종들은이처럼호흡과정의부산물로도생성되지만생체이물들이나세균들의침입시에도생체에서생성되어살균작용에도관여한다. 뿐만아니라세포분열, 세포자살및생존에관련된일부신호전달에서중요한신호물질로도작용함으로써좋은점들도함께가지고있다 * 유산소호흡으로살아가는생물체들은이들활성산소종들을무해하게만들어주는항산화효 소들및비효소성항산화물질들 ( 비타민 C, 비타민 E- 세포막의과산화방지 ) 을보유하고있다. 1. O H + O 2 + H 2 O 2 by superoxide dismutase ( 초과산화물불균등화효소 ) 2. 2 H 2 O 2 O H 2 O by catalase (or by glutathione peroxidase via different reaction)

제16장 소진화

제16장 소진화 2.1 에너지, 효소 2.1.1 에너지, 생명그리고열역학법칙 에너지는다른형태와상태로존재한다 운동에너지 (kinetic energy) : 파동, 전자, 원자, 분자기질, 물체와같은움직임의에너지 ( 전기에너지, 복사에너지, 열에너지, 소리와움직임의에너지 ) 퍼텐셜 ( 위치 ) 에너지 (Potential energy) : 움직이지않는위치또는원자가특별하게배열되어있을때나타나는저장된에너지