1. 개요
전자전달계(電子傳達系, electron transport chain 또는 ETC)는 해당과정이나 TCA 회로 등의 과정을 통해 생성된 H+를 미토콘드리아 막간 공간[1]에 전달하여 H+의 농도차를 만드는 체계를 말한다. 이 과정에서 산화적 인산화가 진행되어 ATP가 (재)생성된다.[2]
2. 작동 과정
위는 전자전달계의 작동과정.
미토콘드리아의 내측막과 외측막 사이의 막간공간에 H+를 전달해 미토콘드리아 내부와 외부의 H+ 농도차를 만들기 위한 과정. 하술할 로터를 돌리기 위해 작동된다.
단백질 복합체 4개와 Q 단백질, 사이토크롬 C로 이루어져 있다.
1번 단백질 복합체는 NADH를 NAD+,H+로 쪼개고 막간 공간에 H+ 4개를 전달하고, 6kcal를 사용해 Q 단백질로 전달한다. 반면 2번 단백질 복합체는 FADH2를 Q 단백질에 전달한다. Q 단백질은 2~3kcal를 사용해 3번 단백질 복합체에 전달하며, 3번 단백질 복합체는 H+ 4개를 막간 공간으로 전달한다. 3번 단백질 복합체는 5kcal를 사용해 사이토크롬 c를 거쳐 4번 단백질로 전달하며, 4번 단백질이 H+ 2개를 막간 공간으로 전달한다. 마지막으로, 10kcal를 사용해 물을 하나 만든다.
기능적으로 연구결과에서 1번 단백질 개시경로(1-3-4)는 2번 단백질 개시경로(2-3-4) 이전에 다루어진다.
이러한 전자전달계가 양성자 기울기를 형성해서 에너지원으로 작용한다는 삼투압농도가설(Chemiosmotic Hypothesis\[직역\]화학삼투 가설)은 1961년 피터 미첼(Peter D. Mitchell)이 주요하게 제안한바로부터 구체화되었다. [3] 피터 데니스 미첼은 1978년 이러한 공로로 노벨상(화학)을 수상한바있다.
3. 로터
미토콘드리아 에너지 생성과정의 마지막 단계. 막간 공간에 떠다니는 H+(수소 양성자)을 잡아 단백질에 붙여놓고 1바퀴 돌 때마다 전자를 떼고 생긴 에너지로 인산을 붙여 ADP를 ATP로 만든다. 전자전달계와는 다른 단계긴 하나 전자전달계 자체는 ATP를 생성하지 못하며 이 과정을 통해 ATP를 생성하기 때문. 전자전달계의 목적이기도 하다.이때문에 5번째 단계로 곧잘 언급되며 5번 단백질(complex V)또는 ATP생성(결합)단백질(ATP synthase)로 불리운다. H+ 3개로 ATP 1개를 만들기 때문에 포도당 1개로 만들 수 있는 ATP 32개 중 대부분을 로터가 생성한다. 최고속도는 초당 200회.
여기서 5번 단백질을 특히 로터(rotor)라고 부르는 이유는 5번 단백질의 작용이 실제로 물리적으로 회전촉매(rotational catalysis)의 회전(rotor) 기능을 하기 때문이다.
4. 양성자 그리고 물
따라서 미토콘드리아 내막(inner-membrane)에서 작동하는 전자전달계의 주요한 맥락(context)은 내막의 안쪽 기질(matrix)을 물(H2O)로 그리고 내막의 바깥쪽 막간공간(inter-membrane space)을 양성자(H+)로 채움으로써 내막의 안팎에 농도차를 형성하는 양성자 구배(proton gradient)의 작동원리라고 이해해볼 수 있다. 물(H2O)분자 1개 생성할때 수소이온인 양성자10개이상을 막간공간에 집어넣는 효율적인 비율을 보여주는 이러한 pH농도적이고 전기전하적인 전기화학적 수소이온 농도기울기는 생영체가 갖는 전략적 측면의 예시를 잘 보여준다.따라서 미토콘드리아에 기반하는 모든 생명체는 수소(H)에너지를 사용하며 산소(O)는 단지 탄소(C)골격의 해체를 위한 청소부이자 농도기울기의 필수불가결한 부산물의 매개체로서 중요할뿐이다.
5. 관련 문서
[1] 미토콘드리아 외층막과 내층막 사이.[2] Why Are Cells Powered by Proton Gradients? By: Nick Lane, Ph.D. (Research Department of Genetics, Evolution and Environment, University College London ) © 2010 Nature Education Citation: Lane, N. (2010) Why Are Cells Powered by Proton Gradients? Nature Education 3(9):18#[3] Published: 08 July 1961 ,Coupling of Phosphorylation to Electron and Hydrogen Transfer by a Chemi-Osmotic type of Mechanism ,PETER MITCHELL ,Nature volume 191, pages144–148 (1961) #