산화적 인산화와 ATP 합성 효소

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예전 교과서는 포도당 하나가 완전히 산화되면 ATP 38개가 생긴다고 했다. 요즘 교과서는 30~32개라고 쓴다. 해당 과정과 TCA 회로에서 생기는 NADH와 FADH₂의 수는 바뀌지 않았는데, 왜 ATP의 수가 달라졌을까? 답은 미토콘드리아 내막의 ATP 합성 효소가 H⁺ 몇 개로 ATP 하나를 만드는지에 있다. 이 효소는 H⁺가 지나갈 때마다 조금씩 도는 작은 회전 기계이다.

c 고리의 소단위 수

그림 1. ATP 합성 효소의 회전 고리(c 고리)는 소단위마다 H⁺ 하나를 싣고 한 칸씩 돈다. 한 바퀴에 ATP 3개를 만들므로, 소단위 수가 ATP 하나에 드는 H⁺ 수를 정한다. ATP를 기질로 내보내는 데 H⁺ 하나가 더 든다.

먼저 알아야 할 것전자 전달계와 화학 삼투(생명과학), 해당 과정과 TCA 회로(해당 과정·TCA 회로와 조절).

1.6.1H⁺의 흐름이 돌리는 효소

전자 전달계는 NADH의 전자를 산소까지 옮기며 H⁺를 막 사이 공간으로 퍼낸다. NADH 하나에서 H⁺ 10개, FADH₂ 하나에서 H⁺ 6개가 나간다. 이렇게 생긴 H⁺ 농도 차와 전위 차를 양성자 구동력이라 한다. H⁺가 ATP 합성 효소의 막 속 부분을 지나 기질로 돌아올 때, c 고리가 한 칸씩 돌고 거기에 붙은 축이 함께 돈다. 축이 돌면 막 밖으로 튀어나온 머리 부분의 세 촉매 자리가 차례로 모양을 바꾸며 ADP와 인산을 붙여 ATP를 만든다. 축이 한 바퀴 돌 때 ATP 3개가 생긴다.

정리 1.6.1 c 고리와 ATP 수율

c 고리의 소단위가 \(c\)개이면 ATP 하나에 H⁺ \(c/3\)개가 들고, ATP와 인산을 수송하는 데 H⁺ 하나가 더 든다. 그래서 NADH 하나가 만드는 ATP는 \(\dfrac{10}{c/3 + 1}\)개이다. 사람과 소의 미토콘드리아는 \(c = 8\)이라 약 2.7개, 효모는 \(c = 10\)이라 약 2.3개이다. 보통 NADH 하나에 2.5개, FADH₂ 하나에 1.5개로 어림한다.

그림 1에서 소단위 수를 바꾸어 보자. 소단위가 8개이면 ATP 하나에 H⁺ 약 2.7개, 수송까지 3.7개가 들어 NADH 하나가 ATP 2.7개를 만든다. 소단위가 15개인 세균은 ATP 하나에 H⁺ 6개가 들어 수율이 낮지만, 그만큼 약한 양성자 구동력으로도 ATP를 만들 수 있다. 예전에 쓰던 NADH당 ATP 3개는 이 회전 기계의 구조를 알기 전에 정수로 어림한 값이었다.¹

1.6.2회전을 보여 준 실험

ATP 합성 효소가 회전한다는 생각은 여러 실험으로 확인되었다. 1966년 야겐도르프는 엽록체를 pH 4의 산성 용액에 담갔다가 pH 8의 용액으로 옮기기만 해도, 빛 없이 ATP가 만들어지는 것을 보였다. H⁺ 농도 차만으로 ATP를 만들 수 있다는 화학 삼투의 증거였다. 1997년 노지와 요시다는 효소의 머리 부분을 유리판에 붙이고 축에 형광 막대를 달아, ATP를 넣자 막대가 120°씩 끊어 도는 것을 현미경으로 직접 보았다. 세 촉매 자리가 차례로 일한다는 예측과 맞았다.

그림 2. NADH 하나에 2.5개, FADH₂ 하나에 1.5개로 셈하면 포도당 하나에서 ATP 32개가 나온다.

1.6.3예제 풀이

예제 1.6.2

포도당 하나가 완전히 산화될 때 NADH 10개, FADH₂ 2개, 직접 만든 ATP(GTP 포함) 4개가 생긴다. NADH 하나에 2.5개, FADH₂ 하나에 1.5개로 셈할 때와, 예전처럼 3개와 2개로 셈할 때 ATP의 총수를 각각 구하여라. 해당 과정의 NADH를 미토콘드리아로 옮기는 데 손해가 있다면 어떻게 되는가?

요즘 셈법으로는 \(10 \times 2.5 + 2 \times 1.5 + 4 = 25 + 3 + 4 = 32\)개이다. 예전 셈법으로는 \(10 \times 3 + 2 \times 2 + 4 = 38\)개이다.

그런데 해당 과정의 NADH 2개는 세포질에 있어 미토콘드리아 안으로 직접 들어가지 못한다. 근육과 뇌에서 쓰는 운반 경로는 그 전자를 FADH₂ 수준으로 넘겨주므로, NADH 2개가 각각 1.5개만 만든다. 그러면 \(32 - 2 \times (2.5 - 1.5) = 30\)개이다. 즉 30, 32, 38의 차이는 생명 현상이 바뀐 것이 아니라 H⁺와 ATP의 비, 운반 경로를 얼마나 정확히 셈했느냐의 차이이다. 그래서 요즘 교과서는 '약 30~32개'라고 범위로 쓴다.

아래 탐구 카드에서 ATP 합성 효소의 회전을 보여 준 실험들을 정리하고, H⁺의 수로 ATP의 장부를 다시 셈해 보자.

ATP 합성 효소의 회전 기작을 밝힌 보이어와 워커는 1997년 노벨 화학상을 받았다. 사람은 하루에 자기 몸무게만큼의 ATP를 만들고 다시 쓰는데, 그 대부분을 이 효소가 만든다.

마무리

ATP 합성 효소는 H⁺가 지날 때마다 c 고리가 한 칸씩 도는 회전 기계로, 한 바퀴에 ATP 3개를 만들며 소단위 수가 ATP 하나에 드는 H⁺ 수를 정한다. NADH와 FADH₂가 퍼내는 H⁺ 수를 이 비로 나누면 ATP 수율이 나오고, 정수가 아니다. 그래서 처음 질문의 30, 32, 38은 H⁺와 ATP의 비와 운반 경로의 손해를 어떻게 셈했느냐의 차이이며, 요즘은 약 30~32개로 본다.

탐구 1

산소를 쓰는 일과 ATP를 만드는 일은 어떻게 이어져 있을까?

기질 수준 인산화와 산화적 인산화 · 화학 삼투 · 모식 모형

산소 공급 ATP 합성 효소 억제제 (올리고마이신) 짝풀림제 (DNP: H⁺가 막을 새어 지나게 함)

포도당 1분자당 ATP: —
기질 수준 인산화: —
산화적 인산화: —

막대는 억제제가 없을 때를 100으로 둔 상대값이다. 전자 전달(양성자 펌프)은 H⁺ 농도 차가 클수록 느려지고, ATP 합성과 누출은 농도 차에 비례한다고 둔 단순 모형이며, 포도당 1분자당 ATP는 기질 수준 4개(해당 과정 2 + TCA 회로 2)와 산화적 약 28개로 어림했다.

질문세포 호흡에서 ATP는 두 가지 방식으로 만들어진다. 해당 과정과 TCA 회로에서는 효소가 기질의 인산기를 ADP에 직접 옮기고, 전자 전달계에서는 산소가 있어야 ATP가 만들어진다. 산소가 전자를 받는 일과 ATP 합성은 어떻게 연결되어 있을까?
복원기질 수준 인산화는 인산기를 가진 유기물(기질)에서 효소가 인산기를 떼어 ADP에 붙이는 방식으로, 포도당 1분자당 해당 과정에서 2개, TCA 회로에서 2개로 모두 4개이다. 나머지 대부분은 산화적 인산화로, NADH와 FADH₂의 산화에서 나온 에너지로 만들어진다.
설명NADH가 내놓은 전자가 내막의 전자 전달계를 따라 에너지가 낮은 쪽으로 옮겨 가는 동안, 단백질 복합체들은 그 에너지로 H⁺를 기질에서 막 사이 공간으로 퍼 내고, 전자는 마지막에 산소에 전달되어 물이 된다. 막 사이 공간에 쌓인 H⁺는 내막을 그냥 지나지 못하고 ATP 합성 효소의 통로로만 기질로 되돌아오는데, 이 흐름이 효소를 돌려 ADP와 인산으로 ATP를 만든다. 이를 화학 삼투라고 한다.
연결전자 전달과 ATP 합성은 H⁺ 농도 차로 짝지어져 있어서 한쪽을 막으면 다른 쪽도 멈춘다. 반대로 H⁺가 새어 나가는 길을 만들면 전자 전달은 빨라지지만 에너지는 ATP 대신 열이 되며, 신생아와 겨울잠 자는 동물의 갈색 지방 세포는 이렇게 H⁺를 새게 하는 단백질로 열을 낸다.
적용세 가지 조건을 하나씩 바꿔 보며 ATP 합성 효소를 막았는데 왜 산소 소비까지 줄어드는지 생각해 보자. 그리고 짝풀림제를 넣으면 산소 소비와 ATP, 열이 각각 어떻게 되는지, 산소를 끊으면 포도당 1분자당 ATP가 몇 개 남는지 확인해 보자.
판단‘산소가 ATP를 만든다’는 말은 부정확하다. 산소는 전자 전달계 끝에서 전자를 받아 전자 흐름이 막히지 않게 할 뿐이고, ATP를 직접 만드는 것은 H⁺ 흐름으로 도는 ATP 합성 효소이다. 1930년대에 DNP가 살 빼는 약으로 팔렸다가 체온이 치명적으로 오르는 사고가 잇따라 금지되었는데, 음식의 에너지를 ATP 대신 열로 버리게 하기 때문이다.

확인조건이 달라지면

분리한 미토콘드리아에 산소와 피루브산을 넣고, ADP를 모두 다 쓸 때까지 두었다. ADP가 바닥나면 산소 소비 속도는 어떻게 될까?

탐구 2

H⁺가 지나가면 효소가 왜 돌고, 돌면 왜 ATP가 생길까?

산화적 인산화 · ATP 합성 효소의 회전과 결합 변화 · H⁺와 ATP의 장부

c 소단위 수 n = 8 막 전위 Δψ = 160 mV pH 차 ΔpH = 0.8

양성자 구동력 Δp: —
ATP 1개당 H⁺ (n/3): —
NADH / FADH₂ 1개당 ATP: —
효소의 회전: —

Δp = Δψ + 2.303RT/F × ΔpH = Δψ + 61.5 mV × ΔpH(37 °C)이고, H⁺ 1몰이 막을 건너며 내놓는 에너지는 F × Δp(Δp = 0.2 V이면 약 19 kJ)이다. 세포 속 조건에서 ATP 1몰을 만드는 데 드는 자유 에너지는 대략 45~55 kJ인데, 여기서는 50 kJ로 두었다. NADH와 FADH₂ 1개당 ATP는 전자 전달계가 H⁺를 각각 10개, 6개 퍼 내고, 미토콘드리아에서는 ADP와 인산을 기질로 들여오는 데 H⁺ 1개가 더 든다고 보고 계산했다. 미리 정한 상황의 Δψ, ΔpH는 대략값이며, 회전 속도는 모식이다.

질문미토콘드리아 내막의 전자 전달계는 H⁺를 막 사이 공간으로 퍼 내고, 이 H⁺가 ATP 합성 효소를 지나 기질로 돌아올 때 ATP가 만들어진다. 그런데 이온이 흘러가는 일과 ADP에 인산을 붙이는 화학 반응은 어떻게 이어질까? 사람 몸은 하루에 자기 몸무게쯤 되는 ATP를 만들고 쓴다.
복원H⁺를 막 너머로 미는 힘은 농도 차(ΔpH)와 전하 차(Δψ, 막 사이 공간 쪽이 +)가 합쳐진 양성자 구동력 Δp이다. 막은 H⁺를 그냥 통과시키지 않으므로, H⁺는 ATP 합성 효소의 통로로만 돌아올 수 있다(화학 삼투).
설명ATP 합성 효소는 막에 박힌 F_o와 기질 쪽으로 튀어나온 F₁로 되어 있다. H⁺는 a 소단위의 반쪽 통로로 들어와 c 고리의 소단위 하나에 붙고, 고리가 거의 한 바퀴 돈 뒤 다른 반쪽 통로로 빠져나간다. 그래서 H⁺가 하나 지날 때마다 고리는 360°/n씩 돈다. 고리에 붙은 비대칭 축 γ가 F₁의 α₃β₃ 고리 안에서 돌면서, 세 β 소단위의 모양을 차례로 바꾼다. 각 β는 ADP와 인산을 느슨하게 붙잡는 L, 단단히 붙잡아 ATP로 잇는 T, 열려서 ATP를 내놓는 O 상태를 돌아가며 거친다(결합 변화 기작). γ가 120° 돌 때마다 ATP 1개가 나오므로, 한 바퀴에 ATP 3개, H⁺ n개가 든다.
연결이 모형은 실험으로 하나씩 확인되었다. 1966년 야겐도르프는 엽록체를 어둠 속에서 pH 4 용액에 담갔다가 ADP와 인산이 든 pH 8 용액으로 옮기기만 해도 ATP가 생기는 것을 보였다. 전자 전달 없이 H⁺ 농도 차만으로 ATP가 만들어진 것이다. 1974년 래커와 스토케니우스는 빛을 받으면 H⁺를 퍼 내는 세균의 단백질과 소의 ATP 합성 효소를 인공 막 주머니에 함께 넣어, 빛만으로 ATP를 만들었다. 1997년 노지 연구진은 유리판에 고정한 F₁의 γ 축에 형광 막대를 붙이고, ATP를 분해할 때 막대가 한 방향으로 도는 모습을 현미경으로 직접 보았고, 이듬해에는 막대가 120°씩 끊어 돈다는 것도 확인했다. 같은 해 보이어와 워커가 이 효소의 구조와 기작으로 노벨 화학상을 받았다.
적용‘미토콘드리아’에서 Δψ를 낮춰 가며 효소가 멈추는 Δp를 찾자. n을 14로 바꾸면 그 문턱은 어떻게 달라지고, ATP 1개에 드는 H⁺는 몇 개가 되는가? ‘산–염기 실험’에서 Δψ 없이 ΔpH만으로 ATP가 만들어지는지 확인하고, ‘짝풀림제’를 고르면 효소가 어느 방향으로 도는지 보자.
판단NADH 1개당 ATP가 3개, FADH₂ 1개당 2개라는 옛 숫자는 정수로 맞춘 어림값이다. H⁺ 수와 c 고리 크기를 실제로 따지면 포유류(c₈ 고리)에서 약 2.7개와 1.6개이고(교과서에서는 흔히 2.5개와 1.5개로 어림), 생물마다 c 고리 크기가 8~17개로 달라 값이 다르다. 또 ATP 합성 효소는 거꾸로도 돈다. 양성자 구동력이 모자라면 ATP를 분해해 H⁺를 퍼 내는 펌프가 되는데, 산소가 없을 때 일부 세균은 이렇게 막 전위를 유지한다. 효소가 쓰는 에너지는 대부분 인산 결합을 만드는 데보다, 단단히 붙은 ATP를 떼어 내는 데 쓰인다.

확인조건이 달라지면

야겐도르프의 실험을 바꾸어, 엽록체를 어둠 속에서 pH 8 용액에 충분히 담갔다가 ADP와 인산이 든 pH 4 용액으로 옮겼다. 결과로 가장 알맞은 것은?