산화적 인산화와 광인산화반응

[Aphrodite]

(1) 산화적 인산화 반응

1) 정의
A. 전자가 전자전달 계에서 전달될 때 산화환원전위가 낮아진다.
B. 발생되는 자유에너지를 이용한다.
C. ATP에너지를 합성하는 과정을 말한다.
2) 특징
A.미토콘드리아 내막에 있는 전자전달 계에서 일어나는 반응이다.
B. NADH2나 FADH2에 결합되어 있던 수소가 전자 전달계에서 산화되는 반응이다.
C.호기적 생물의 주요한 ATP 공급반응 이다.
D. 유기물을 분자상 산소에 의해 산화 시켜 ATP를 생성시키는 반응이다.
E. 호흡반응의 마지막 단계이다.
3) 과정
A. 세포내의 산화환원 반응으로 전자들이 생성된다.
B. NAD+ 또는 FAD 수용체가 전자를 수용하여 NADH와 FADH2가 생성된다.
C. 전자전달물질에 수용된 전자는 전자전달 계로 전달된다.
D. 산소가 최종적으로 전자 수용체로 작용한다.
E. 전자와 반응한 산소는 환원된 후 물이 된다.
F. 전자의 이동으로 인해 다량의 자유에너지가 방출된다.
G.방출된 자유에너지 중 일부는 산화적 인산화 과정에서 ADP의 인산화를 촉진시킨다.
H. ADP의 인산화 촉진 반응으로 자유에너지는 ATP형태로 보존된다.

(2) 전자전달 계의 성분

1) 사이토크롬계(Cyt b, Cyt c, Cyt c1,Cyt aa3)
A.특징
a. 복합단백질류이다.
b. 거의 모든 세포 내에 a, b, c3형태로 존재한다.
c. 보인자로 Fe를 함유한다.
d. 진핵세포의 미토콘드리아 내에 존재한다.
e. 세균등에는 형질 막에 존재한다.
f. Cytochrome a와 a3는 cytochrome oxidase를 구성하는 요소이다.
g. Cytochrome a는 산소와 반응하지 않는다.
h. Cytochrome (a+a3) 는 cytochrome c가 존재하면 산소와 반응하는 환원성 물질이다.
B. 반응 예) 4cytochrome(a +a3)(Fe2+) +O2 +4H+ a4cytochrome(a +a3)(Fe3+) + 2H2O
2) NAD (nicotinamideadeninedinucleotide)
A. TCA회로에서 말산과 이소시트르산이 산화될 때 NAD+는 전자를 받아 NADH로 환원된다.
B. 피루브산이나 알파-케토글루타르산의 전자도 NAD+에 전달된다.
C.NADH는 전자전달반응의 최초의 전자전달 물질이다.
3) Fp (flavoprotein)
A. Fp는 FAD나 FMN과 강하게 결합하는 성질이 있다.
B. FAD나 FMN등은 NADH나 숙신산에서 전자 2개를 받아 환원된다.
C. FAD나 FMN은 비헴철단백질과 미토콘드리아 호흡효소 계에서 결합하고 있다.
D. FAD나 FMN은 호흡효소 계에서 전자를 1개씩 전달하는 역할을 한다.
4) NHI
A.비헴철단백질을 뜻한다.
B. 식물에서는 질소고정이나 광합성계의 역할을 하는 단백질과 비슷한 종류이다.
C. 전자의 이동에 따라 산화 환원된다.
D. 단백질 Cysteine에 황2분자가 결합하고 있으며 불안정한 황을 매개로 철 2분자와 결합하고 있는 구조이다.
E. 산화형에서 3가인 철은 환원되면 2가 철로 환원된다.
5) 유비퀴논계(CoQ)
A. 미토콘드리아에 존재한다.
B. 미토콘드리아 내에서 추출하는 것이 가능하다.
C. 존재하는 유비퀴논 측쇄의 길이는 세포종류에 따라 다르다.
D. 동물조직에 있는 것은 CoQ10이고 지용성의 성질을 가진다.
E. 이것이 제거되면 전자전달계가 저해된다.
F. CoQ10은 NADH dehydrogenase , succinate dehydrogenase, acyl-CoA dehydrogenase 등에서 전자를 받는다.
G. 전자를 받은 CoQ10가 환원되면 hydroquinone형으로 전환된다.

(3) 전자전달 과정

1) NADH가 수용한 전자쌍이 복합체 l(NADH : ubiquinone oxidoreductase)의 NADH dehtdrogenase의 보효소인 FMN에 전달된다.
A. FMN은 전자쌍을 받은 후 전자전달 계로 이동한다.
B. 숙신산의 산화로 전자쌍이 생성된다.
C.생성된 전자쌍들은 복합체 ll(succinate : ubiquinone oxidoreductase)의 succinate m dehydrogenase 의 보효소인 FAD를 환원시킨다.
D. 복합체 l과 ll는 전자들을 ubiquinone에 전달 시킨다.
E. Ubiquinone에 전자들이 전달됨으로써 환원형인 ubiquinol이 된다.
F. Ubiquinol에서 cytochrome C(Fe3+)으로 복합체 lll(ubiquinol : cytochrome C oxidoreductase)가 전자를 전달한다.
G. 마지막으로 복합체 ㅣV(cytochrome C: oxidoreductase) 가 cytochrome a와 a3에 의하여 cytochrome C(Fe2+)로부터 전자를 산소분자로 전달한다.

(4) 전자전달 계에서의 자유에너지 변화

1) NADH에서 산소로 전자가 이동됨에 따라 자유에너지는 감소한다.
2) 자유에너지 변화량은 -52.6Kcal/mol이다.
3) NADH에서 전달된 전자쌍들은 복합체 ㅣ, ll, lll , 과 반응한 후 3분자의 ATP를 생성한다.
4) FADH2는 복합체 lll , 과 l V 를 거쳐 2분자의 ATP를 생성한다.

(5) 전자전달 시 ATP가 합성되는 산화적인산화의 기구

1) 정확하게 밝혀진 장소는 아직 존재하지 않고 있다.
A.관련 학설
a. 화학적 연관설
b. 입체형태 연관설
c. 화학삼투 연관설
d. 화학적 연관설의 가설
e. 해당과정과 유사한 고 에너지 중간화합물이 전자전달 계에서도 생성될 것이다.
f. 이런 고에너지 화합물의 고에너지 인산기가 ADP로 전이되어 ATP가 생성될 것이다.
- 입체형태 연관설의 가설
ㄱ. 근수축시 미오신의 입체형태가 변화하는 것과 유사하게 전자전달 계에서도 에너지가 유리될 것이다.
ㄴ. 유리된 에너지에 의해 단백질의 형태가 고에너지화합물의 형태로 변화할 것이다.
ㄷ. 이때 단백질에 결합된 ADP와 Pi로부터 ATP가 형성될 것이다.
- 화학삼투 연관설의 가설
ㄱ. 전자전달 시 막 외부에서는 H+의 농도변화에 의한 농도 기울기에 의한 화학전위가 생길 것이다.
ㄴ. 그 결과 막 내부는 H+에 상응하는 음이온들로 인해 막내부는 음전하를 막 외부는 양전하를 갖게 됨으로 전기적전위가 생길 것이다.
ㄷ. 결과적으로 화학전위와 전기적 전위로 전기화학적전위 차가 형성 될 것이다.
ㄹ. 전기화학전위 차에 의해 에너지가 생성된다.
ㅁ. 생성된 에너지가 막에 존재하는 ATP synthetase에 의해 ADP와 Pi로부터 ATP를 합성 시킬 것이다.
ㅂ. 가장 유력한 학설로 인정 받고 있다.

(6) ATP synthetase

1) 특징
A. ATP합성을 촉매 한다.
B. 막부분과 촉매부분으로 구성된 복합체 구조이다.
C. 막부분은 친유성이며 H+을 이동시킨다.
D. 막부분은 친수성의 촉매부분과 연결되어 있다.
E. 촉매부분은 5개의 subunit로 구성되어 있다.
a. Subunit의 기능
- ADP, ATP와 결합한다.
- H+의 문 역할을 한다.
- 막부분과 결합한다.
- 효소조절 역할을 한다.
- ATP synthetase 복합체를 통해 2개의 H+이 통과해야만 ATP 1분자가 생성되는 것으로 추정되고 있다.

(7) 광인산화 반응

1) 정의 광합성의 명반응에서 전자가 전자 전달계를 거치는 동안 ATP가 생성되는 반응이다.
2) 특징
A.광합성반응의 명반응에 해당된다.
B. 광합성은 물로부터 전자를 얻고 태양에너지로부터 얻은 빛 에너지를 이용한다.
C. 빛에 의해 물이 광분해 되어 O2가 발생되고, ATP와 NADPH2가 생성되는 광화학 반응이다.
D. ATP에너지를 생성하는 반응이다.
E.엽록체의 그라나에서 일어나는 반응이다.
F. 틸라코이드막내에는 엽록소, 카로티노이드, 전자 수용체가 존재한다.
G. 틸라코이드막은 빛포획 장치와 전자전달 계 및 ATP합성효소 들이 존재한다.
H. 빛에너지를 화학에너지로 바꾸는 반응이다.
I. 명반응으로 광인산화가 일어나며 그 결과 ATP와 NADPH가 생성된다.
J. 명반응식
a. H2O + Light energy ---- 1/2O2 + 2H+ + 2e
b. 명반응은 광합성 중의 전자전달반응 이다.
c. ATP와 NADPH는 암반응으로 들어가 CO2를 만드는데 사용된다.
d. 틸라코이드 막내에 존재하는 특수한 광구조인 광계 l 과 광계 ll 가 관여한다.
e. 광계 l은 700nm의 파장을 흡수하는 특수한 엽록소 a인 P700이 존재한다.
f. 광계 ll는 680nm의 파장을 흡수하는 특수한 엽록소 a인 P680이 존재한다.
g. 광계의 구성요소
- 광수확안테나
ㄱ. 빛을 포획하는 역할을 하는 장치이다.
ㄴ. 엽록소 a , b , 카로티노이드로 구성되어 있다.
- 엽록소의 기능
ㄱ. 고에너지 전자인 빛에너지를 잡는 역할을 한다.
ㄴ. 잡은 전자를 인접된 막단백질 복합체인 반응중추에 전달시키는 역할을 한다.
- 반응중심
ㄱ. 에너지가 축적되는 장소이다.
ㄴ. 활성화된 전자를 주변으로 이동시키는 역할을 한다.
ㄷ. 이동시킨 전자들을 안정화 시킨다.
ㄹ. 그런 다음 전자를 잃은 엽록소는 양전하를 띤다.
h. ATP생성과정에 따라 순환적 반응과 비순환적 반응으로 나뉘어져 있다.

(8) 순환적 광인산화 반응

1) 광계 l만 작용한다.
2) ATP합성을 위한 화학삼투 기울기만 형성된다.
3) P700에서 방출된 고에너지 전자가 전자 전달계로 들어간다.
4) 페레독신, 플라스토퀴논, 시토크롬, 플라스토시아닌을 차례로 거친다.
5) 지니고 있던 고에너지ATP를 생성한다.
6) 다시 P700으로 전자가 되돌아 온다.
7) NADPH2를 생성하지 못한다.
8) P700의 전자의 에너지는 양성자를 펌프 시키는데 이용된다.
9) 단지 ATP 생성만을 돕는 작용이다.

(9) 순환적 광인산화 반응의 순환경로

1) 아직 정확히 알려져 있지 않다.
2) NADP+가 감소할 때 발생된다고 여겨지고 있다.
3) 암반응이 산화된 NADP+을 명반응으로 되돌려보낼 때까지 계속 양성자를 펌프 한다.
4) 화학삼투 기울기가 증가하여 ATP생성의 가능성을 생성하는 반응이다.

(10) 비순환적 광인산화

1) 광계 l과 광계 ll가 협동하여 작동한다.
2) 화학삼투 기울기를 형성한다.
3) NADP+을 NADPH2로 환원시킨다.
4) P680에 의해 광자를 흡수한다.
5) 에너지를 흡수해서 들 뜬 P680전자가 전자 전달계로 전달된다.
6) P680전자가 재충전 된다.
7) 루멘에 양성자가 증가된다.
8) 기체 산소가 방출되는 물이 산화된다.
9) P680전자의 자유에너지를 이용하여 스트로마의 양성자를 루멘으로 유입 시킨다.
10) P700에 의해 광자를 흡수한다.
11) P680전자가 P700 전자로 대체된다.
12) 들뜬 P700전자가 전자 전달계로 이동한다.
13) NADP+가 NADPH2로 환원된다.
14) P700전자의 에너지를 이용한다.
15) 요약
A.비순환적 광인산화 과정
a. 빛이 광계 ll의 광수확안테나에 흡수된다.
b. P680에서 방출된 고 에너지 전자가 전자전달 계로 들어간다.
c. 플라스토퀴논, 시토크롬, 플라스토시아닌을 차례로 거친다.
d. ATP를 생성한 후 전자는 P700으로 들어간다.
e. P700에서 고에너지 전자가 방출된다.
f. 방출된 고에너지 전자는 H+, NADP와 결합하여 NADPH2를 생성한다.
g. 처음에 전자를 방출하여 산화된 P680은 물이 광분해 될 때 생긴 전자를 받는다.
h. 전자를 받은 후 다시 환원된다.
i. 산소가 유리된다.
j. ATP와 NADPH2, O2가 비순환적 광인산화 반응의 총생성물이다.
16) 물과 P680의 환원반응
A.엽록소a에서 전자 하나가 방출된다.
B. 엽록소 분자는 전자를 잃어 반응성이 큰 산화상태가 된다.
C.루멘에 다량으로 존재하는 물에서 전자가 와서 엽록소의 유실된 전자를 채워준다.
D. 물 분자 하나가 완전분해 된다.
E. 두개의 전자와 두개의 양성자 그리고 하나의 산소분자가 그 결과 방출된다.
F. 산소 원자가 물에서 분해된 다른 산소 원자와 결합한다.
G. 호흡에 이용되는 산소가 발생된다.
H.물은 전자를 방출함과 동시에 하나의 양성자를 루멘으로 방출시킨다.
I.그 결과 양성자 기울기가 형성된다.
17) 전자에너지와 양성자 수송
A. p680중심에서 나온 들뜬 전자는 작고 운동성을 가진 플라스토퀴논으로 전달된다.
B. 전자를 받은 플라스토퀴논은 스트로마의 양성자를 포획하여 루멘으로 방출한다.
C.그런 다음 플라스토퀴논은 전자를 전자운반체인 시토크롬복합체에 넘겨준다.
D. 결과적으로 스트로마로 유입되는 양성자와 물의분해에 의해 생기는 양성자에 의해 양성자농도기울기가 형성된다.
E. 그런 다음 플라스토시아닌에 의해 자유에너지 상태인 P680전자가 광계 l로 이동된다.
a. 플라스토시아닌
- 막표면단백질이다.
- 루멘을 자유로이 움직일 수 있다.
- 산화된 P700을 환원시킬 수 있다.
18) 광계 l 에서 NADP+의 환원
A.엽록소가 산화된 상태에서 P700이 P680의 전자를 유입한다.
B. 광계 l의 역할은 들뜬 광계 l 전자를 이용한다.
C. NADP+을 NADPH2로 환원시킨다.
D. P700에서의 전자2개와 스트로마의 2개의 양성자가 이용된다.
E.비순환적 광인산화 과정의 마지막 단계이다.




..