갈색 지방의 미토콘드리아가 다량의 열을 발생시킬 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 신생아에 많이 들어있는 갈색 지방의 미토콘드리아는 다른 일반적인 세포의 미토콘드리아는 달리 다량의 열을 발생시키는데요, 이는 세포 호흡에 어떠한 과정이 다르기 때문인지 궁금합니다.
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 갈색 지방의 미토콘드리아가 다량의 열을 발생시킬 수 있는 이유는 전자전달계와 산화적 인산화 과정의 연결이 특이적으로 조절되기 때문인데요, 일반적인 세포의 미토콘드리아에서는 전자전달계를 통해 생성된 양성자(H⁺) 기울기가 ATP 합성효소를 통해 흘러 들어오면서 ATP 합성에 이용됩니다. 이때 방출되는 에너지가 대부분 ATP 합성에 집중되므로 열 발생은 상대적으로 제한적입니다.
반면에 갈색 지방세포의 미토콘드리아에는 UCP라고 하는 짝풀림 단백질이 존재하는데요, 이 단백질은 미토콘드리아 내막에 위치하여 양성자들이 ATP 합성효소를 거치지 않고 직접 기질 쪽으로 새어 들어오도록 통로를 제공합니다. 즉, 전자전달계를 통해 생성된 양성자 기울기가 ATP 합성에 사용되지 않고, 그 에너지가 열로 방출되는 것입니다. 따라서 갈색 지방의 미토콘드리아는 전자전달계는 정상적으로 작동하지만 ATP 합성이 억제되고, 대신 그 에너지가 열 발생으로 전환되는 것이며 이 과정은 특히 신생아나 겨울잠을 자는 동물에서 체온 유지에 매우 중요한 역할을 한다고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.
결론부터 말씀드려 짝풀림 단백질 때문입니다.
신생아 갈색 지방의 미토콘드리아는 일반 세포와 달리 UCP1(짝풀림 단백질)을 가지고 있습니다.
일반 세포는 수소 이온 농도 구배를 이용해 ATP를 합성하지만, 갈색 지방은 이 짝풀림 단백질을 통해 수소 이온을 지름길로 이동시켜 ATP 대신 열을 발생시키는데, 이 과정은 ATP 합성을 열 발생과 분리하는 짝풀림 현상입니다. 이 덕분에 신생아는 몸을 떨지 않고도 체온을 유지할 수 있는 것입니다.
갈색 지방 세포의 미토콘드리아는 특수한 단백질인 탈공역 단백질(UCP1)을 가지고 있어 다량의 열을 발생시킬 수 있습니다. 일반적으로 미토콘드리아는 전자전달계의 양성자 기울기를 이용해 ATP를 생성하지만, UCP1은 이 양성자 기울기를 소멸시키며 열에너지로 방출하게 됩니다. 즉, ATP 합성을 위한 에너지가 열로 전환되는 비효율적인 경로를 사용하기 때문에 열을 많이 내는 것입니다.