기질수준의 인산화보다 화학 삼투적 인산화를 통해 더 많은 ATP를 얻을 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 세포내에서 ATP를 합성할 때 기질 수준의 인산화 보다 화학 삼투적 인산화를 통해 더많은 ATP를 합성할 수 있는 원리는 무엇인지 궁금합니다.
안녕하세요.
네, 말씀해주신 것과 같이 세포 내에서 ATP를 합성할 수 있는 기작으로는 크게 기질 수준의 인산화와 화학 삼투적 인산화가 있는데요, 우선 기질수준의 인산화는 해당과정(glycolysis)이나 TCA 회로 일부 반응으로 일어나며 어떤 고에너지 기질(예: 1,3-비스포스포글리세르산, 포스포엔올피루브산)이 직접 ADP에 인산기를 붙여 ATP를 만듭니다. 이 과정은 효소 의존적이고, 한 분자당 ATP 생산량이 제한적인데요 따라서 기질수준 인산화만으로는 ATP 생산량이 매우 적습니다. 반면에 화학 삼투적 인산화는 전자전달계(ETC)를 통해 NADH, FADH₂의 전자를 산소로 전달하면서 막을 사이에 두고 H⁺ 농도 기울기(프로톤 기울기)를 형성하는데요, 이때 만들어진 전기화학적 퍼텐셜을 ATP 합성효소(ATP synthase)가 이용해서 대량의 ATP를 합성합니다. 즉 화학삼투적 인산화는 NADH/FADH₂가 가진 고에너지 전자를 전자전달계에 넘기고, 그 에너지로 수많은 H⁺를 막 건너 펌핑해서 큰 전기화학적 기울기를 만들고, 이 기울기를 이용하면 ATP 합성효소가 반복적으로 다량의 ATP를 만들 수 있는 것입니다. 감사합니다.
1명 평가안녕하세요. 이상현 전문가입니다.
기질수준의 인산화는 하나의 반응에서 직접 ATP를 1개에서2개만 생성하지만, 화학삼투적 인산화는 전자전달계가 만든 프로톤 기울기를 이용해서 다량의 ADP를 ATP로 전환가능합니다.
그래서 산화적인산화가 더 높은 효율로 많은 ATP를 생산할수있다는 장점이 있습니다.
감사합니다.
결론부터 말씀드리면 에너지 효율성의 차이 때문입니다.
즉, 화학 삼투적 인산화는 전자 전달계를 통해 방출되는 에너지를 효율적으로 활용하여 ATP를 대량으로 생산하기 때문입니다.
기질 수준의 인산화는 특정 효소가 기질 분자에 붙어 있는 고에너지 인산기를 직접 ADP로 전달하여 ATP를 생성하는 방식입니다. 이는 빠르지만 한정된 양의 ATP만 생산할 수 있는 것이죠.
반면 화학 삼투적 인산화는 전자 전달계와 ATP 합성효소를 이용하여 ATP를 대량으로 생산하는 방식입니다. 이는 에너지를 효율적으로 저장했다가 발전하는 것과 유사합니다.
다시 말해 화학 삼투적 인산화는 전자 전달계에서 전자의 연속적인 이동으로 막을 가로지르는 수소 이온의 거대한 농도 기울기를 형성하고, 이 기울기에 저장된 에너지를 ATP 합성효소를 통해 ATP 생산에 지속적으로 이용합니다. 반면, 기질 수준의 인산화는 한정된 특정 반응에서만 ATP를 생성하므로, 대량 생산에 매우 유리한 화학 삼투적 인산화보다 적은 양의 ATP를 만들 수밖에 없는 것입니다.
화학 삼투적 인산화는 기질 수준의 인산화와 달리 전자 전달계와 양성자 농도 기울기를 이용하기 때문에 훨씬 더 많은 양의 ATP를 생성합니다. 전자가 전자 전달계를 통과하면서 방출하는 에너지를 활용하여 미토콘드리아 내막을 경계로 양성자 농도 기울기를 형성하고, 이 기울기를 통해 양성자가 ATP 합성 효소를 지나면서 다량의 ATP가 합성됩니다. 반면, 기질 수준의 인산화는 특정 효소가 고에너지 인산기를 가진 기질에서 ADP로 인산기를 직접 전달하는 방식으로, 소량의 ATP만 생성됩니다. 이와 같이 ATP 생성 방식의 근본적인 차이 때문에 화학 삼투적 인산화가 훨씬 더 효율적인 ATP 생성 방법입니다.