본문내용
1. 산화 인산화
1.1. 왕복 통로
1.1.1. 말산아스파트르산 셔틀
말산아스파트르산 셔틀은 미토콘드리아 내부에서 NADH가 직접 복합체 I로 전달되지 못할 때, NADH의 전자를 복합체 III로 옮기는 역할을 한다.
간, 콩팥, 심장 등의 세포에서 주로 관찰되는 말산아스파트르산 셔틀은 미토콘드리아 내부의 NADH가 복합체 I로 직접 전달되지 못할 때 NADH의 전자를 복합체 III로 옮겨주는 역할을 한다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
세포질의 NADH는 미토콘드리아 막 사이공간으로 말산 탈수소효소에 의해 운반된다. 이때 세포질의 NADH는 말산으로 전환된다. 이 말산은 미토콘드리아 기질로 운반되어 아스파르테이트 아미노전이효소에 의해 옥살아세트산으로 전환된다. 옥살아세트산은 다시 말산으로 전환되어 복합체 I에 전자를 전달한다. 이런 과정을 통해 세포질의 NADH가 미토콘드리아 전자전달계로 전달될 수 있게 된다.
이러한 말산아스파트르산 셔틀은 미토콘드리아 내부에서 NADH가 직접 복합체 I로 전달되지 못할 때 중요한 역할을 하며, 간, 콩팥, 심장 등의 세포에서 주로 발견된다. 이를 통해 미토콘드리아에서 ATP 생산이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.
1.1.2. 3인산 글리세롤 셔틀
3인산 글리세롤 셔틀은 골격근과 뇌에서 주로 작용하는 세포질 내 NADH 재산화 메커니즘이다. 사립체 내부로 직접 NADH를 이동시킬 수 없기 때문에, 세포질에서 3인산 글리세롤에 수소를 전달하여 2인산 글리세롤로 전환시킨다. 이렇게 만들어진 2인산 글리세롤은 사립체 내부로 유입되어 복합체 I을 통해 전자전달계에 수소를 공급한다. 이 과정에서 NAD+가 NADH로 재산화되어 세포질 NADH 수준을 유지한다. 따라서 3인산 글리세롤 셔틀은 사립체 호흡에 필요한 NADH를 공급하는 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다.
1.2. 호흡 속도
1.2.1. 받개 제어
호흡의 받개 제어란 호흡 속도가 일반적으로 인산화의 기질인 ADP의 이용도에 의해 제한된다는 것을 의미한다"". 즉, ADP 이용도에 대한 산소 소비 속도의 의존성, 즉 호흡의 받개 제어가 현저하게 나타난다는 것이다"".
사립체에서 호흡의 속도는 엄격하게 조절되며, ADP 이용도에 의해 제한된다"". ADP는 인산화의 기질로서 사립체에서 산화인산화 과정을 진행하는 데 중요한 역할을 한다"". ADP가 많이 이용될수록 산소 소비가 증가하여 호흡 속도가 빨라지며, ADP가 적게 이용될수록 산소 소비가 감소하여 호흡 속도가 느려진다""
이처럼 호흡 속도를 엄격하게 조절하는 것은 세포의 에너지 요구량에 따라 효율적으로 ATP를 생산할 수 있게 하기 위함이다"". 만약 호흡 속도가 제어되지 않는다면 에너지 요구량에 비해 과도한 ATP가 생산되거나, 반대로 에너지 요구량에 비해 부족한 ATP가 생산될 수 있다""
따라서 ADP 이용도에 대한 산소 소비 속도의 의존성, 즉 호흡의 받개 제어 메커니즘은 세포의 에너지 대사를 정교하게 조절하는 데 매우 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다"".
1.2.2. 받개 제어율
받개 제어율은 ADP 유도 산소 소비 최대 속도 비율로, 사립체에서 호흡의 속도가 엄격하게 조절되는 것을 의미한다"" 호흡 속도는 일반적으로 인산화의 기질인 ADP의 이용도에 의해 제한되며, ADP 이용도에 대한 산소 소비 속도의 의존성, 즉 호흡의 받개 제어는 현저하게 나타난다"" 받개 제어율은 ADP에 의해 유도되는 최대 산소 소비 속도와 실제 속도의 비율을 나타내는데, 이는 호흡 속도가 사립체 내부에서 엄격하게 조절되고 있음을 보여준다""
1.3. 터모제닌과 UCP-1
터모제닌과 UCP-1은 사립체 내막에 존재하는 단백질로, 열 생성에 중요한 역할을 한다.
터모제닌은 낮은 pH 환경에서 작용하여 사립체 내막의 양성자 통로를 열어 줌으로써 양성자가 바탕질로 되돌아갈 수 있는 경로를 제공한다. 이를 통해 산화 인산화 과정에서 생성된 화학적 에너지가 전기화학적 에너지로 전환되는 것을 방해하여, 대신 열 형태로 방출된다. 즉, 터모제닌은 사립체 막간 공간의 양성자 농도차를 낮추어 ATP 합성을 억제하고 대신 에너지를 열로 방출하게 한다.
한편 UCP-1(uncoupling protein-1)은 갈색 지방 조직에 주로 발현되는 단백질로, 터모제닌과 유사한 기능을 수행한다. UCP-1은 사립체 막을 통한 양성자 누출을 촉진하여 산화 인산화의 비 결합(uncoupling)을 유도한다. 이를 통해 화학적 에너지가 열 에너지로 전환되어 체열 발생에 기여한다.
UCP-1은 교감 신경계와 갈색 지방의 활성화에 의해 발현이 증가한다. 한랭 자극이나 교감신경 활성화 등의 자극이 가해지면 UCP-1 발현이 증가하여 열 생산이 촉발된다. 이는 체온 유지를 위한 중요한 기전이 된다.
이처럼 터모제닌과 UCP-1은 에너지 대사 과정에서 발생한 화학적 에너지를 열 에너지로 전환하여 체열 발생에 기여하는 핵심적인 단백질들이다. 이들의 발현 및 기능 조절은 체온 조절, 에너지 소비, 그리고 비만 등 다양한 대사 과정에 관여한다.
1.4. 스테로이드 합성
사립체는 성호르몬, 미네랄 코르티코이드, 비타민 D의 스테로이드 호르몬을 생산하는 생합성 반응이 일어나는 곳이다. 이 물질들은 cytP450이라는 혼합기능 산화효소에 의해 일련의 수산화 과정을 통해 합성된다. 이 효소들은 450nm에서 흡광하는 heme을 포함하고 있다.
콜레스테롤은 스테로이드 합성의 중요한 전구체이다. 콜레스테롤 합성은 크게 4단계로 이루어진다. 첫째, 아세틸 CoA가 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA(HMG-CoA)로 축합되는 단계이다. 둘째, HMG-CoA가 메발로네이트로 환원되는 단계로, HMG-CoA reductase가 이 반응을 촉매한다. 이 효소는 콜레스테롤 합성을 조절하는 주요 조절 지점이 되며, 많은 콜레스테롤 저하제의 작용 타겟이 된다. 셋째, 메발로네이트가 스쿠알렌으로 전환되는 단계이다. 이때 스쿠알렌 1분자 합성에 18개의 ATP가 소모된다. 넷째, 스쿠알렌이 고리화되어 콜레스테롤이 형성되는 단계이다. 스쿠알렌 일산소화효소가 스쿠알렌에 산소를 첨가하여 이 반응을 촉진한다.
합성된 콜레스테롤은 유리 콜레스테롤 형태로 존재하거나, 지용성을 높이기 위해 콜레스테롤 에스테르 형태로 전환된다. 이 반응은 acyl-CoA-cholesterol acyl transferase(ACAT) 효소에 의해 촉매된다.
스테로이드 호르몬의 합성 과정에서 콜레스테롤이 중요한 중간체 역할을 한다. 콜레스테롤에서 side chain이 제거되어 프레그네놀론이 합성되고, 이후 일련의 수산화 반응을 거쳐 최종적으로 코르티솔, 테스토스테론, 프로게스테론 등의 스테로이드 호르몬이 합성된다. 이 과정에서 다시 한 번 cytP450 효소계가 관여한다.
이처럼 사립체는 스테로이드 호르몬 합성의 중심지로, 콜레스테롤을 전구체로 하여 다양한 스테로이드 화합물을 생산한다. 이러한 스테로이드 합성 과정은 세포 기능 조절, 생리적 항상성 유지, 질병 예방 등 다양한 생물학적 기능에 관여한다.
1.5. 케스페이즈와 세포사
케스페이즈는 세포사에 있어 매우 선택적인 단백분해 효소계이다. 케스페이즈9은 그 중 하나로, 세포의 자살 프로그램인 세포자살(apoptosis)에 결정적인 역할을 한다. 케스페이즈9은 자신의 효소 활성이 증가할 때 핵심적인 세포질 구조물과 핵막을 분해함으로써 세포 사멸을 유도한다.
케스페이즈는 세포 내에서 비활성화된 프로-케스페이즈 형태로 존재하다가 특정 자극에 의해 활성화 과정을 거치게 된다. 이 과정에서 미토콘드리아에서 방출되는 시토크롬 c가 중요한 역할을 한다. 시토크롬 c가 케스페이즈9을 활성화시켜 연쇄적으로 다른 케스페이즈들을 활성화시키게 되면서 세포사가 진행된다.
이러한 케스페이즈 활성화 경로는 정상적인 세포 발달과정에서 세포 제거 및 조직 발달에 관여하지만, 과도하게 활성화될 경우 신경퇴행성 질환이나 허혈성 심장 질환 등의 병리학적 상황에서 세포 사멸을 유발하게 된다. 따라서 케스페이즈 조절은 이러한 질환들의 치료 표적이 될 수 있다.
1.6. 유전성 근육병
유전성 근육병은 근육 조직에 유전적 결함이 있어 발생하는 질환이다. 이러한 유전성 근육병에는 크게 간대성 근경련 간질(MERRF)과 불균일적색근육섬유병(MELAS)이 있다.
간대성 근경련 간질(MERRF)은 사립체 유전자의 변이로 인한 질환이다. 이 중 주로 리신(Lys)을 전달하는 tRNA를 부호화하는 유전자의 변이로 인해 발생한다. 이로 인해 근육의 급격한 움직임에 대한 조절이 제대로 이루어지지 않게 된다. 또한 사립체의 기능 저하로 인해 세포 내 에너지 대사에도 문제가 생기게 된다.
불균일적색근육섬유병(MELAS)은 사립체 DNA의 다양한 유전자 변이로 인해 발생할 수 있다. 이는 결과적으로 사립체의 기능 저하를 초래하여 근육 세포의 에너지 대사에 문제를 일으키게 된다. 특히 뇌와 근육 조직에서 많은 장애가 관찰된다. 이로 인해 발작, 두통, 근육 쇠약 등의 증상이 나타나게 된다.
이처럼 유전성 근육병은 사립체 유전자의 변이로 인한 것이 대부분이다. 이로 인해 사립체의 기능 저하가 유발되고, 결과적으로 근육 세포의 에너지 대사에 문제가 생기게 된다. 이는 근육...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16