ATP 생성효소(영어: ATP synthase)는 모든 세포 활동의 에너지원인 아데노신 삼인산을 생성하는 효소이다. ATP 합성효소라고도 한다. 이 효소는 미토콘드리아의 표면적이 넓은 내막에 위치를 하고 있다. 이 단백질은 세포 호흡의 하위 과정인 전자전달에 의해 생기는 수소 이온의 이동으로 인한 pH차이와 전압 차이를 이용하여 아데노신 이인산을 인산화하여 아데노신 삼인산을 생성한다. 이를 설명한 폴 D. 보이어와 존 E. 워커는 1997년에 노벨 화학상을 받았다.
발견
1960년대에 메사추세츠 종합병원에 근무하던 의학자 Humberto Fernandez-Moran이 음성염색을 이용해 세포의 미토콘드리아를 연구하던 도중 미토콘드리아의 내막에 둥그런 물질이 덕지덕지 붙어있는 것을 처음 발견했다. 몇년뒤에 미국 코넬대학교에서 Efraim Racker가 이 물질을 세포막으로부터 분리하는 데 성공하고 F1이란 이름을 붙였다. 화학적 특성을 분석해본 결과 이 F1이란 단백질은 아데노신 삼인산을 가수분해하는 효소라는 것이 밝혀졌다. 이후로 생물학자들이 아데노신 삼인산을 생성하는 기관인 미토콘드리아가 왜 그것을 소모하는 효소를 가지고 있는지에 관한 의문을 제기하였다.
이 질문에 대한 답은 비슷한 시기에 연구된 Na+/K+-ATPase에 관한 연구를 통해 밝혀졌다. 세포막에 붙어있는 이 효소는 생리학적인 조건에서 아데노신 삼인산 분자 하나를 소모하여 Na+이온 3개를 세포 밖으로 내보내는 동시에 K+이온 2개를 세포 안으로 들여온다. 연구자들이 인위적으로 세포 바깥의 Na+ 농도를 증가시키고 세포 안의 K+ 농도를 증가시켰더니 오히려 아데노신 삼인산이 만들어지는 것을 발견했다. 즉, 세포가 처한 조건에 의해서 주어진 효소가 촉매하는 반응의 방향이 바뀔 수 있다는 것이다. 이를 바탕으로 Efraim Racker는 전자전달의 의해 생기는 수소 이온의 농도 차이가 F1이 아데노신 삼인산을 생성하게 만든다는 오늘날의 이론을 정립하였다.
구조
X-ray 회절을 이용해서 분석한 결과 F1은 ATP 합성효소의 여러 가지 요소 중에 하나라는 것이 밝혀졌다. ATP 합성효소는 두 가지 요소로 이루어져 있다. 아데노신 삼인산을 합성하는 F1과 효소를 내막에 고정시키는 역할을 하는 F0 요소가 그것이다. F1 효소는 지름이 90 Å이다. F0과 F1은 내부적인 줄기(γ)와 외부적인 줄기(b)로 인해 서로 연결되어 있다.
F1
미토콘드리아에 있는 ATP 합성효소의 F1 요소는 α 폴리펩타이드 3개, β 폴리펩타이드 3개, δ 폴리펩타이드 하나, γ 폴리펩타이드 하나, 그리고 ε 폴리펩타이드 하나로 구성되어있다. 이 다섯가지 종류의 폴리펩타이드는 모두 핵 내에 있는 DNA에 의해 전사되고 세포질에서 번역이되어 미토콘드리아로 전송된다. α와 β 서브유닛은 번갈아가며 F1을 구성한다. 아데노신 삼인산을 생성하는 부분은 β 서브유닛에 포함되어있다.
Fo
내막에 묻힌 Fo 요소는 a 폴리펩타이드 하나, b 폴리펩타이드 2개, c 폴리펩타이드 10~14개로 구성이된다. c 폴리펩타이드 개수는 세포의 종류에 의해 바뀐다. 예를 들어 효모의 미토콘드리아에서 추출된 ATP 합성효소는 c 폴리펩타이드 10개를 가지지만 엽록체의 미토콘드리아의 ATP 합성효소는 14개를 가진다. Fo는 수소 이온이 내막을 통과할 수 있는 통로를 갖고 있다. 이는 내막을 화학적으로 조각냈을 때 둥근 수포가 형성되어 아데노신 삼인산을 계속 생성할 수 있지만 F1을 제거하는 즉시 아데노신 삼인산을 만들 수 없다는 점에서 알 수 있다.
F1의 기작
ATP 합성효소가 아데노신 삼인산을 만드는 기작은 1979년에 UCLA의 폴 D. 보이어 교수가 제안한 Binding Change Mechanism에 의해 설명된다. 정설로 받아들여지고 있는 이 기작은 다음 세가지로 설명된다.
- 1) 수소 이온의 농도 차이로 생기는 전기화학적 에너지는 아데노신 이인산을 직접적으로 인산화하는 데 쓰이지 않는다. 하지만 아데노신 삼인산이 ATP 합성효소 F1요소의 β 서브유닛에서 분리될 때 사용된다.
- 보통 세포 내에서 일어나는 거의 모든 반응은 55 M 농도의 물에서 이루어진다. 아데노신 이인산이 이런 환경에서 인산화되는 데 필요한 에너지는 표준 상태에서 7.3 kcal/mol이다. 반면에 ATP 합성효소 F1요소의 β 서브유닛에서 아데노신 이인산이 인산화되는 에너지는 거의 0에 가깝다. 이 때의 깁스 자유 에너지 변화는 0에 가깝기 때문이다. 이곳에선 아데노신 삼인산의 생성이 자발적으로 일어나므로 세포가 7.3 kcal/mol보다 훨씬 적은 에너지를 들여서 아데노신 삼인산을 생성할 수 있다. 앞서 논의된 수소 이온의 농도 차이로 인한 전기화학적 에너지는 이렇게 생성된 아데노신 삼인산을 ATP 합성효소 F1요소의 β 서브유닛에서 분리시키는 데 사용된다.
- 2) F1요소의 세가지 β 서브유닛은 각각 차례대로 L, T, O 중 하나의 형태를 띈다. 각각의 형태는 β 서브유닛의 기질과 생성물질에 대한 친화력을 변형시킨다.
- L, T, O 세가지 형태는 정적 ATP 합성효소를 분석한 결과 발견되었다. L 혹은 loose 형태를 띠는 β 서브유닛의 반응 부위에는 아데노신 이인산과 인산기가 약한 결합을 이룬다. T 혹은 tight 형태를 띠는 β 서브유닛의 반응 부위에는 아데노신 이인산과 인산기가 강한 결합을 이룬다. 즉, T 형태의 β 서브유닛은 아데노신 삼인산을 가진다. 마지막으로 O 혹은 open 형태를 띠는 β 서브유닛의 반응 부위가 아데노신 삼인산에 대한 친화력이 매우 약해서 완성된 아데노신 삼인산을 놓아준다. ATP 합성효소가 만들어내는 아데노신 삼인산이 모두 동일한 기작에 의해 생성된다고 추론한 Boyer는 각각의 β 서브유닛의 반응 부위가 L, T, O 형태를 잇따라 취하면서 아데노신 삼인산을 만든다고 결론내렸다.
- 3) 아데노신 삼인산은 ATP 합성효소의 일부분이 모터가 돌 듯이 회전하면서 생성이된다.
- F1 요소의 β 서브유닛의 반응 부위가 잇따라 L, T, O 형태를 취하며 아데노신 삼인산을 생성한다는 설을 뒷바침하기 위해 Boyer는 F1을 구성하는 α와 β 서브유닛이 γ 줄기를 기준으로 회전한다는 결론을 내렸다. 그는 이어서 수소 이온 농도 차이에 저장되어있는 전기적 에너지가 α와 β 서브유닛을 회전시키는 기계적인 에너지로 변환되며 결국엔 아데노신 삼인산에 저장되는 화학적 에너지가 된다고 결론을 내렸다.
F1 기작의 입증
1994년에 존 E. 워커와 의학연구이사회 동료들이 발표한 F1의 구조에 관한 논문이 Boyer의 Binding Change Mechanism을 뒷받침한다. 이 논문은 첫째로 Boyer가 제시한 대로 F1요소에 β 서브유닛의 반응 부위의 구조가 서로 다르다는 것을 밝혔다. 둘째로 회전축을 형성하는 γ 줄기가 F0로부터 F1으로 뻗으며 꼭대기가 β 서브유닛의 반응 부위에 연결되어있다는 것을 밝혔다. γ 줄기의 꼭대기는 비대칭적인데 β 서브유닛의 반응 부위가 어떤 면과 접촉하고 있는지에 따라서 L, T, O 형태를 띈다. 따라서 γ 줄기가 축을 기준으로 360도를 돌면서 한 β 서브유닛의 반응 부위가 차례대로 L, T, O형태를 띠는 것이다.
γ 줄기가 F1 요소를 기준으로 회전한다는 점은 1997년에 Masasuke Yoshida와 도쿄공업대학과 게이오 대학 연구진들이 밝혀냈다. 이들은 F1 요소를 ATP 합성효소로부터 분리시킨 후 유전공학 기술을 이용해 γ 줄기의 꼭대기에 형광처리가 된 가는근육잔섬유를 붙였다. 이렇게 처리된 F1을 유리판 위에 고정을 시킨 뒤에 아데노신 삼인산 용액을 첨가하고 현미경으로 보았더니 형광처리가 된 가는근육잔섬유가 프로펠러에 매달린 것처럼 도는 것을 발견했다. 또 비슷하게 처리된 F1 γ 줄기의 꼭대기에 자기 입자를 부착하여 아데노신 이인산과 인산기 용액을 첨가하고 자기장에 놓아 시계방향으로 돌게 했더니 아데노신 삼인산이 만들어졌다. 360도를 돌 때마다 아데노신 삼인산 분자가 3개씩 만들어졌다. 이런 일련의 실험을 통해 Binding Change Mechanism은 현재 정설로 받아들여진다.
참고 문헌
- Karp, Gerald. "Mitochondrial Structure and Function." Cell Biology. 6th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2010. 372-81. Print.
- Krogh, David. Biology: a Guide to the Natural World. 5th ed. San Francisco, CA: Pearson/Benjamin Cummings, 2009. 132-34. Print.
- Lackie, J. M., and S. E. Blackshaw. The Dictionary of Cell and Molecular Biology. Amsterdam: Academic, 2007. 39. Print.
- Losos, Jonathan B., Kenneth A. Mason, Susan R. Singer, Peter H. Raven, and George B. Johnson. Biology. 9th ed. Boston: McGraw-Hill Higher Education, 2008. 158-60. Print.
- Reece, Jane B. Campbell Biology. 7th ed. Boston [etc.: Pearson, 2011. 98. Print.