ATP 생성효소
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1. 개요
ATP 생성효소는 ATP를 합성하는 효소로, 역사적으로 산화적 인산화 및 화학 삼투압 가설 연구와 밀접하게 연관되어 있다. 1960년대에 미토콘드리아 내막에서 둥근 물질(F1)이 발견되고, F1이 ATP를 가수분해하는 효소임이 밝혀지면서 ATP 생성에 대한 연구가 시작되었다. 화학 삼투압 가설과 회전 촉매 가설을 통해 ATP 생성효소의 작동 원리가 밝혀졌으며, 1997년에는 F1 부위 회전을 직접 관찰하여 회전 촉매 가설이 증명되었다. ATP 생성효소는 F1과 F0 두 부분으로 구성되며, F1은 ATP 합성을 담당하고 F0는 수소 이온 통로 역할을 한다. 결합 변화 기작을 통해 ATP 생성효소의 작동 원리가 설명되며, 다양한 생물에서 산화적 인산화 과정을 통해 ATP를 합성하는 주요 효소로 작용한다. ATP 생성효소는 F형, P형, V형, A형으로 분류되며, F형은 거의 모든 생물이 ATP 합성에 사용한다. ATP 생성효소는 진화적으로 두 개의 독립적인 서브유닛이 결합하여 새로운 기능을 얻는 방식으로 이루어진 것으로 생각되며, F0 부위의 상세 구조 분석과 반응 중간체 규명 등은 향후 과제로 남아있다.
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| ATP 생성효소 | |
|---|---|
| 개요 | |
| EC 번호 | 7.1.2.2 |
| CAS 등록번호 | 9000-83-3 |
| GO 코드 | 0046961 |
 | |
| 상세 정보 | |
| 역할 | ATP 합성 |
| 촉매 반응 | ADP + Pi ⇌ ATP |
| 보조 인자 | 마그네슘 |
| 관련 질병 | 미토콘드리아 질환 선천성 대사 이상 |
| 반응 | |
| 반응식 | ADP + Pi + H⁺out ⇌ ATP + H₂O + H⁺in |
| 기타 정보 | |
| 다른 이름 | F-ATP아제 ATP아제 F1Fo ATP아제 막 ATP 합성 효소 프로톤 수송 ATP아제 |
| 유전자 | ATP5F1A ATP5F1B ATP5F1C |
2. 역사
ATP 생성효소 연구는 20세기 중반부터 본격적으로 시작되었다. 1951년 앨버트 레닌저는 호흡 사슬 복합체의 전자 전달과 ATP 합성이 서로 연관되어 있다는 "산화적 인산화"를 제창했다. 1961년 피터 미첼은 수소 이온의 전기화학적 기울기가 ATP 합성에 관여한다는 "화학 삼투압 가설"을 제창했다. 1963년 모데이 아브론은 엽록체의 틸라코이드 막에서 구형 돌기를 발견하고, 이것이 ATP 합성과 관련된 효소라고 추정했다. 1966년 앙드레 T. 야겐도르프는 엽록체에서 pH 변화를 이용한 ATP 합성 모델을 제시했다. 1975년 에프라임 라커와 발터 슈테케니우스는 지질 이중층을 이용한 실험을 통해 ATP 합성이 전기화학적 포텐셜에 의해 이루어진다는 것을 밝혔다. 1978년 화학 삼투압 설을 주장한 미첼이 노벨 화학상을 수상했다.
1981년 폴 보이어는 ATP 생성효소의 "회전 촉매 가설"을 제창했다. 1994년 존 워커는 소 ATP 생성효소의 F1 서브 유닛의 X선 결정 구조를 밝혔다. 1997년 보이어, 워커 등이 ATP 생성효소의 반응 소과정을 규명한 것으로 노벨 화학상을 수상했다. 같은 해 네이처에 실린 노지 히로유키, 요시다 겐스케 등의 연구는 F1 부분의 회전을 직접 관찰하여 회전 촉매 가설을 실험적으로 증명했다.
2. 1. 발견
1960년대에 메사추세츠 종합병원의 의학자 험베르토 페르난데스-모란은 음성염색을 이용해 세포의 미토콘드리아를 연구하던 중 미토콘드리아 내막에 둥그런 물질이 붙어있는 것을 처음 발견했다. 몇 년 뒤 코넬 대학교의 에프라임 래커(Efraim Racker)가 이 물질을 세포막에서 분리하여 F1이라 명명했다. F1은 아데노신 삼인산을 가수분해하는 효소라는 것이 밝혀졌다.비슷한 시기에 연구된 Na+/K+-ATPase에 관한 연구를 통해, 세포 조건에 따라 효소가 촉매하는 반응의 방향이 바뀔 수 있다는 것이 밝혀졌다. 래커는 이를 바탕으로 전자전달에 의해 생기는 수소 이온 농도 차이가 F1의 ATP 합성을 유도한다는 이론을 정립하였다.
2. 2. 화학삼투설과 회전 촉매 가설
1961년, 피터 미첼은 수소 이온의 전기화학적 기울기가 ATP 합성에 관여한다는 "화학 삼투압 가설"을 제창했다.[12] 1975년, 에프라임 래커와 발터 슈테케니우스는 인공 지질막을 이용한 실험을 통해 화학삼투설을 실험적으로 증명했다.[12]1981년, 폴 보이어는 ATP 합성효소의 "회전 촉매 가설"을 제창했다.[12] 1994년, 존 워커는 F1 부분의 X선 결정 구조를 밝혀 회전 촉매 가설을 뒷받침했다.[12] 1997년, 노지 히로유키, 요시다 겐스케 등은 F1 부분의 회전을 직접 관찰하여 회전 촉매 가설을 실험적으로 증명했다.[12]
2. 3. 노벨상 수상
1978년 화학 삼투압 가설을 제창한 피터 미첼이 노벨 화학상을 수상했다.[1] 1997년에는 폴 보이어, 존 워커가 ATP 생성효소의 반응 소과정을 규명한 공로로 노벨 화학상을 공동 수상했다.[1]3. 구조
ATP 생성효소는 크게 F1과 FO 두 부분으로 구성된다. F1은 미토콘드리아 기질(세포질) 쪽에 위치하며, 아데노신 삼인산(ATP) 합성을 담당한다. FO는 막 관통 단백질로, 수소 이온 통로 역할을 한다.[3][4] F1 부분은 "Fraction 1"에서, FO(알파벳 "o")는 올리고마이신 결합 부위에서 이름이 유래했다. 올리고마이신은 ATP 생성효소의 FO 부분을 억제한다.[3][4]
FO와 F1은 내부적인 줄기(γ)와 외부적인 줄기(b)로 연결되어 있다.[7] 이 효소는 유산소 호흡을 통해 ATP를 합성한다. ATP 합성 효소는 '''ATP 아제 활성'''도 가지고 있다.[37]
F형 ATP 아제는 거의 모든 생물이 사용하는 대표적인 ATP 합성 효소이며, 알파프로테오박테리아의 ATP 아제가 그 기원이다. 현재 구조가 잘 알려진 것은 F형 ATP 아제뿐이다. F형 ATP 아제는 FO와 F1 두 부위로 구성된다.
- F1 부위: α(3개), β(3개), γ(1개), δ(1개), ε(1개)
- FO 부위: a(1개), b(2개), c(9–12개, 불확정)
F1 부위는 ADP와 인산으로부터 ATP를 합성하거나 반대로 ATP를 분해할 수 있다. FO 부위는 수소 이온을 투과시키는 기능을 한다.
3. 1. F1
F1은 α, β, γ, δ, ε의 5가지 소단위체로 구성된다.[35] α와 β 소단위체는 번갈아 배치되어 6량체를 이루며, β 소단위체에 ATP 합성/가수분해 활성 부위가 있다.[8] γ 소단위체는 F1의 중심축을 이루며 회전한다.| 소단위체 | 인간 유전자 | 비고 |
|---|---|---|
| 알파 | ATP5A1, ATPAF2 | |
| 베타 | ATP5B, ATPAF1 | |
| 감마 | ATP5C1 | |
| 델타 | ATP5D | 미토콘드리아 "델타"는 세균/엽록체 엡실론이다. |
| 엡실론 | ATP5E | 미토콘드리아에만 존재. |
| OSCP | ATP5O | 세균 및 엽록체 버전에서 "델타"라고 불린다. |
α와 β 소단위체는 6개의 결합 부위로 6량체를 이룬다. 이 중 3개는 촉매 활성이 없으며 ADP에 결합한다. 다른 3개의 소단위체는 ATP 합성을 촉매한다. γ, δ, ε 소단위체는 회전 모터 메커니즘(로터/축)의 일부이다. γ 소단위체는 β 소단위체가 ATP가 결합되고 합성된 후 방출될 수 있도록 입체적 변화(예: 닫힌 상태, 반 열린 상태, 열린 상태)를 겪도록 한다.[8]
F1 부분은 친수성이며 ATP를 가수 분해하는 역할을 한다. F1 유닛은 미토콘드리아 기질 공간으로 돌출되어 있다. F1 입자는 크며 음성 염색을 통해 투과 전자 현미경으로 볼 수 있다.[8] 이들은 내 미토콘드리아 막에 점점이 박혀 있는 직경 9 nm의 입자이다.
F1 부위는 ε 소단위체를 기부로 γ 소단위체가 줄기 모양으로 결합하고, 그 주위를 α 및 β 소단위체가 둘러싸는 형태로 교대로 배치되어 있다(γ 소단위체를 줄기로 하면 α, β는 잎 부분). δ 소단위체는 α, β 소단위체의 꼭대기에 위치하고 있으며, F1 부위의 안정화에 기여하는 것으로 생각된다. F1 부위는 활성을 유지한 채 계면활성제로 가용화하는 것이 가능하며, 실험을 하기 쉽다. 1994년에 Walker 등에 의해 F1 부위의 입체 구조가 밝혀졌으며, 그 반응 기구도 밝혀졌다.
F1 부위는 ATP의 반응에 기여하며, 이는 다음 식으로 나타낸다.
: ATP
F1 부위에서는 ATP의 합성 및 소비를 양방향으로 촉매할 수 있다.
3. 2. Fo
FO 요소는 미토콘드리아 내막에 묻혀있으며 a 폴리펩타이드 1개, b 폴리펩타이드 2개, c 폴리펩타이드 10~14개로 구성된다.[3] c 폴리펩타이드의 수는 세포의 종류에 따라 달라진다. 예를 들어 효모의 미토콘드리아에서 추출된 ATP 합성효소는 c 폴리펩타이드 10개를 가지지만, 엽록체의 미토콘드리아에서 추출된 ATP 합성효소는 14개를 갖는다.[3] FO는 수소 이온이 내막을 통과할 수 있는 통로를 가지고 있다.[3]
틸라코이드 막과 미토콘드리아 내막에 위치한 ATP 생성효소는 FO와 F1의 두 영역으로 구성된다. FO는 F1의 회전을 유발하며 c-링과 a 서브유닛, 두 개의 b, F6로 구성된다.[7]
FO는 8개의 소단위체와 막횡단 링을 가진 물에 불용성인 단백질이다. 링은 사량체 형태이며, 양성자화 및 탈양성자화될 때 나선-고리-나선 단백질이 형태 변화를 거치며, 이로 인해 인접 소단위체를 밀어내 회전하게 하여 FO가 회전하게 하고, 이는 다시 F1의 형태에 영향을 미쳐 알파와 베타 소단위체의 상태를 전환시킨다. ATP 생성효소의 FO 영역은 미토콘드리아 막에 내장된 양성자 통로이다. 이는 a, b, c의 세 가지 주요 소단위체로 구성된다. 6개의 c 소단위체가 회전자 링을 이루고, b 소단위체는 F1 OSCP에 연결되어 αβ 육합체가 회전하는 것을 막는 줄기를 형성한다. a 소단위체는 b를 c 링에 연결한다.[24] 인간은 d, e, f, g, F6, 8 (또는 A6L)의 6개의 추가 소단위체를 가지고 있다. 효소의 이 부분은 미토콘드리아 내막에 위치하며, 양성자 이동을 F1 영역에서 ATP 합성을 유발하는 회전에 연결한다.
진핵생물에서 미토콘드리아 FO는 막을 구부리는 이량체를 형성한다. 이 이량체는 크리스타 끝에서 긴 열로 자체 정렬되어 크리스타 형성의 첫 번째 단계일 수 있다.[10]
| 소단위체 | 인간 유전자 |
|---|---|
| a | MT-ATP6 |
| b | ATP5PB |
| c | ATP5G1, ATP5G2, ATP5G3 |
Fo 부위는 막 관통형이며, c 서브 유닛이 링 형태로 배치되고, a 서브 유닛이 그 옆에 결합하여, b 서브 유닛의 기부가 된다. b 서브 유닛은 F1 부위의 δ 서브 유닛과 결합하여 F1 부위의 안정에 기여한다고 생각된다. Fo 부위는 막 관통형이기 때문에 활성형을 얻기 어렵고, 가용화해도 원래의 정상을 유지하지 못하는 경우가 많다. 아직 입체 구조 및 서브 유닛 구성은 불확정이다.[24]
Fo 부위는 프로톤을 투과시키는 기능이 있으며, 다음 식으로 나타낸다.
:
4. F1의 작동 기작 (Binding Change Mechanism)
폴 D. 보이어가 1979년에 제안한 결합 변화 기작(Binding Change Mechanism)은 ATP 생성효소의 작동 원리를 설명하는 가장 널리 받아들여지는 모델이다. 이 기작은 다음과 같이 세 가지로 설명된다.
1) 수소 이온 농도 차이로 생기는 전기화학적 에너지는 ADP를 직접 인산화하는 데 쓰이지 않고, ATP가 ATP 합성효소 F1요소의 β 소단위체에서 분리될 때 사용된다.
::일반적인 세포 내 반응은 55M 농도의 물에서 이루어지며, ADP가 인산화되는 데 필요한 에너지는 표준 상태에서 7.3 kcal/mol이다. 반면, ATP 합성효소 F1요소의 β 소단위체에서 ADP가 인산화되는 데는 거의 에너지가 필요하지 않다. (깁스 자유 에너지 변화가 0에 가깝다) 따라서 세포는 적은 에너지로 ATP를 생성할 수 있다. 수소 이온 농도 차이로 인한 전기화학적 에너지는 생성된 ATP를 F1요소의 β 소단위체에서 분리시킨다.
2) F1요소의 세 가지 β 소단위체는 각각 차례대로 L, T, O 중 하나의 형태를 띤다. 각 형태는 β 소단위체의 기질과 생성물질에 대한 친화력을 변화시킨다.
::L(loose) 형태는 ADP와 인산기가 약하게 결합하고, T(tight) 형태는 ADP와 인산기가 강하게 결합하여 ATP를 가진다. O(open) 형태는 ATP에 대한 친화력이 매우 약해 ATP를 방출한다. 보이어는 각 β 소단위체의 반응 부위가 L, T, O 형태를 잇따라 취하면서 ATP를 만든다고 보았다.
3) ATP는 ATP 합성효소의 일부분이 모터처럼 회전하면서 생성된다.
::보이어는 F1을 구성하는 α와 β 소단위체가 γ 소단위체를 기준으로 회전한다고 보았다. 그는 수소 이온 농도 차이에 저장된 전기적 에너지가 α와 β 소단위체를 회전시키는 기계적 에너지로 변환되며, 결국 ATP에 저장되는 화학적 에너지가 된다고 생각했다.
F1 부위는 ATP 반응에 관여한다.
: ATP
ATP 생성 기본 과정은 다음과 같다.
# 빈 β 소단위체는 "열린" 구조이다.
# 첫 번째 양성자가 Fo 부위를 통과한다(out→in).
# Fo 부위는 세포 내부에서 볼 때 120° 왼쪽으로 회전한다.
# Fo 부위에 결합된 F1 부위도 120° 왼쪽으로 회전한다.
# ADP가 β 소단위체에 들어가 "닫힌" 구조로 변한다.
# 두 번째 양성자가 Fo 부위를 통과하고 다시 왼쪽으로 120° 회전한다.
# F1 부위에서 β 소단위체에 들어간 ADP에 인산화 반응이 일어난다.
# 세 번째 양성자가 Fo 부위를 통과하고 다시 왼쪽으로 120° 회전한다.
# β 소단위체는 "열린" 구조를 취하고 ATP를 방출하여 빈 형태로 돌아간다.
단분자 관찰 실험에서 120° 회전이 확인되었고, 저농도(20 nmol/L) ATP 존재 하에서 액틴 필라멘트가 120°마다 회전했다. ADP가 걸려 ATP 합성 효소가 멈추거나, "잘못하여 역회전하는" 현상도 관찰되었다.
4. 1. F1 기작의 입증
1994년 존 E. 워커와 의학연구이사회 동료들이 발표한 F1 구조에 관한 논문은 폴 D. 보이어의 Binding Change Mechanism을 뒷받침한다. 이 논문은 F1요소에 β 소단위체의 반응 부위 구조가 서로 다르다는 것과, 회전축을 형성하는 γ 줄기가 F0로부터 F1으로 뻗어 β 소단위체의 반응 부위에 연결되어 있다는 것을 밝혔다.[3] γ 줄기의 꼭대기는 비대칭적인데 β 소단위체의 반응 부위가 어떤 면과 접촉하고 있는지에 따라 L, T, O 형태를 띤다. 따라서 γ 줄기가 축을 기준으로 360도를 돌면서 한 β 소단위체의 반응 부위가 차례대로 L, T, O 형태를 띠게 된다.[3]γ 줄기가 F1 요소를 기준으로 회전한다는 점은 1997년에 요시다 겐스케와 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.[3] F1 γ 줄기의 꼭대기에 자기 입자를 부착하여 아데노신 이인산과 인산기 용액을 첨가하고 자기장에 놓아 시계방향으로 돌게 했더니 아데노신 삼인산이 만들어졌고, 360도를 돌 때마다 아데노신 삼인산 분자가 3개씩 만들어졌다.[3]
5. ATP 합성 단계 모델
F1 부위는 ATP의 반응에 기여하며, 이는 다음 식으로 나타낸다.[1]
: ATP
F1 부위에서는 ATP의 합성 및 소비를 양방향으로 촉매할 수 있다.[1]
한편, Fo 부위는 프로톤을 투과시키는 기능이 있으며, 다음 식으로 나타낸다.[1]
:
프로톤 전기화학적 포텐셜을 이용한 ATP 합성 반응은 다음 수지식으로 나타낸다.[1]
:
프로톤이 3분자 통과할 때마다 1분자의 ATP 합성이 일어난다. 이 반응은 역반응도 가능하며, ATP 분해 에너지(아데노신 삼인산 항목 참조)를 사용하여 H+를 막 밖으로 능동 수송하는 것도 가능하다.[1]
ATP 생성의 기본 과정에 대해서는 다음과 같은 모델이 제시되어 있다.[1]
# 빈 β 서브유닛은 "열린" 구조를 취하고 있다.
# 첫 번째 양성자가 Fo 부위를 통과한다(out→in).
# Fo 부위는 세포 내부에서 볼 때 120° 왼쪽으로 회전한다.
# 이에 따라 Fo 부위에 결합된 F1 부위도 120° 왼쪽으로 회전한다.
# 이때 ADP가 β 서브유닛에 들어가 "닫힌" 구조로 변화한다.
# 두 번째 양성자가 Fo 부위를 통과하고 다시 왼쪽으로 120° 회전한다.
# 회전한 F1 부위에서 β 서브유닛에 들어간 ADP에 인산화 반응이 일어난다.
# 세 번째 양성자가 Fo 부위를 통과하고 다시 왼쪽으로 120° 회전한다.
# β 서브유닛은 "열린" 구조를 취하고 ATP를 방출하여 빈 형태로 돌아간다. 1번으로 돌아간다.
이처럼 3개의 양성자가 Fo 부위를 out→in 통과할 때마다 F1 부위가 ADP의 인산화를 수행한다. 현재 F1 부위의 회전은 직접 관찰되어 확실성이 있지만, Fo 부위의 회전은 아직 확인되지 않았다. 그러나 c 서브유닛의 입체 구조로부터 회전자로 제안되고 있으며, 아마 회전하고 있을 것으로 생각된다. 또한, 역반응에 대해서는 F1 부위의 오른쪽 회전(세포 내부에서 볼 때)이 Fo 부위에 전달되어 ATP 합성 효소 전체가 오른쪽으로 회전하는 구조로 생각된다.[1]
120° 회전을 하는 것은 단분자 관찰 실험에서도 확인되었으며, 저농도(20 nmol/L)의 ATP 존재 하에서 액틴 필라멘트가 120°마다 회전하는 모습이 관찰되었다. 또한, ADP가 걸려서 ATP 합성 효소가 움직이지 않거나, ATP 합성 효소가 "잘못하여 역회전하는" 현상도 관찰되었다.[1]
6. 생리적 역할
ATP 생성효소는 대부분의 생물에서 산화적 인산화(또는 광인산화) 과정을 통해 ATP를 합성하는 주요 효소이다. 미토콘드리아(진핵생물) 또는 세포막(원핵생물)에 위치하며, 전자전달계(또는 광합성 반응)에 의해 형성된 수소 이온 기울기를 이용하여 ATP를 합성한다.[37]
세균에서 ATP 생성효소는 일반적으로 전자 전달 사슬에 의해 생성된 양성자 구동력을 에너지원으로 사용하여 ATP를 생성한다. 이러한 방식으로 에너지를 생성하는 전체 과정을 산화적 인산화라고 한다. 동일한 과정이 미토콘드리아에서 일어나는데, 여기서 ATP 생성효소는 내막에 위치하고 F1 부분은 미토콘드리아 기질로 돌출된다. ATP 합성효소는 양성자 양이온을 기질로 펌핑하여 ADP를 ATP로 변환한다.[37]
일부 혐기성 세균에서는 충분한 양의 ATP가 양성자 전위 기울기를 생성하게 하는데, 이는 전자 전달 사슬이 없는 발효 박테리아가 ATP를 가수분해하여 양성자 기울기를 만들고, 이를 사용하여 편모와 세포 내 영양 수송을 구동하는 데 사용된다.[37]
일부 효소가 정반응과 역반응 모두를 촉매할 수 있는 것처럼, ATP 합성 효소는 '''ATP 아제 활성'''도 가지고 있다.[37]
ATP 아제 중 이온 수송성 ATP 아제 군이 ATP 합성 효소를 포함하고 있으며 다음과 같이 분류된다.
| 종류 | 기능 | 설명 |
|---|---|---|
| F형 ATP 아제 | 대부분의 생물이 ATP 합성에 사용 | 알파프로테오박테리아의 ATP 아제가 그 기원 |
| P형 ATP 아제 | 이온의 능동 수송에 사용되는, ATP 소비형 | |
| V형 ATP 아제 | 액포(vacuole)에 존재하는, 능동 수송에 사용되는 | 고세균의 A형 ATP 아제가 기원 |
| A형 ATP 아제 | 고세균이 사용하는 ATP 합성 효소 | 진핵 세포 내에서 V형 ATP 아제로 변화 |
모든 이온 수송성 ATP 아제는 전기화학적 포텐셜을 사용하여 ATP를 합성할 수 있다. 단, 생물이 ATP 합성에 평소에 사용하는 것은 F형 및 A형이다.
ATP 생성효소는 진핵생물은 미토콘드리아 내막, 원핵생물은 세포막에 각각 위치한다. 호흡 사슬 복합체의 근방에 위치한다고 생각된다.
F1 부위는 ATP의 반응에 기여하며, ATP
Fo 부위는 프로톤을 투과시키는 기능이 있으며,
7. 진화
ATP 생성효소의 진화는 기능적으로 독립적인 두 개의 서브유닛이 결합하여 새로운 기능을 얻는 방식으로 이루어진 것으로 생각된다.[14][15] 이러한 결합은 진화 초기에 일어난 것으로 보이는데, 그 이유는 ATP 생성효소의 본질적으로 동일한 구조와 활성이 모든 생명체 영역에서 나타나기 때문이다.[14] F-ATP 생성효소는 V-ATPase와 기능적, 기계적 유사성이 높다.[16] 그러나 F-ATP 생성효소는 양성자 기울기를 이용하여 ATP를 생성하는 반면, V-ATPase는 ATP를 소모하여 양성자 기울기를 생성하며, pH 값을 1까지 낮춘다.[17]
F1 영역은 육량체 DNA 헬리케이스 (특히 Rho 인자)와 상당한 유사성을 보이며, 전체 효소 영역은 구동 T3SS 또는 편모 모터 복합체와 약간의 유사성을 보인다.[16][18][19] F1 영역의 α3β3 육량체는 육량체 DNA 헬리케이스와 구조적 유사성이 상당하다. 둘 다 중심 기공이 있는 3배 회전 대칭을 갖는 고리를 형성한다. 둘 다 기공 내에서 거대 분자의 상대적 회전에 의존하는 역할을 한다. DNA 헬리케이스는 DNA 분자를 따라 이동하고 초나선형을 감지하기 위해 DNA의 나선형 모양을 사용하는 반면, α3β3 육량체는 γ 서브유닛의 회전을 통한 형태 변화를 사용하여 효소 반응을 유도한다.[20]
FO 입자의 모터는 편모를 구동하는 모터와 기능적으로 매우 유사하다.[16] 둘 다 전위 기울기를 에너지원으로 사용하여 근처의 고정 단백질에 대해 회전하는 여러 개의 작은 알파-나선형 단백질 고리를 특징으로 한다. 그러나 이 연결은 미약한데, 편모 모터의 전체 구조는 FO 입자보다 훨씬 복잡하고 약 30개의 회전 단백질로 구성된 고리는 FO 복합체의 10, 11 또는 14개의 나선형 단백질보다 훨씬 크기 때문이다. 그러나 최근의 구조 데이터에 따르면 고리와 줄기는 F1 입자와 구조적으로 유사하다.[19]
ATP 생성효소의 기원에 대한 모듈식 진화 이론은 ATPase 활성을 가진 DNA 헬리케이스와 모터라는 독립적인 기능을 가진 두 개의 서브유닛이 결합할 수 있었고, 모터의 회전이 헬리케이스의 ATPase 활성을 반전시켰다고 제안한다.[14][20] 이 복합체는 이후 효율성이 높아져 오늘날의 복잡한 ATP 생성효소로 발전했다. 또는, DNA 헬리케이스/ 모터 복합체는 헬리케이스의 ATPase 활성이 모터를 반전시키는 펌프 활성을 가졌을 수 있다.[14] 이것은 반대 반응을 수행하고 ATP 생성효소로 작용하도록 진화했을 수 있다.[15][21][22]
8. 다양한 생물에서의 ATP 합성효소
현재 구조가 잘 알려진 것은 F형 ATP 아제이다. F형 ATP 아제는 Fo (에프오)와 F1 (에프원)의 두 부위로 구성된다.
F1 부위는 ε 서브 유닛을 기부로 γ 서브 유닛이 줄기 모양으로 결합하고, 그 주위를 α 및 β 서브 유닛이 둘러싸는 형태로 교대로 배치되어 있다(γ 서브 유닛을 줄기로 하면 α, β는 잎 부분). δ 서브 유닛은 α, β 서브 유닛의 꼭대기에 위치하고 있으며, F1 부위의 안정화에 기여하는 것으로 생각된다. F1 부위는 1994년에 워커 등에 의해 입체 구조와 반응 기작이 밝혀졌다.
Fo 부위는 막 관통형이며, c 서브 유닛이 링 형태로 배치되고, a 서브 유닛이 그 옆에 결합하여, b 서브 유닛의 기부가 된다. b 서브 유닛은 F1 부위의 δ 서브 유닛과 결합하여 F1 부위의 안정에 기여한다고 생각된다. Fo 부위는 입체 구조 및 서브 유닛 구성은 아직 불확정적이다.
진핵생물의 F형 ATP 아제는 F1 부위의 서브 유닛 종류 수는 같지만, Fo 부위는 최대 8종류가 존재한다고 알려져 있다.
| 부위 | 서브 유닛 | 개수 |
|---|---|---|
| F1 | α | 3개 |
| F1 | β | 3개 |
| F1 | γ | 1개 |
| F1 | δ | 1개 |
| F1 | ε | 1개 |
| Fo | a | 1개 |
| Fo | b | 2개 |
| Fo | c | 9–12개 (불확정) |
8. 1. 세균
대장균(''Escherichia coli영어'') ATP 생성효소는 8가지 서로 다른 서브유닛 유형을 가진 가장 단순한 형태의 ATP 생성효소로 알려져 있다.[24]세균의 F-ATPases는 때때로 역방향으로 작동하여 ATPase로 전환될 수 있다.[25] 일부 세균은 F-ATPase가 없고 A/V형 ATPase를 양방향으로 사용한다.[35]
8. 2. 효모
효모 ATP 생성효소는 진핵생물 ATP 생성효소 중 가장 잘 연구된 것 중 하나이며, 5개의 F1, 8개의 FO 서브유닛과 7개의 관련 단백질이 확인되었다.[7] 이러한 단백질의 대부분은 다른 진핵생물에도 상동체를 가지고 있다.[26][27][28][29]8. 3. 식물
식물에서 ATP 생성효소는 엽록체에도 존재한다(CF1FO-ATP 생성효소).[30] 이 효소는 틸라코이드 막에 통합되어 있으며, CF1 부분은 광합성의 암반응 (캘빈 회로)과 ATP 합성이 일어나는 스트로마로 돌출되어 있다.[30] 엽록체 ATP 생성효소의 전체 구조와 촉매 메커니즘은 박테리아 효소와 거의 동일하다. 그러나 엽록체에서는 양성자 구동력이 호흡 전자 전달 연쇄가 아닌 1차 광합성 단백질에 의해 생성된다. 이 생성효소는 어두울 때 낭비적인 활동을 억제하기 위해 감마 서브유닛에 40개의 아미노산 삽입부를 가지고 있다.[30]8. 4. 포유류
소(''Bos taurus'') 심장 미토콘드리아에서 분리된 ATP 생성효소는 생화학 및 구조 측면에서 가장 잘 특징지어진 ATP 생성효소이다.[31][32][33] 소의 심장은 심근에 미토콘드리아가 고농도로 존재하기 때문에 효소의 공급원으로 사용된다. 소의 ATP 생성효소 유전자는 인간 ATP 생성효소 유전자와 밀접한 상동성을 가지고 있다.[31][32][33]8. 5. 기타 진핵생물
유글레나류 ATP 생성효소는 다른 미토콘드리아 ATP 생성효소처럼 부메랑 모양의 F1 머리를 가진 이합체를 형성하지만, FO 하위 복합체는 많은 고유한 소단위를 가지고 있다. 카르디올리핀을 사용한다. 억제성 IF1 또한 트리파노소마류와 공유하는 방식으로 다르게 결합한다.[34]8. 6. 고세균
고세균은 일반적으로 F-ATP가수분해효소가 존재하지 않는다. 대신, 구조적으로 V-ATP가수분해효소와 유사하지만 주로 ATP 합성효소로 작용하는 A-ATP가수분해효소/합성효소를 사용하여 ATP를 합성한다.[25] 세균의 F-ATP가수분해효소처럼, ATP가수분해효소로도 기능하는 것으로 여겨진다.[35]9. 저해제
올리고마이신은 ATP 생성효소의 FO 부분을 억제하는 천연 항생제이다.[3][4] DCCD 또한 널리 사용되는 ATP 생성효소 억제제 중 하나이다.[23] ATP 생성효소의 구조와 메커니즘을 연구하기 위해 다양한 천연 및 합성 억제제가 사용되어 왔다.[23] 펩타이드 억제제, 폴리페놀 식물화학물질, 폴리케타이드, 유기주석 화합물, 폴리에닉 α-피론 유도체, 양이온 억제제, 기질 유사체, 아미노산 변형제 등 여러 종류의 ATP 생성효소 억제제가 있다.[23]
10. 향후 과제
ATP 생성 효소에 대한 이해는 매우 진전되었지만, 몇 가지 점은 아직 밝혀지지 않았다. Fo 부위의 구조 분석, 반응 소과정이 현시점의 과제라고 할 수 있다.[1]
"왜 ATP 합성에 사용되는 ATP 아제만이 회전을 하는가"라는 구조생물학적인 의문도 남아 있다. 생체 내에서 ATP 합성에 사용되는 것은 F형 및 A형이지만, F형은 회전하고 있다는 것이 거의 확실하며, A형도 아마 회전하고 있을 것이라는 예측이 이루어지고 있다.[1]
A형 ATP 아제를 기원으로 하는 V형 ATP 아제도 서브 유닛 구성으로 보아 회전하고 있을 것이라고 예측된다. P형 ATP 아제는 구조가 단순하고 (분자량 10만 전후) 에너지 효율도 나쁘지 않지만, 생체 내에서 ATP 합성에 사용되는 예는 존재하지 않는다. 복잡한 F형 ATP 아제(분자량 50만 이상)는 거의 모든 생물에서 공통적으로 ATP 합성에 사용되는 보편적인 효소이며, 진화의 흔적이 보이지 않는다. 이러한 점도 현시점의 과제라고 할 수 있다.[1]
메탄균은 F형 및 A형 ATP 생성 효소를 모두 가지고 있는데, F형은 나트륨 이온 구동형 ATP 아제임이 밝혀졌다. 양성자 농도 기울기에 의존하지 않는, 새로운 이온 수송형 ATP 생성 효소의 존재도 시사되고 있다.[1]
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