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고려대 변형된 문제와 해설: 

미토콘드리아 내막에서 ATP 합성효소

 

문제 1:

미토콘드리아 내막에서 ATP 합성효소가 ATP를 합성하는 데 필요한 전기화학적 구동력의 구성 요소는 무엇인지 설명하고, 이 구동력이 어떻게 형성되는지 기술하시오.

해설:

ATP 합성효소가 ATP를 합성하는 데 필요한 전기화학적 구동력의 구성 요소는 **프로톤 구동력 (proton motive force, PMF)**입니다. PMF는 다음 두 가지 주요 요소로 구성됩니다:

1. 전기적 기울기 (전위차): 미토콘드리아 내막을 경계로 한 전기적 전위차. 막간 공간이 더 양전하를 띄고, 기질은 더 음전하를 띕니다.
2. 화학적 기울기 (농도차): 미토콘드리아 내막을 경계로 한 프로톤(H⁺) 농도 차이. 막간 공간에 프로톤이 더 많이 축적되어 있습니다.

PMF는 전자전달계를 통해 형성됩니다. NADH와 FADH2가 전자를 전달하면, 전자가 전자전달계의 복합체들(Complex I, III, IV)을 통해 이동하면서 프로톤이 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 펌핑됩니다. 이로 인해 막간 공간의 프로톤 농도가 높아지고, 미토콘드리아 내막에 전기화학적 기울기가 형성됩니다. 이 구동력이 ATP 합성효소를 구동하여 ATP를 합성하게 합니다.

문제 2:

미토콘드리아 내막에 위치한 탈공유 결합 단백질 (uncoupling protein, UCP)이 과량 발현되었을 때, 세포 내 대사와 에너지 생산에 미치는 영향을 설명하시오. 또한, 이러한 단백질 발현이 열 생산에 미치는 영향을 논하시오.

해설:

탈공유 결합 단백질(uncoupling protein, UCP)이 과량 발현되었을 때, 세포 내 대사와 에너지 생산에 미치는 영향은 다음과 같습니다:

1. 프로톤 누출 증가: UCP는 미토콘드리아 내막을 통해 프로톤을 누출시킵니다. 이는 프로톤 구동력을 감소시킵니다.
2. ATP 합성 감소: 프로톤 구동력이 감소하면 ATP 합성효소를 통한 ATP 생성이 줄어듭니다. 이는 세포가 에너지를 효율적으로 생산하지 못하게 합니다.
3. 대사율 증가: ATP 생산이 감소함에 따라 세포는 필요한 에너지를 확보하기 위해 더 많은 영양소(포도당, 지방산 등)를 소모하게 되며, 이는 대사율을 증가시킵니다.

UCP의 발현이 열 생산에 미치는 영향:

1. 열 생산 증가: 프로톤이 ATP 합성효소를 우회하여 내막을 통해 이동할 때, 이 에너지가 열로 변환됩니다. 이는 체내에서 열 생산을 증가시켜 체온 상승에 기여합니다. 이러한 과정은 특히 갈색 지방조직에서 열 발생(thermogenesis)을 통해 체온 조절에 중요한 역할을 합니다.

문제 3:

1분자의 NADH가 2.5분자의 ATP를, 1분자의 FADH2가 1.5분자의 ATP를 생성할 수 있는 이유를 복합체 수준에서 설명하시오. 전자전달계의 각 복합체가 기여하는 프로톤 펌핑의 역할을 중심으로 논하시오.

해설:

1분자의 NADH와 1분자의 FADH2가 생성하는 ATP 분자의 수에 차이가 나는 이유는 이들이 전자를 전달하는 경로와 각 전자전달계 복합체의 역할 때문입니다.

NADH:

• Complex I (NADH 탈수소효소): NADH는 전자를 Complex I에 전달합니다. 이 과정에서 4개의 프로톤이 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 펌핑됩니다.
• Complex III (시토크롬 bc1 복합체): 전자는 UQH2 (유비퀴논)로 이동한 후, Complex III로 전달되어 4개의 프로톤이 막간 공간으로 펌핑됩니다.
• Complex IV (시토크롬 c 산화효소): 전자는 시토크롬 c를 통해 Complex IV로 전달되어 2개의 프로톤이 막간 공간으로 펌핑됩니다.

총 10개의 프로톤이 막간 공간으로 펌핑되며, ATP 합성효소는 약 4개의 프로톤을 사용하여 1분자의 ATP를 합성합니다. 따라서 NADH는 약 2.5분자의 ATP를 생성합니다.

FADH2:

• Complex II (석신산 탈수소효소): FADH2는 전자를 Complex II에 전달합니다. Complex II는 프로톤을 펌핑하지 않습니다.
• Complex III: 전자는 UQH2로 이동한 후, Complex III로 전달되어 4개의 프로톤이 막간 공간으로 펌핑됩니다.
• Complex IV: 전자는 시토크롬 c를 통해 Complex IV로 전달되어 2개의 프로톤이 막간 공간으로 펌핑됩니다.

총 6개의 프로톤이 막간 공간으로 펌핑되며, ATP 합성효소는 약 4개의 프로톤을 사용하여 1분자의 ATP를 합성합니다. 따라서 FADH2는 약 1.5분자의 ATP를 생성합니다.

이러한 차이는 NADH와 FADH2가 전자를 전달하는 시작점이 다르기 때문입니다. NADH는 Complex I에서 시작하여 더 많은 프로톤을 펌핑하고, FADH2는 Complex II에서 시작하여 적은 프로톤을 펌핑하기 때문에 결과적으로 생성되는 ATP의 수가 다릅니다.