Proton Pumping
개요
Proton pumping은 전자전달 에너지를 이용하여 H⁺를 미토콘드리아 matrix에서 crista space로 내보내는 과정이다.
메커니즘의 원리
각 respiratory complex는 전자 전달과 연동된 conformational change를 통해 H⁺를 vectorial하게 이동시킨다.
Figure 14-29: H⁺ pumping의 일반 모델. 세 가지 conformation 전환으로 proton을 한 방향으로만 이동.
3개의 Conformation 필요
- H⁺에 대한 높은 친화도 → matrix 쪽에서 H⁺ 획득
- 에너지 입력 (전자 전달) → conformation 변화
- H⁺에 대한 낮은 친화도 → crista space 쪽으로 H⁺ 방출
Proton Wire
단백질 내부에서 H⁺가 이동하는 경로:
“Proton-translocating proteins contain so-called proton wires, which are rows of polar or ionic side chains or water molecules spaced at short distances, so that the protons can jump from one to the next.” — Chapter 14
Figure 14-28: 물과 단백질에서의 proton 이동 비교. Proton wire를 통한 이동은 40배 빠름.
- 극성/이온성 아미노산 잔기 (Asp, Glu, Ser, Thr)와 trapped water molecules
- Grotthuss mechanism: proton이 물 분자 사이를 뛰어다님
각 Complex의 Proton 이동량 (전자 1쌍 기준)
| Complex | Proton 이동 (H⁺/2e⁻) |
|---|---|
| Complex I | 4 |
| Complex II | 0 (proton pump 아님) |
| Complex III | 4 (Q cycle 포함) |
| Complex IV | 2 |
총 NADH 1분자 산화 시 (2e⁻ 기준): 4 + 4 + 2 = 10 H⁺ pumping
Quinone을 통한 Vectorial Proton Transfer
Ubiquinone이 proton을 matrix에서 획득하고 crista space에서 방출하는 과정도 proton pumping에 기여:
Figure 14-21: Quinone을 통한 directional proton transfer 메커니즘.
- Complex I에서 QH₂ 형성: matrix의 H⁺ 2개 흡수
- Complex III에 결합: crista space로 H⁺ 2개 방출