전자 전달계와 산화적 인산화

복합체 I은 NADH 탈수소효소 복합체 또는 NADH:유비퀴논 산화환원효소라고도 불린다. 이 복합체는 진핵생물의 미토콘드리아 내막에 위치하며, 약 45개의 소단위체로 구성된 거대한 막단백질 복합체이다. 복합체 I의 주요 기능은 시트르산 회로와 해당과정 등에서 생성된 NADH로부터 전자 2개를 받아 유비퀴논(UQ)으로 전달하는 동시에, 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 4개의 양성자를 펌핑하는 것이다.

복합체 I의 반응은 다음과 같이 요약된다: NADH + H⁺ + UQ → NAD⁺ + UQH₂. 이 과정에서 NADH는 산화되어 NAD⁺로 재생성되고, 유비퀴논은 환원되어 유비퀴놀(UQH₂)이 된다. 전자 전달은 복합체 내에 존재하는 여러 보결분자를 통해 일어난다. 주요 보결분자로는 플라빈 모노뉴클레오티드(FMN)와 7-9개의 철-황 클러스터가 있다. FMN는 초기 전자 수용체 역할을 하며, 이후 일련의 철-황 클러스터를 거쳐 전자가 최종 전자 수용체인 유비퀴논으로 전달된다.

이 복합체의 양성자 펌프 메커니즘은 전자 전달에 의해 방출되는 에너지가 복합체의 구조적 변화를 유도하여 양성자를 이동시키는 '진자 모델'로 설명된다[2]. 복합체 I의 기능 장애는 여러 신경퇴행성 질환 및 미토콘드리아병과 연관되어 있다. 또한, 살충제인 로테논은 복합체 I의 특이적 억제제로 작용하여 전자 전달을 차단한다.

복합체 II는 숙시네이트 탈수소효소 복합체로도 알려져 있으며, 전자 전달계에 있어 특이적인 역할을 수행한다. 다른 주요 복합체들과 달리, 이 복합체는 양성자를 미토콘드리아 막간 공간으로 펌핑하지 않는다. 대신, 그 주요 기능은 시트르산 회로에서 생성된 숙시네이트를 푸마르산으로 산화시키는 동시에, 방출된 전자를 유비퀴논 풀에 직접 전달하는 것이다.

이 복합체는 네 개의 단백질 소단위체로 구성되며, 플라빈 아데닌 디뉴클레오타이드(FAD)와 철-황 클러스터를 보조 인자로 포함한다. 반응은 숙시네이트가 복합체에 결합하여 푸마르산으로 전환되면서 시작된다. 이 과정에서 두 개의 수소 원자가 제거되어, FAD는 FADH2로 환원된다. 이후 FADH2의 전자는 일련의 철-황 클러스터를 통해 최종적으로 유비퀴논(Q)에 전달되어 유비퀴놀(QH2)을 생성한다.

복합체 II의 경로는 NADH를 통한 주 전자 전달 경로에 비해 에너지 생산량이 적다. 이는 전자가 유비퀴논 단계에서 합류하기 때문에, 복합체 I을 우회하기 때문이다. 결과적으로, 복합체 II를 통해 공급된 전자로는 복합체 I에서 일어나는 양성자 펌핑에 의한 에너지 포획이 발생하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 이 경로는 시트르산 회로의 핵심 반응을 전자 전달계와 연결하는 중요한 대사 교량 역할을 한다.

복합체 II는 또한 환경 독성 물질인 말론산의 표적이 된다. 말론산은 숙시네이트와 구조가 유사하여 복합체 II에 경쟁적으로 결합함으로써 효소 작용을 억제한다[3]. 이 억제는 호흡 사슬과 시트르산 회로를 동시에 차단하는 효과를 가져온다.

복합체 III는 미토콘드리아 내막에 위치한 다중 소단위 효소 복합체이다. 유비퀴놀-사이토크롬 c 환원효소 또는 bc1 복합체로도 불린다. 주요 기능은 유비퀴놀(UQH2)로부터 전자를 받아 사이토크롬 c로 전달하는 것이며, 이 과정에서 양성자를 막간 공간으로 펌핑하여 양성자 기울기 형성에 기여한다.

복합체 III의 핵심적인 전자 전달 과정은 Q 사이클이라 불리는 메커니즘을 통해 이루어진다. 이 사이클은 하나의 유비퀴놀 분자가 산화될 때, 두 분자의 사이토크롬 c가 환원되고, 네 개의 양성자가 막간 공간으로 이동하도록 설계되어 있다[4]. Q 사이클은 두 개의 별도 전자 수용체 부위, 즉 Qo 부위와 Qi 부위를 활용하여 효율적인 전자 분리를 가능하게 한다.

복합체 III는 여러 개의 보조 인자를 포함하는데, 그중에서도 헴을 함유한 사이토크롬 b와 사이토크롬 c1, 그리고 철-황 클러스터를 가진 리스케 철-황 단백질이 중요한 역할을 한다. 이들의 협력을 통해 전자는 유비퀴놀로부터 사이토크롬 b, 리스케 철-황 단백질, 사이토크롬 c1을 거쳐 최종적으로 용액성 전자 운반체인 사이토크롬 c로 전달된다.

복합체 III의 기능은 특정 억제제에 의해 차단될 수 있다. 대표적인 억제제로는 항진균제인 안티마이신 A가 있으며, 이는 복합체 내부의 Qi 부위에 결합하여 전자 전달을 억제한다. 반면, 미토콘드리아 호흡 연구에 널리 사용되는 미톤은 Qo 부위를 표적으로 한다.

복합체 IV는 사이토크롬 c 산화효소라고도 불리며, 전자 전달계의 마지막 효소 복합체이다. 이 복합체는 사이토크롬 c로부터 전자를 받아 최종 전자 수용체인 분자 상태의 산소(O₂)로 전달하는 역할을 한다. 복합체 IV는 미토콘드리아 내막에 위치하며, 복잡한 다단계 촉매 반응을 통해 산소를 물로 환원시킨다.

이 복합체는 여러 개의 금속 보조 인자를 포함하는 단백질이다. 주요 구성 요소로는 헴 철을 함유한 사이토크롬 a와 사이토크롬 a₃, 그리고 두 개의 구리 중심(CuA와 CuB)이 있다. CuA 중심은 사이토크롬 c로부터 전자를 수용하는 입구 역할을 하며, 사이토크롬 a와 a₃, 그리고 CuB 중심은 산소를 결합하고 환원시키는 활성 부위를 형성한다. 산소 분자는 사이토크롬 a₃와 CuB 사이에 가교 결합된 상태로 결합하게 된다.

복합체 IV의 작동은 다음과 같은 단계를 거친다. 먼저, 산화된 사이토크롬 c 한 분자가 CuA 중심에 전자 한 개를 제공한다. 전자는 사이토크롬 a를 거쳐 사이토크롬 a₃-CuB 활성 부위로 이동한다. 이 과정이 네 번 반복되어 네 개의 전자가 축적되면, 하나의 산소 분자(O₂)가 완전히 환원되어 두 개의 물(H₂O) 분자를 생성한다. 이 환원 반응은 매우 정교하게 조절되어 유해한 부분 환원 산물(예: 슈퍼옥사이드 라디칼)의 생성을 최소화한다.

전자 전달과 동시에 복합체 IV는 양성자 펌프 역할도 수행한다. 네 개의 전자가 산소로 전달되는 전체 반응 동안, 복합체 IV는 미토콘드리아 기질에서 네 개의 양성자(H⁺)를 막간 공간으로 펌핑한다. 또한, 생성된 물 분자에 포함되기 위해 기질에서 추가로 두 개의 양성자를 소비한다. 이로 인해 복합체 IV는 전자 전달당 총 최대 두 개의 양성자를 기울기 형성에 기여한다[5]. 이 양성자 기울기는 이후 ATP 합성효소가 ATP를 합성하는 데 사용되는 에너지원이 된다.

ATP 합성효소는 미토콘드리아 내막에 위치한 효소 복합체로, 양성자 기울기에 저장된 에너지를 이용하여 ATP를 합성하는 핵심 기계이다. 이 효소는 회전 촉매 메커니즘을 통해 작동하며, 전자 전달계와의 직접적인 결합 없이 화학삼투적 에너지를 화학적 에너지로 전환한다. 구조적으로 F0와 F1이라는 두 개의 주요 부분으로 구성된다.

F0 부분은 내막에 박혀 있는 통로 역할을 하며, 양성자가 기울기를 따라 흐를 때 회전 운동을 일으킨다. F1 부분은 미토콘드리아 기질 쪽으로 돌출된 구형의 구조로, 실제 ATP를 합성하는 촉매 부위를 가지고 있다. F0 부분의 회전은 F1 부분의 중심축을 회전시켜, 세 개의 촉매 부위가 연속적으로 구조 변화를 겪도록 한다. 이 변화는 ADP와 무기 인산이 결합하여 ATP가 생성되고 방출되는 과정을 유도한다.

ATP 합성효소의 작동은 가역적이다. 충분한 ATP가 존재하고 양성자 기울기가 낮을 경우, 효소는 반대 방향으로 작동하여 ATP를 가수분해하고 그 에너지를 이용해 양성자를 막 바깥으로 펌핑할 수 있다. 이는 에너지 항상성을 유지하는 데 기여한다. 효소의 활동은 세포의 에너지 수준, 특히 ADP/ATP 비율에 의해 정교하게 조절된다.

이 효소의 억제제로는 올리고마이신이 있으며, 이는 F0 부분의 양성자 통로를 차단하여 ATP 합성을 막는다. 반면, 2,4-디니트로페놀과 같은 해독제는 양성자 기울기를 소산시켜 ATP 합성을 간접적으로 억제한다.

전자 전달계에서 전자는 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 이동하며, 이 과정은 특정 분자들 사이의 산화-환원 반응을 통해 이루어진다. 주요 전자 공여체는 NADH와 FADH2이다. 이들은 시트르산 회로와 해당과정 등에서 생성되며, 각각 높은 환원력을 지닌 전자를 보유하고 있다. NADH는 복합체 I에, FADH2는 복합체 II에 전자를 전달한다.

최종 전자 수용체는 분자 상태의 산소(O2)이다. 전자 전달계의 말단에 위치한 복합체 IV는 전자를 받아 산소를 환원시켜 물(H2O)을 생성한다. 이 반응은 전자 전달 과정을 종결시키는 중요한 단계이다. 산소 이외의 다른 분자가 최종 전자 수용체로 사용되는 경우는 혐기성 호흡으로 구분된다.

전자 전달 경로를 따라 중간 전자 운반체들이 존재한다. 유비퀴논(CoQ)은 지용성 분자로 복합체 I 또는 II로부터 전자를 받아 복합체 III로 운반한다. 수용성 단백질인 사이토크롬 c는 복합체 III로부터 전자를 받아 복합체 IV로 전달하는 역할을 한다. 이러한 전자 운반체들은 전자가 단계적으로 이동할 수 있도록 돕는다.

전자 공여체와 수용체 사이의 표준 환원 전위 차이는 전자 흐름의 방향과 추진력을 결정한다. NADH/NAD+ 쌍의 환원 전위는 -0.32V 정도인 반면, 1/2 O2/H2O 쌍의 환원 전위는 +0.82V이다. 이 큰 전위차는 전자 전달이 자발적으로 진행되게 하는 원동력이 되며, 그 과정에서 방출되는 자유 에너지는 양성자 기울기 형성에 사용된다[6].

전자 전달 경로는 전자 전달계를 구성하는 네 가지 주요 단백질 복합체를 통해 전자가 순차적으로 이동하는 경로를 의미한다. 이 경로는 주로 NADH와 FADH2라는 두 가지 주요 전자 운반체에서 시작하여 최종 전자 수용체인 산소로 전달되는 과정을 포함한다.

NADH에서 시작하는 경로는 복합체 I에서 시작된다. NADH는 복합체 I에 의해 산화되어 NAD+로 변환되며, 그 과정에서 방출된 전자와 수소 이온은 유비퀴논을 유비퀴놀로 환원시키는 데 사용된다. 반면, 시트르산 회로에서 생성된 FADH2는 복합체 II에 직접 전자를 전달한다. 복합체 II는 유비퀴논을 유비퀴놀로 환원시키지만, 복합체 I과 달리 양성자를 막간 공간으로 펌핑하지는 않는다. 이후 두 경로에서 생성된 유비퀴놀은 모두 복합체 III로 이동한다.

복합체 III는 유비퀴놀로부터 전자를 받아 사이토크롬 c로 전달하는 역할을 한다. 이 과정에서 추가적인 양성자 펌핑이 일어난다. 환원된 사이토크롬 c는 복합체 IV로 이동하여 전자를 최종적으로 산소 원자에 전달한다. 복합체 IV는 네 개의 전자와 네 개의 양성자를 이용하여 하나의 산소 분자를 두 개의 물 분자로 환원시키며, 이 과정에서도 양성자 기울기가 강화된다.

*ATP 당량은 P/O 비율을 반영한 이론적 값이며, 실제 세포 조건에 따라 변동될 수 있다[7]. 이 표는 두 가지 주요 경로가 복합체 III와 IV를 공유하지만, 시작점과 에너지 생산량에서 차이가 있음을 보여준다.

전자 전달 과정에서 복합체 I, 복합체 III, 복합체 IV는 전자를 전달하는 동시에 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 양성자를 능동 수송하는 펌프 역할을 한다. 이 과정은 전자 전달에 의해 방출되는 자유 에너지를 이용하여 수행된다. 각 복합체는 막을 가로질러 특정 수의 양성자를 펌핑한다.

이러한 양성자 펌프 활동의 결과로, 막간 공간의 양성자 농도가 증가하고 전기 화학적 기울기가 형성된다. 이 기울기는 두 가지 요소로 구성된다. 첫째는 농도 기울기로, 막간 공간의 양성자 농도가 기질보다 높아진다. 둘째는 전위 기울기로, 막간 공간이 양전하를 띠게 되어 기질 공간에 비해 전기적으로 양성이 된다. 이 두 요소를 합쳐 양성자 기동력이라고 부른다.

형성된 양성자 기울기는 에너지 저장 형태로 작용한다. 이 저장된 에너지는 ATP 합성효소가 ADP와 무기 인산으로 ATP를 합성하는 데 직접적인 동력원으로 사용된다[8]. 양성자 기울기의 크기는 세포의 에너지 상태에 따라 변동하며, 이는 전자 전달 속도와 산화적 인산화 속도를 조절하는 주요 요인이 된다.

화학삼투설은 산화적 인산화 과정에서 ATP 합성이 어떻게 이루어지는지를 설명하는 핵심 이론이다. 이 가설은 1961년 영국의 생화학자 피터 미첼에 의해 제안되었으며, 그는 이 공로로 1978년 노벨 화학상을 수상했다[9]. 화학삼투설의 핵심은 미토콘드리아 내막을 가로지르는 양성자 기울기 (Δp)가 형성되고, 이 기울기가 ATP 합성의 직접적인 동력원으로 작용한다는 것이다.

양성자 기울기는 전자 전달계의 복합체 I, III, IV가 전자를 전달하는 과정에서 막간 공간으로 양성자(H⁺)를 능동적으로 펌핑하여 형성된다. 이로 인해 막간 공간은 양성자 농도가 높고 양전하를 띠는 반면, 기질은 양성자 농도가 낮고 음전하를 띠게 된다. 형성된 이 화학적 농도 기울기(ΔpH)와 전기적 전위 차이(ΔΨ)를 합친 것이 양성자 기울기력이다.

형성된 양성자 기울기력은 ATP 합성효소 (복합체 V)가 작동하는 구동력으로 사용된다. ATP 합성효소의 F₀ 부분은 양성자가 기질 쪽으로 유입되는 통로 역할을 하며, 이 흐름은 F₁ 부분의 회전 운동을 유발한다. 이 기계적 회전 에너지는 F₁ 부분에서 ADP와 무기 인산으로부터 ATP를 합성하는 데 사용된다. 따라서, 전자 전달에 의해 생성된 산화 환원 에너지는 먼저 양성자 기울기라는 형태로 저장된 후, 최종적으로 ATP의 인산 결합 에너지로 전환된다.

화학삼투설은 다음과 같은 주요 실험적 증거들에 의해 뒷받침되었다. 인공적으로 미토콘드리아 내막에 양성자 기울기를 형성하면(예: pH 차이를 만들어) ATP가 합성될 수 있다는 점, 양성자 기울기를 소멸시키는 물질(해리제)이 ATP 합성을 억제한다는 점, 그리고 ATP 합성효소가 실제로 양성자의 흐름에 의해 회전한다는 것이 직접 관찰되었다는 점 등이 그것이다. 이 이론은 세포 호흡의 에너지 변환 과정을 통일적으로 설명하는 패러다임이 되었다.

ATP 합성효소는 화학삼투설에 기반하여 양성자 기울기의 에너지를 ATP 합성에 사용하는 분자 모터이다. 이 효소는 F0와 F1이라는 두 개의 주요 부분으로 구성된다. F0 부분은 미토콘드리아 내막에 박혀 있어 양성자가 흐르는 통로 역할을 한다. F1 부분은 내막의 매트릭스 쪽으로 돌출되어 있으며, 실제 ATP를 합성하는 촉매 부위를 가지고 있다.

양성자 기울기에 의해 구동되는 양성자의 흐름은 F0 부분의 회전을 유발한다. 이 회전 운동은 F1 부분의 중심축(감마 서브유닛)을 회전시킨다. 중심축의 회전은 F1 부분의 3개의 촉매 부위(알파/베타 이합체)의 구조를 주기적으로 변화시킨다. 각 촉매 부위는 '느슨한', '긴장된', '열린' 상태를 순환하며, 이 변화가 ADP와 무기 인산으로부터 ATP를 생성한다.

ATP 합성효소의 작동은 가역적이다. 충분한 ATP가 존재하고 양성자 기울기가 낮을 경우, 효소는 반대 방향으로 작동하여 ATP를 가수분해하면서 양성자를 막 너머로 펌핑하여 기울기를 유지할 수 있다. 이 메커니즘은 에너지 항상성을 유지하는 데 기여한다.

ATP 합성효소의 회전 메커니즘은 다음과 같은 단계로 요약할 수 있다.

P/O 비율은 산화적 인산화 과정에서 소모된 무기 인산의 몰수(P) 대비 소모된 원자 산소의 몰수(O)의 비율을 의미한다. 이는 전자 전달계를 통해 흐르는 한 쌍의 전자가 생성하는 ATP 분자의 수를 간접적으로 나타내는 지표로 사용된다. 이론적으로, NADH가 전자 공여체일 경우 P/O 비율은 2.5, FADH2가 전자 공여체일 경우는 1.5로 계산된다[10].

이 비율은 에너지 변환의 효율성을 평가하는 데 중요한 기준이 된다. 실제 실험에서 측정되는 P/O 비율은 이론값보다 낮은 경우가 많다. 그 이유는 미토콘드리아 내막이 완전히 불투과성이 아니어서 일부 양성자가 누출될 수 있고, 생성된 양성자 기울기가 ATP 합성 이외의 과정(예: 물질 수송)에도 사용될 수 있기 때문이다.

다양한 기질에 대한 전형적인 P/O 비율은 다음과 같다.

P/O 비율의 개념은 화학삼투설을 뒷받침하는 증거 중 하나로 활용되었다. 전자 전달 사슬의 각 복합체가 펌핑하는 양성자의 수와 ATP 합성에 필요한 양성자의 수를 결합하여 계산되기 때문이다.

세포의 에너지 수요는 ATP 합성 속도와 전자 전달 속도를 직접적으로 조절한다. 이 조절은 주로 ADP와 ATP의 농도 비율에 의해 매개된다. 세포가 에너지를 많이 소비하면 ADP 농도가 상대적으로 증가하고, ATP 농도는 감소한다. 높은 ADP/ATP 비율은 ATP 합성효소의 활성을 촉진하며, 이는 양성자 기울기의 소모를 가속화한다. 양성자 기울기가 감소하면 전자 전달계의 전자 흐름이 자극을 받아 더 빠르게 진행된다. 이 현상을 '호흡 조절' 또는 '호흡 통제'라고 부른다[14]. 반대로, 세포의 에너지 수요가 낮아 ATP가 충분하면 ADP/ATP 비율이 낮아지고, ATP 합성효소의 활성이 감소한다. 이로 인해 양성자 기울기의 소모가 느려지고, 결과적으로 전자 전달 속도도 감소한다.

조절의 또 다른 중요한 요소는 시트르산 회로와 해당과정 등 전구물질 공급 경로의 피드백 메커니즘이다. 전자 전달계의 중간체인 유비퀴놀의 환원 상태나 사이토크롬 c의 산화 상태는 복합체 활동에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 칼슘 이온(Ca²⁺)은 여러 가지 대사 경로의 조절자로 작용하여 에너지 수요에 반응한다. 예를 들어, 근육 수축 시 칼슘 이온 농도가 증가하면 시트르산 회로와 해당과정의 효소들을 활성화시켜 전자 공여체인 NADH와 FADH2의 생산을 촉진한다.

이러한 조절 메커니즘은 에너지 생산과 소비를 효율적으로 일치시켜 에너지 낭비를 방지한다. 전자 전달과 산화적 인산화는 분리될 수 없는 과정으로, ATP 합성효소를 통한 양성자 흐름이 전자 전달 속도의 주요 제한 요소로 작용한다.

전자 전달계와 산화적 인산화 과정의 기능을 차단하거나 회복시키는 물질들을 억제제와 해독제라고 부른다. 이들은 연구 도구로 널리 사용되며, 일부는 의약품으로 개발되기도 한다.

전자 전달계의 특정 복합체를 표적으로 하는 억제제들이 알려져 있다. 로테논은 복합체 I을, 말론산은 복합체 II의 기질 경쟁 억제제로 작용한다. 안티마이신 A는 복합체 III에서 유비퀴놀의 산화를 방해하며, 사이안화물, 일산화 탄소, 아지드는 복합체 IV의 사이토크롬 c 산화효소 활성을 억제한다. ATP 합성효소는 올리고마이신에 의해 차단된다. 한편, 해독제는 억제 효과를 우회하거나 중화시킨다. 예를 들어, 사이안화물 독성을 해독하는 데는 아질산염과 티오황산염이 사용된다[15].

이들 물질의 작용 기전은 다음과 같이 요약할 수 있다.

2,4-디니트로페놀과 같은 해리제는 특이적으로 양성자 기울기를 무효화시켜 산화적 인산화를 해리시킨다. 이로 인해 호흡은 진행되지만 ATP 합성은 일어나지 않으며, 에너지가 열로 소실된다. 이러한 물질들은 에너지 대사 연구에 중요한 도구가 되며, 일부는 과거 체중 감량 약물로 사용되기도 했으나 심각한 부작용으로 인해 현재는 사용이 제한된다.

미토콘드리아 전자 전달계와 산화적 인산화의 기능 장애는 다양한 대사 질환을 유발한다. 이러한 장애는 유전자 돌연변이, 환경적 요인, 또는 독성 물질에 의해 발생할 수 있으며, 주로 에너지 요구량이 높은 조직인 뇌, 심근, 골격근에 영향을 미친다. 질환은 특정 복합체의 결함에 따라 그 증상이 달라진다.

복합체 I의 결함은 가장 흔한 형태로, 레버 유전성 시신경 신경병증(LHON)이나 미토콘드리아 근병뇌병증-젖산중증-뇌졸중양 증후군(MELAS)과 같은 질환과 연관된다. 복합체 IV의 결함은 리 증후군(Leigh syndrome)과 같은 심각한 신경퇴행성 질환을 일으킨다. ATP 합성효소 자체의 결함도 보고되었다.

표: 주요 미토콘드리아 전자 전달계 관련 대사 질환 예시

이러한 질환의 진단은 젖산중증 유무, 근육 생검을 통한 조직학적 분석, 그리고 산화적 인산화 복합체의 효소 활성 측정 등을 통해 이루어진다. 치료는 대부분 증상 완화에 초점을 맞추며, 코엔자임 Q10, 리보플라빈, 아스코르브산 등 보조 인자를 보충하는 접근법이 시도된다. 최근에는 유전자 치료나 줄기 세포 기반 치료법에 대한 연구가 진행 중이다.

전자 전달계와 산화적 인산화는 세포의 주요 에너지 생산 경로이기 때문에, 이 과정을 표적으로 하는 약물들은 다양한 질환의 치료에 활용됩니다. 특히 항생제, 항암제, 살충제 등의 개발에서 중요한 표적이 됩니다. 이들 약물은 전자 전달계의 특정 복합체를 억제하거나 ATP 합성효소의 기능을 방해함으로써 병원체나 암세포의 에너지 대사를 차단하여 작용합니다.

세균의 전자 전달계를 표적으로 하는 대표적인 항생제로는 아지트로마이신과 같은 마크로라이드 계열 항생제가 있습니다. 이들은 세균의 리보솜 단백질 합성을 억제하여 전자 전달계 구성 요소의 생산을 방해합니다. 항말라리아제인 아토바쿠온은 말라리아 원충의 유비퀴놀 산화를 억제하는 방식으로 작용합니다. 일부 살진드충제는 선충의 전자 전달계 복합체 I을 억제하여 효과를 나타냅니다.

암 치료 분야에서는 암세포의 대사 재편성을 표적으로 한 연구가 활발합니다. 암세포는 정상 세포에 비해 해당과정에 의존도가 높지만, 여전히 산화적 인산화를 통한 에너지 생산도 중요하게 이용합니다. 따라서 암세포의 전자 전달계를 선택적으로 억제하는 물질들이 항암제 후보로 개발되고 있습니다. 예를 들어, 메트포르민은 당뇨 치료제이지만 복합체 I 억제를 통해 항암 효과를 나타낼 수 있다는 연구 결과가 있습니다[17].

이러한 약물 표적 연구는 선택적 독성의 확보가 핵심 과제입니다. 병원체나 암세포의 전자 전달계를 억제하면서도 숙주 정상 세포에는 최소한의 영향을 미치도록 설계해야 합니다. 이를 위해 인간과 병원체 간 전자 전달계 구성 요소의 구조적 차이를 이용하거나, 암세포의 대사 취약점을 파악하는 연구가 지속되고 있습니다.