[세포생물학] 5.3 : transmembrane transport 1 - 미토콘드리아 수송(mitochondrial transport)

이번 포스트부터는 transmembrane transport(막 간 수송)에 대해 알아보도록 할게요.

 

 

특별히 이번 포스트에서는 transmembrane transport의 한 종류인 cytosol->mitochondria로의 수송 과정에 대해 알아볼게요.

 

 

 

위 그림에는 mitochondria(미토콘드리아) 내부 구조에 대한 명칭이 표시되어 있어요. 간단히 살펴보면, mitochondria는 2개의 막으로 구성되어 있고, 안쪽에 있는 막이 inner membrane(내막), 바깥쪽에 있는 막이 outer membrane(외막)이에요. 그리고 내막과 외막 사이 공간을 intermembrane space(막사이공간)라고 불러요. 그 밖에, 내막 안쪽의 공간을 matrix(기질)라고 부른다는 것도 알아두시면 좋아요!

 

 

 

실제로 mitochondria 내부 matrix, 혹은 intermembrane space에서 사용되는 단백질들 중 대다수는 cytosol에서 합성된 후 transmembrane transport를 통해 수송되어오게 되는데요. 그렇다면 이 수송은 어떻게 일어나는 것일까요?

 

 

 

 

 

위 그림에는 mitochondria로 갈 단백질들이 포함하고 있는 signal sequence가 나타나 있어요. 이 signal sequence는 특별히 alpha helix 구조를 가지고 있고, 이 alpha helix 구조가 위 그림 (C)에 회색으로 나타나 있는 import receptor에 인지되는 일이 일어나요.

 

 

 

 

 

앞서 살펴본 특정 signal sequence를 가지고 있는 단백질이 mitochondria 내부로 수송되기 위해서는 위 그림에 나타나 있는 각종 protein translocator들이 매우 중요하게 작용해요. (이 때 mitochondria 막에 있는 이들 protein translocator는 단백질 복합체의 일종으로, mitochondria로 올 단백질에 대한 receptor 역할을 할 뿐만 아니라 translocation channel을 형성하는 기능도 가지고 있어요) 특별히, 외막에 있는 TOM complex, 내막에 있는 TIM complex가 매우 중요하게 작용하는데, 흔히 TIM-TOM complex와 같이 쌍으로 외워두면 편해요.

 

 

그런데, 단백질이 TOM, TIM과 같은 통로를 통과해야 하지만, 이 통로는 사실 단백질이 접힌 상태로 쭉 통과할만큼 널널하지 않아요. 그래서 결국 단백질이 이곳을 통과하기 위해서는 unfolding(접힘이 풀린 상태) 된 채로 풀려서 통과해야해요. 이 때 단백질을 풀린 상태로 유지시켜주는 녀석이 샤페론 단백질이에요.

 

 

이제 자세한 수송 기작에 대해 알아볼게요.

 

 

 

 

앞서 말했던 것처럼 단백질이 통로를 통과하기 위해서는 접힘이 풀려있어야 하기 때문에, 위 그림 맨 왼쪽에 나타나 있는 것처럼 단백질이 합성되자마자 hsp70과 같은 샤페론 단백질이 붙어서 단백질 접힘을 막아주고 있어요. 그러다가 미토콘드리아 외막에 있는 TOM complex에 미토콘드리아 내부로 수송될 단백질의 신호 서열(signal sequence)이 철썩 달라붙게 되는거죠. 

 

딱 이 상태로 미토콘드리아 외막을 부유하다가, 그림상에서 1에 해당하는 것처럼 TOM complex와 TIM complex가 만나게 되면 이제 비로소 부유를 멈추게 돼요. 이후 단백질이 이제 본격적으로 미토콘드리아 내부로 수송되는데, 이 때 그림상에서 2에 해당하는 것처럼 미토콘드리아 내막 부근에 형성되어 있는 수소이온 gradient를 이용해서 단백질이 더 잘 밀려들어가는 효과가 발생해요. (조금 더 정확히 말하자면, 단백질의 signal sequence가 + 전하를 띄고 있기에 수소 이온 gradient의 도움을 받아 쉽게 안으로 밀려들어가게 됨) 

 

 

한편 3과 같이, 미토콘드리아 안에 있는 Hsp70은 접히지 않은 상태의, TIM, TOM complex로부터 막 들어온 단백질에 대해 높은 친화력을 가지고 있어서 미토콘드리아 안으로 살짝 머리를 내민 단백질이 더 잘 내부로 이동할 수 있도록 도와줘요. 이후 ATP의 가수분해에 의해서 얻은 에너지로 본격적으로 Hsp70에 의해 단백질이 내부로 끌려들어오게 되면서 최종적으로 수송이 완료되는거죠.

 

 

 

뭔가 내용이 상당히 복잡해보이지만, 그냥 단순히 '미토콘드리아로 수송될 단백질의 경우 샤페론의 도움을 받아 접히지 않은 채 운반되며, TIM, TOM complex에 의해 내부로 이동한다!!' 정도만 기억해두셔도 충분해요!!

 

 

 

자, 지금부터 조금 더 해볼 이야기는 말 그대로 옵션!!!이에요... 방금까지 봤던 게 일반적인 기작이라면, 미토콘드리아로의 단백질 수송에 있어서 다양한 변주곡들이 존재하기에 이런 것들도 있구나~~~ 하고 보기라도 하자는 차원에서 다양한 경로들에 대해 간단히만 보고 넘어갈게요.

 

 

 

 

첫번째로 볼 상황은, 단백질 내부에 stop-transfer sequence가 있는 경우에요. 말 그대로 이 서열이 포함되어 있으면, 처음에는 미토콘드리아 내부로 단백질이 들어가다가, stop-transfer sequence에 의해 들어가는 것을 멈추고 위 그림 오른쪽처럼 막에 박히게 되는거죠.

 

 

조금 더 구체적으로 살펴보면, 대부분의 수송 기작은 앞서와 같지만 signal sequence 뒤쪽에 존재하는, 소수성(hydrophobic)인 stop-transfer sequence가 미토콘드리아 내막 부분에 쏙 박힌채로 존재하게 돼요. 이 상태로 나머지 단백질 부분이 TOM complex로부터 완전히 밀려들어오면 내막에 박힌 내막단백질이 되는거죠.

 

 

 

다음으로 살펴볼 것은 위 그림과 같이 second signal sequence가 있는 경우에요. 즉, signal sequence가 하나 더 있어서 일단 미토콘드리아 안으로 들어간 다음에, 두 번째 signal sequence에 의해 다시금 다른 곳으로 수송되는거죠.

 

 

자세히 살펴보면, 일단 단백질이 TIM-TOM complex에 의해 미토콘드리아 내부로 수송된 다음에, signal sequence 하나가 절단되며 노출된 second signal sequence가 미토콘드리아 내막의 OXA complex라는 단백질 복합체에 인식돼요. 결국 이 단백질은 미토콘드리아 내막에 박힌 형태로 존재할 수 있어요.

 

 

 

물론 일부 단백질의 경우 위 그림과 같이 처음에는 내막에 박혀있다가 가위 역할을 하는 효소에 의해 잘려 intermembrane space 상에 둥둥 떠다니는 채로 존재할 수도 있어요. 

 

 

 

마지막으로 위 그림처럼 TIM22라는 녀석에 의해서, 아예 처음 단백질이 수송될 때부터 곧바로 미토콘드리아 내막에 단백질을 전달해주는 방식도 존재해요. 

 

 

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이번 포스트에서는 단백질이 미토콘드리아로 수송되는 기작에 대해 살펴봤어요.

 

 

 

다음 포스트에서는 단백질이 엽록체(chloroplast)로 수송되는 기작에 대해 살펴볼게요.