[생화학] 18.2 : 산화적 인산화 각론 - 1

 

 

이번 포스트부터는 이제 세부적으로 각각의 complex들에 대해 알아보자.

 

 

complex I (ubiquinone(or NADH) oxidoreductase)

 

 

complex 1의 경우 mammalian cell 내에서 가장 거대한 macro-molecular assembly 중 하나임. 이들은 (물론 종마다 다르지만) 40개가 넘는 subunit들로 구성되어 있으며 이들 subunit들은 nuclear gene과 mitochondrial gene에 의해 모두 encoding되어있음. 이 녀석의 matrix site에는 NADH가 붙게 되는데, 이 결합이 matrix에서 일어나므로 proton의 pumping이 intermembrane space 쪽으로 수행될 수 있는 것임.

 

 

 

 

위 그림에는 complex I과 관련된 모식도가 나타나 있음. 보면 상당히 많은 subunit으로 구성되어 있음을 알 수 있으며, transmembrane part와 cytosolic part로 다시 나눌 수 있음을 알 수 있음.

 

 

우선 NADH는 complex I 내부에 noncovalent하게 결합하고 있는 FMN(flavin mononucleotide)에 전자를 전달하게 됨. 이후 FMN으로부터 몇몇 iron-sulfur center를 통해 쭉 relay로 전자가 전달되고 그러다가 최종적으로 Q로 전자가 전달되게 됨.

 

 

한편 이러한 전자전달의 과정에서 발생한 energy에 의해 complex I의 conformational change가 발생하게 되고, 그 결과 proton wiring이 가능해지게 됨. proton wiring은 결과적으로 proton 4개를 intermembrane space로 방출시키는 결과를 야기하게 됨. 이 때 proton wiring이란 proton과 상호작용하는 amino acid들과의 연속적인 relay 반응 하에서 proton이 조금씩 위로 전달된 결과 막을 통과하게 되는 현상을 의미함.

 

 

 

 

complex I에 의한 전자전달 반응의 결과는 위와 같음. 이 때 proton wiring에 의해 전달되는 4개의 proton 이외에, NADH의 H, 그리고 함께 딸려오는 추가적인 1개의 proton이 2개의 전자와 함께 Q로 전달된 결과 QH2가 되는 것임.

 

 

 

complex II (succinate dehydrogenase)

 

다음으로 complex II에 대해 살펴보자.

 

 

 

 

complex II는 사실 앞서 살펴봤던 위 반응에서 효소로 작용하는 succinate dehydrogenase와 동일한 녀석임. 이 때 complex II 내에 covalent하게 결합하고 있는 FADH가 결국 Q로 전자를 전달하게 되는 것임.

 

 

 

 

 

complex II의 구조는 위와 같음. 이녀석은 위 그림에도 나타나 있는 것처럼 A, B, C, D의 4개 subunit으로 구성되어 있으며, 내부에 FAD, Fe-S를 포함한 5개의 prosthetic group이 포함되어 있음. 보면 FAD에 전달된 전자는 여러개의 Fe-S center를 거쳐 전달되고, 그 결과 subunit C에 있는 ubiquinone에 전달되게 됨. 이 때 subunit C, D는 integral membrane protein의 일종이며 heme a, heme b, ubiquinone binding site 등을 가지고 있음. 한편 subunit A, B의 경우 matrix 부분으로 extend되어있으며 3개의 Fe-S center와 FAD를 가지고 있으며 substrate인 succinate와 binding할 수 있는 site도 가지고 있음.

 

 

 

complex III (cytochrome c oxidoreductase)

 

 

다음으로 complex III에 대해 알아보자. complex III를 통해서는 QH2로부터 전달된 2개의 전자를 2분자의 cytochrome c로 각각 하나씩 운반하는 일이 일어나게 됨. 이 complex 내에는 iron-sulfur cluster들, cytochrome b, cytochrome c들이 포함되어 있음. 이 때 전자 전달과정에서 일어나는 cycle이 바로 Q cycle이며, 이 cycle의 결과 electron은 2분자의 cytochrome c에 전달되고, 그 과정에서 4분자의 proton이 intermembrane space로 전달됨.

 

 

 

 

위 그림은 complex III의 모습을 나타내 보여주고 있음.

 

 

앞서 Q cycle에 대해 말했었음. Q cycle 동안은 QH2 2개로부터 4개의 proton이 전달된 뒤 IMS로 빠져나가게 됨.

 

 

 

위 그림에 Q cycle의 모식도가 나타나 있음. 하나하나 살펴보자. 보면 우선 QH2 한 분자가 와서 2개의 전자 중 하나를 2Fe-2S에 전달하고, 이것이 cytochrome c로 전달되게 됨. 이렇게 전자를 전달받은 cytochrome c는 diffuse out됨. 한편 이 과정에서 나오는 2개의 proton도 IMS로 release되게 됨. 그리고 한 개의 전자는 cytochrome b 내의 Heme bL, Heme bH를 거쳐 최종적으로 oxidized form의 Q로 전달되게 되고 그 결과 half-reduction된 ·Q-가 만들어지게 됨.

 

 

이후 또 다른 QH_2가 들어오게 되고, 이 녀석의 경우 앞서와 같이 하나의 전자는 cytochrome c로, proton 2개는 외부로 release되게 됨. 한편 또 하나의 전자는 Heme bL, Heme bH를 거쳐 ·Q-로 전달되고, 동시에 proton 2개가 uptake되면서 QH2가 regeneration됨. 이것이 Q cycle의 한바퀴에 해당함. 이 과정에서 최종적으로 2개의 cytochrome c가 하나씩의 electron을 전달받았고 총 4개의 proton이 IMS로 release되었음.

 

 

 

 

 

이제 다음으로 cytochrome c에 대해 조금 더 알아보자. cytochrome c도 ubiquinone과 비슷하게 mobile한 electron carrier로 작용함(즉, complex 사이사이에서 electron을 shuttling해주는 역할을 함). 다만 ubiquinone은 hydrophobic해서 membrane 내에서 mobile하게 움직였다면, cytochrome c는 soluble한 heme-containing protein이어서 intermembrane space를 mobile하게 움직여다님. (일종의 peripheral protein처럼 이동하는 것)

 

 

 

위 그림이 cytochrome c의 구조를 보여주고 있으므로 참고할 것. 이 때 내부의 Fe는 전자를 잃어서 ferrous, 즉 Fe3+의 형태로 존재할수도 있고 전자를 얻어서 ferric, 즉 Fe2+의 형태로 존재할수도 있음. 앞서 Q cycle에서 봤던것처럼 cytochrome c는 cytochrome bc1(b+c1)으로부터 전자를 전달받아서 cytochrome oxidase로 전달해주는 carrier로 역할을 하게 됨.

 

 

 

 

cytochrome c는 위와 같은 흡광도를 가진다는 것을 앞서 봤었음. 보면 위와 같이 400nm 파장대, 즉 blue light을 absorb하게 되고 그 결과 cytochrome c는 intense한 red color를 가지게 됨. 한편 cytochrome의 경우 뒤에 숫자가 붙는 경우가 많은데, 이 숫자는 cytochrome이 흡수하는 가장 긴 파장대의 peak, 즉 α peak의 파장에 따라 부여되게 됨.

 

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.