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273: 호흡 초복합체 (Respiratory Supercomplex)
세포 내에서는 단백질이 조합되어 큰 기능 복합체가 형성되어 있는지 여부에 대해 연구자들은 수십 년 전부터 계속 생각해 왔다. 그중 몇 가지, 예를 들어 해당계 효소(glycolytic enzyme)가 모두 모인 가상의 집합체 글리코솜(glycosome)과 같은 것은 아직까지 발견되지 않았다. 한편 8개의 아미노아실 전이 RNA 합성효소(aminoacyl-tRNA synthetase)를 포함한 멀티 합성 복합체(multi synthetase complex)나 광합성 반응 중심과 안테나 단백질(photosynthetic reaction centers and antenna protein)이 모인 거대 초복합체 등 많은 복합체가 확인되었다. 그리고 최근 호흡 초복합체(respiratory supercomplex)가 이 그룹에 추가되었다. '레스피라솜'(respirasome, PDB 엔트리 5xth)은 3종의 막결합형 전자전달계 복합체(복합체I (complex I), 이합체 III(complex III), 복합체 IV(complex IV))로 구성되어 있다. 미토콘드리아 내에서 구연산 회로(citric acid cycle)의 과정에서 생성되어 운반 분자 NADH에 의해 운반되는 전자를 받아 그것을 사용하여 ATP 합성효소(ATP synthase)를 움직이기 위한 전기화학적 기울기를 만들어 내고 있다. 이하에 기술한 바와 같이 다른 호흡기계 초복합체도 이것과 관련된 일을 해내고 있다.
왜 구성원들이 모일까?
이들 분자기계가 왜 초복합체로 모이는지에 대해서는 아직 모르는 부분이 있다. 가장 알기 쉬운 이점은 3개를 가까이 두면 3개 사이에서 전자(電子)를 운반하는 작은 분자 유비퀴논(ubiquinone)과 시트크롬c(cytochrome c)가 멀리 갈 필요가 없어진다는 것이다. 그러나 이 같은 기질의 이동 경로는 그동안 실험에서 쉽게 관찰되지 않았다. 산소를 전자의 최종 저장 장소로 이용할 때 위험한 부산물로 반응성 산소가 생기는데 흥미롭게도 이 초복합체는 그 반응성 산소의 생산을 억제하는 것으로 나타났다.
미토콘드리아의 진화
레스피라솜 안에 있는 3개의 복합체를 더 자세히 살펴보면 진핵세포의 초기 진화를 포착할 수 있다. 이 복합체들은 수십 개의 서브유닛으로 구성되어 있으며, 그중 일부는 미토콘드리아 내에 있는 작은 DNA 게놈으로 코딩되어 있다. 미토콘드리아 게놈은 진핵세포의 형성 초기, 공생세포가 다른 세포 안에 정착했을 때까지 거슬러 올라가는 것으로 여겨지므로 레스피라솜을 살펴보면 복합체의 가장 초기 형태가 어떤 것이었는지 알 수 있을지도 모른다. 이 생각은 미토콘드리아에서 유래한 복합체를 세균이 가진 유사 단백질과 비교해도 뒷받침된다. 어느 쪽 단백질도 모두 '중심 부분'의 단백질 서브유닛(코어 서브유닛)은 모두 공통적이며, 거기에 '추가적인' 서브유닛에 의한 장식이 더해짐으로써 각각의 세포 타입에 맞춘 기능의 커스터마이즈가 이루어지고 있다. 상상한 대로 미토콘드리아에 코딩된 서브유닛은 모두 코어 서브유닛으로도 되어 있다.
복합체의 복잡성
미토콘드리아 내에서 호흡 복합체는 다양한 상태로 존재하고 있으며, 각각의 복합체가 뿔뿔이 존재하기도 하고, 여러 복합체가 모인 초복합체로 존재하기도 한다. 여기에 나타낸 초복합체는 복합체 III와 복합체 IV로만 구성되어 있으며, 작은 단백질 SCAF1(PDB ID 7o37)에 의해 접착되어 있다. 초복합체가 발견된 이후 이 초복합체는 복합체 III가 유비퀴논을 보다 쉽게 이용할 수 있도록 한다는 가설을 세우고 있다. 덧붙여 이 유비퀴논은 호흡 복합체 II(여기에 나타낸 것은 PDB 엔트리 1zoy)에 의해서 생성되는 것이다. 복합체 II(코하크산 탈수소효소 succinate dehydrogenase)는 구연산 회로의 일부로서 작용하지만 전자 수송계에 전자를 전달하는 기능도 가지고 있다.
구조 보기
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저온전자현미경의 해상도가 혁명적으로 향상됨에 따라 이처럼 거대한 초복합체를 상세하게 볼 수 있게 되었다. 여기에서는 4가지 다른 착색법을 이용하여 레스피라솜의 다양한 기능적 특징을 밝히고 있다. 첫 번째 그림은 복합체를 소수도로 색상을 구분한 것으로 탄소가 많은 아미노산의 띠(노란색)가 있음을 알 수 있다. 이 부분에 의해 복합체는 미토콘드리아 막에 국소화되어 있다. 또 다른 그림은 많은 보조 인자를 나타내고 있다. 이 보조 인자가 복합체를 통해 전자를 운반하고 최종적으로는 산소 분자까지 운반해 나간다. 아래 2개는 미토콘드리아에 코딩된 서브유닛과 각 복합체의 중심구조를 만들고 있는 코어 서브유닛을 나타내고 있다. 그림 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브 조작이 가능한 이미지로 전환한 후 이 구조를 보다 자세히 살펴보기 바란다.
이해를 높이기 위한 토픽
참고문헌
- 2022 The assembly, regulation and function of the mitochondrial respiratory chain. Nat Rev Mol Cell Biol 23 141-161 DOI:10.1038/s41580-021-00415-0
- 7o37 2021 Structure and assembly of the mammalian mitochondrial supercomplex CIII2CIV. Nature 598 364-367 DOI:10.1038/s41586-021-03927-z
- 5xth 2017 Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2. Cell 170 1247-1257.e12 DOI:10.1016/j.cell.2017.07.050
- 1zoy 2005 Crystal Structure of Mitochondrial Respiratory Membrane Protein Complex II. Cell 121 1043-1057 DOI:10.1016/j.cell.2005.05.025