복합체 I

1. 개요2. 호흡에서의 복합체 I3. 구조4. 여담

1. 개요

Complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase)

생명체가 에너지를 얻기 위해 섭취한 음식을 분해하고, 그 과정에서 얻어낸 고에너지 전자가 연쇄적인 산화-환원 반응을 거치며 이동하는 전자전달계 (electron transport chain)의 첫번째 촉매 작용을 담당하는 효소이다.

2. 호흡에서의 복합체 I

생명체는 소화로 얻은 영양분을 산화 시켜 에너지를 얻는다. 이러한 산화 과정에서 필요한 산소는 유산소 호흡을 통해 얻게 된다. 흡수한 영양분과 산소는 세포 속 미토콘드리아의 전자전달계에서 복잡한 과정들을 거치며 에너지원인 ATP를 만드는데 쓰인다.

생명체가 섭취한 포도당은 해당 (Glycolysis) 과정을 거쳐 피루브산, NADH, 그리고 ATP로 변환이 된다. 이렇게 만들어진 피루브산은 세포 내의 미토콘드리아로 이동해 TCA 회로를 거쳐 NADH, FADH 그리고 ATP로 변환이 된다. 여기서 얻은 NADH와 FADH는 산화적 인산화를 위해 전자 전달계를 거쳐 호흡에서 얻은 산소와 함께 더 많은 ATP를 만드는데 쓰인다. 무산소 호흡의 경우 산소의 부족으로 인해 산화적 인산화는 일어나지 않으며, 훨씬 적은 양의 ATP가 생성된다. 해당 과정과 TCA 회로는 다음과 같은 화학식을 가진다.
C6H12O6 → 2C3H4O3 + 2NADH2 + 2ATP
C3H4O3 → 3CO2 + 4NADH2 + FADH2 + ATP

위 과정속에서 얻은 NADH는 미토콘드리아의 막단백질인 복합체 I으로 이동해 산화되어 NAD+가 되며, 여기서 내어준 전자를 복합체 I은 퀴논을 환원 시키는데 사용한다. 따라서 복합체 I은 i) NADH를 산화 시키고, 이 과정에서 얻은 전자를 사용해 ii) 퀴논 (quionone)을 퀴놀 (quinol)로 환원 시키는 두개의 촉매 활동을 한다.

이러한 산화 과정이 왜 일어나는지에 대한 답은 전자전달계에 대한 이해를 필요로 한다. 간단히 설명하자면 전자전달계는 전자를 이동시킴으로써 양성자를 미토콘드리아의 기질 (Mitochondrial matrix)에서 막간 공간 (Intermembrane space)로 퍼내고, 이는 기질과 막간 공간 사이의 양성자 기울기 (proton gradient)의 생성으로 이어진다. 이렇게 복합체들로부터 생성된 양성자 기울기, 즉 양성자 동력 (proton motive force)는 복합체 V (ATP 생성효소)가 ATP를 생산하는데 쓰이게 된다. 즉, 복합체 I에서 일어나는 산화-환원 과정은, 4개의 양성자를 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 퍼내기 위한 과정이다.

요약하자면 복합체 I은 전자전달계에서 NADH의 산화, 퀴논의 환원 그리고 4개의 양성자를 미토콘드리아 막간 공간으로 퍼냄으로써, ATP 생산을 위한 양성자 기울기를 설립하는 역할을 하는 미토콘드리아의 막단백질이다.

3. 구조

[출처]
복합체 I은 미토콘드리아의 호흡 복합체들중 가장 큰 크기를 가지고 있는 효소이다. 포유류의 경우 45개의 서브 유닛을 가지고 있지만, 이 중 효소의 촉매 작용에 관여하는 서브 유닛은 14개이며, 이는 호흡을 하는 모든 생명체들이 동일하게 지닌다.

복합체 I는 L자 모양을 갖고 있으며, 크게 미토콘드리아의 내막 (inner membrane)을 관통하는 membrane arm과 기질에 있는 peripheral arm으로 분류 된다.

기질쪽에 있는 peripheral arm [2]은 NADH를 NAD+로 산화 시키는 역할을 한다. 이 과정에서 뽑아낸 두개의 전자는 peripheral arm에 있는 7개의 철-황 클러스터 (FeS cluster)를타고 내려가 peripheral arm과 membrane arm의 사이에 있는 퀴논 결합 부위에 있는 퀴논에게 전달되고, 이는 퀴논의 환원으로 이어진다.
이렇게 생성된 퀴놀은, 복합체 III으로 이동해 Q cycle을 거쳐 다시 퀴논으로 산화 되고 동시에 cytochrome을 환원 시킨다. 이 과정에서 또한 양성자 4개가 미토콘드리아의 막간 공간으로 퍼내진다. [3]

미토콘드리아의 내막을 관통하는 membrane arm [4]은 양성자 펌핑을 담당하며, antiporter subunit이라고 불리는 Nqo12, Nqo13, Nqo14와 E channel로 구성된다[5]. Antiporter는 각각 한개의 양성자를 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 퍼낸다. [6]

4. 여담

복합체 I의 작용 기전은 2013년에 처음으로 결정 구조가 밝혀지면서 관심을 받기 시작했다. 하지만 여타 호흡 복합체들과 다르게 복합체 I은 밝혀진게 많이 없으며 현재까지도 과학자들의 의견 충돌이 일어나는 부분들이 존재한다. 특히, 복합체 I의 산화-환원 반응이 어떻게 양성자 4개의 펌프로 이어지는지에 대해서는 명확히 밝혀진게 없으며, 양성자 펌프가 정전기적 상호 작용 (electrostatic interaction)에만 의한 것인지, 혹은 산화-환원과정에 따른 membrane arm에서의 구조적 변화도 관련이 있는것인지에 대한 논란이 있다.

과학 기술의 발전으로로 단백질 구조 관찰을 위한 극저온 전자 현미경이 발달하면서 막단백질을 더 쉽게 높은 해상도로 관찰 할 수 있게 되었고, 복합체 I의 구조와 기전 또한, 더 명확하게 관찰이 가능해졌다.

흥미롭게도 최근 출간된 논문에서 각각의 antiporter가 양성자를 한개씩 퍼내는 것이 아닌 하나의 antiporter가 4개의 양성자를 퍼내는 것일 수도 있다는 의견이 제기되었다. [참고문허]

[출처] Gutiérrez-Fernández, J., Kaszuba, K., Minhas, G.S., Baradaran, R., Tambalo, M., Gallagher, D.T. and Sazanov, L.A. (2020). Key role of quinone in the mechanism of respiratory complex I. Nature Communications, 11(1). [2] 사진에서 오른쪽 위 [3] 간단한 과정은 아니지만 이 문서에서는 생략한다 [4] 사진의 아랫부분 [5] 이는 박테리아 subunit 분류법이며 포유류 복합체 I의 경우 다른 이름으로 불린다. [6] 이런게 정설이었지만 최근에 Nqo12가 양성자 4개를 퍼내고 나머지 antiporter는 양성자의 펌핑과는 관련이 없다는 논문이 발표 되었다. 하지만 논란이 있는 부분이다 [참고문허] Kampjut, D. and Sazanov, L.A. (2020). The coupling mechanism of mammalian respiratory complex I. Science, 370(6516).