아데닌 뉴클레오타이드 트랜스로케이터

1. 개요

아데닌 뉴클레오타이드 트랜스로케이터(ANT)는 미토콘드리아 내막에 위치한 단백질로, 아데노신 이인산(ADP)과 아데노신 삼인산(ATP)을 세포질과 미토콘드리아 기질 사이에서 교환하는 역할을 한다. 인간에게는 세 가지 동질체(SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6)가 존재하며, ADP/ATP 트랜스로케이터 1이 주요 형태이다. ANT는 ADP와 ATP를 1:1 비율로 수송하며, 수송 방향은 기질 농도, 킬레이터, 막 전위에 의해 결정된다. ANT는 산화적 인산화에서 합성된 ATP를 세포질로 수송하여 에너지 대사에 중요한 역할을 하며, 미토콘드리아 투과성 전이공의 조절에도 관여한다. 기능 장애는 미토콘드리아 근육병증 및 진행성 외안 안근마비와 같은 질병을 유발할 수 있으며, 아트락틸로사이드, 카르복시아트락틸로사이드, 봉크레크산 등의 억제제에 의해 조절된다. 1955년 아데닌 뉴클레오타이드의 세포 내 분포가 밝혀진 이후, ADP/ATP 트랜스로케이스의 역할과 구조에 대한 연구가 진행되었다.

2. 종류

3. 구조

ANT는 오랫동안 호모다이머로 기능하는 것으로 생각되었지만, 전자 결정학으로 해결된 효모 Aac3p의 투영 구조에 의해 이 개념에 이의가 제기되었다. 이 단백질은 3배 대칭이며 단량체이고, 기질의 이동 경로는 중심을 통과한다. 소의 ANT 원자 구조는 이 개념을 확인했고, 미토콘드리아 운반체의 첫 번째 구조적 접힘을 제공했다. 추가 연구를 통해 ANT가 세제에서 단량체이고 미토콘드리아 막에서 단량체로 기능한다는 것이 밝혀졌다.

ADP/ATP 트랜스로케이스 1은 인간 세포에서 주요 AAC이며 이 계열의 전형적인 단백질이다. 약 30 kDa의 질량을 가지며 297개의 잔기로 구성되어 있다. 6개의 막횡단 α-나선을 형성하여 외부에서 접근 가능한 깊은 원뿔형 함몰을 형성하며, 여기서 기질이 결합한다. 대부분의 아이소폼에서 보존된 결합 포켓은 주로 ATP 또는 ADP에 강하게 결합할 수 있게 해주는 염기성 잔기로 구성되어 있으며, 최대 지름은 20Å이고 깊이는 30Å이다. 아르기닌 잔기 96, 204, 252, 253 및 294, 그리고 라이신 38이 수송체 활성에 필수적인 것으로 나타났다.

4. 기능

ANT는 산화적 인산화 과정을 통해 합성된 ATP를 세포질로 운반하고, ADP는 미토콘드리아 기질로 다시 운반하여 ATP로 재합성될 수 있도록 돕는다. 인간은 매일 자신의 체중과 맞먹는 양의 ATP를 교환하며, 이 과정에서 ADP/ATP 트랜스로케이터는 핵심적인 수송 단백질 역할을 한다.

ANT는 아데노신 이인산(ADP)과 아데노신 삼인산(ATP)의 유리 형태를 1:1 비율로 교환한다. 이 수송 과정은 가역적이며, 방향은 기질 농도, 아데닌 뉴클레오타이드 킬레이터, 미토콘드리아 막 전위 등에 의해 결정된다. ANT는 F0-F1 ATP 합성 효소와 반드시 같은 방향으로 작동하지는 않는다.

ANT는 내부 미토콘드리아 막을 경계로 ADP와 ATP를 교환하는 기능 외에도, 고유한 탈결합 활성을 갖는다.

또한 ANT는 미토콘드리아 투과성 전이공(mitochondrial permeability transition pore)의 조절 및 구조적 구성 요소로 작용할 수 있다는 연구 결과가 있다.

4.1. 작동 메커니즘

ANT는 반대 수송체로서, ADP와 ATP의 수송을 결합하여 두 분자가 미토콘드리아 내막을 통과하도록 한다. ANT의 오목한 부분은 막의 기질 측과 세포질 측을 교대로 마주하며, ADP와 ATP 결합에 따라 역전(inversion)을 유도하여 기질을 수송한다. ADP/ATP 교환은 에너지 소비가 많으며, 세포 호흡에 의한 전자 전달에서 발생하는 에너지의 약 25%가 이 과정에 사용된다.

정상적인 조건에서 ATP와 ADP는 높은 음전하로 인해 미토콘드리아 내막을 통과할 수 없지만, 반대 수송체인 ADP/ATP 트랜스로케이터는 두 분자의 수송을 결합한다. 세포질에서 유입된 막 사이 공간의 ADP는 트랜스로케이터에 결합하여 역전을 유도하고, 그 결과 ADP가 기질로 방출된다. 기질에서 ATP의 결합은 역전을 유도하고, ATP가 막 사이 공간으로 방출되어 이후 세포질로 확산되며, 동시에 트랜스로케이터를 원래의 형태로 되돌린다. ATP와 ADP는 트랜스로케이터가 인식하는 유일한 자연 발생 뉴클레오타이드이다.

순 과정은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:ADP³⁻_세포질 + ATP⁴⁻_기질 → ADP³⁻_기질 + ATP⁴⁻_세포질

트랜스로케이터는 세포질 상태와 기질 상태라는 두 가지 상태를 오가며 교대로 이 구획에 열린다.

5. 이상

희귀하지만 심각한 질병인 미토콘드리아 근육병증은 기능 장애가 있는 인간 ADP/ATP 트랜스로케이터와 관련이 있다. 미토콘드리아 근육병증(MM)은 골격근에서 주요 미토콘드리아 구조적 이상이라는 공통적인 특징을 공유하는 임상적, 생화학적으로 이질적인 질환군을 지칭한다. MM의 주요 형태학적 특징은 비정상적인 미토콘드리아의 주변 및 근섬유간 축적이 포함된 붉고 낡은 섬유이다. 특히, 우성 유전 진행성 외안 안근마비 (adPEO)는 기능 장애가 있는 ADP/ATP 트랜스로케이터와 관련된 흔한 질환이며, 안구 운동을 담당하는 근육의 마비를 유발할 수 있다. 일반적인 증상은 눈에 국한되지 않으며 운동 불내성, 근육 약화, 청력 결손 등을 포함할 수 있다. adPEO는 멘델 유전 패턴을 보이지만 대규모 미토콘드리아 DNA (mtDNA) 결손을 특징으로 한다. mtDNA는 인트론, 즉 DNA의 비암호화 영역을 거의 포함하지 않아 유해한 돌연변이가 발생할 가능성이 높아진다. 따라서 ADP/ATP 트랜스로케이터 mtDNA의 모든 변형은 기능 장애가 있는 수송체를 유발할 수 있으며, 특히 트랜스로케이터 효율을 손상시키는 결합 포켓과 관련된 잔기이다. MM은 일반적으로 기능 장애가 있는 ADP/ATP 트랜스로케이터와 관련이 있지만, MM은 다양한 미토콘드리아 이상을 통해 유도될 수 있다.

6. 억제

ADP/ATP 전위 효소는 두 종류의 화합물에 의해 매우 특이적으로 억제된다. 첫 번째 종류에는 아트락틸로사이드(ATR)와 카르복시아트락틸로사이드(CATR)가 포함되며, 세포질 쪽에서 ADP/ATP 전위 효소에 결합하여 세포질 쪽이 열린 형태로 고정시킨다. 반대로 두 번째 종류에는 봉크레크산(BA)과 아이소봉크레크산(isoBA)이 포함되며, 기질 쪽에서 전위 효소에 결합하여 기질 쪽이 열린 형태로 고정시킨다. 억제제의 음전하 그룹은 결합 포켓 깊숙한 곳의 양전하 잔기에 강하게 결합한다. 나노몰 범위의 높은 친화도(K_d)는 각 억제제가 세포 호흡/에너지 전달을 방해하여 치명적인 독으로 작용하게 한다. 카르복시아트락틸로사이드에 의해 세포질 상태로 고정된 전위 효소 또는 봉크레크산에 의해 기질 상태로 고정된 전위 효소의 구조가 존재한다.

7. 역사

1955년, 시에케비츠(Siekevitz)와 포터(Potter)는 아데닌 뉴클레오타이드가 세포 내 미토콘드리아와 세포질 구획에 위치한 두 개의 풀에 분포되어 있음을 밝혀냈다. 그 직후, 프레스만(Pressman)은 두 풀이 뉴클레오타이드를 교환할 수 있다고 가설을 세웠다. 그러나, ADP/ATP 수송체의 존재는 1964년 브루니(Bruni) 등이 쥐 간 미토콘드리아의 에너지 전달 시스템(산화적 인산화)과 ADP 결합 부위에 아트라틸로시드의 억제 효과를 밝혀내기 전까지는 제기되지 않았다.

이후, ADP/ATP 트랜스로케이스와 에너지 수송 사이의 존재를 증명하고 그 연관성을 밝히는 연구가 쇄도했다. ADP/ATP 트랜스로케이스의 cDNA는 1982년 소에서, 1986년 효모 종 사카로마이세스 세레비시에(Saccharomyces cerevisiae)에서 염기서열이 밝혀졌고, 1989년 바티니(Battini) 등이 인간 수송체의 cDNA 클론을 염기서열 분석했다. 인간과 효모 ADP/ATP 트랜스로케이스 사이의 코딩 서열 상동성은 47%였으며, 소와 인간 서열은 297개 잔기 중 266개, 즉 89.6%가 일치했다. 두 경우 모두, 가장 보존된 잔기는 ADP/ATP 기질 결합 포켓에 위치한다.