유비퀴논:사이토크롬 c 산화환원효소

1. 개요

유비퀴논:사이토크롬 c 산화환원효소는 유비퀴놀:페리시토크롬 c 산화환원효소라고도 불리며, 전자 전달 연쇄의 복합체 III에 해당하는 효소이다. 이 효소는 조효소 Q (CoQ)의 산화와 함께 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 4개의 양성자를 펌핑하며, 시토크롬 c의 환원을 촉매한다. 복합체 III은 3개의 호흡 소단위체, 2개의 핵심 단백질, 6개의 저분자량 단백질로 구성되어 있다. 이 효소의 기능 저해제로는 안티마이신 A, 믹소티아졸, 스티그마텔린 등이 있으며, 살진균제 및 항말라리아제로도 사용된다. 복합체 III은 활성 산소를 생성하여 산화 스트레스를 유발하며, 관련 유전자 돌연변이는 운동 불내성, 시신경-중격 이형성증, 다계통 질환 등을 유발할 수 있다.

2. 명명법

이 효소 종류의 계통명은 유비퀴놀:페리시토크롬 c 산화환원효소이다. 일반적으로 사용되는 다른 이름은 다음과 같다.

3. 구조

전자 전달 연쇄에서 양성자를 펌핑하는 주요 소단위체는 다른 소단위체에 비해 상대적으로 적은 수의 소단위체로 구성될 수 있는데, 최소 3개의 폴리펩타이드 사슬로 구성될 수 있다. 고등 동물에서는 11개의 소단위체가 발견된다. 이 중 3개의 소단위체는 보결 분자단을 가진다. 사이토크롬 b 서브유닛은 두 개의 b형 헴(b_L 및 b_H)을, 사이토크롬 c 서브유닛은 하나의 c형 헴(c₁)을, Rieske 철-황 단백질 서브유닛(ISP)은 두 개의 철, 두 개의 황 철-황 클러스터(2Fe•2S)를 가지고 있다.

3.1. 복합체 III의 소단위체 구성 (척추동물 기준)

척추동물에서 bc₁ 복합체(복합체 III)는 11개의 소단위체로 구성되어 있다. 3개의 호흡 소단위체, 2개의 코어 단백질, 그리고 6개의 저분자량 단백질로 구성된다. 세균의 복합체는 3개의 소단위체만 포함할 수 있다.

3개의 소단위체는 각각 보결 분자단을 가진다. 사이토크롬 b 소단위체는 2개의 b-타입 헴(b_L과 b_H)을, 사이토크롬 c 소단위체는 1개의 c-타입 헴(c₁)을, 린스케 철-황 단백질 소단위체(ISP)는 2개의 철과 2개의 황으로 이루어진 철-황 클러스터(2Fe•2S)를 가진다.

3.1.1. 소단위체 구성표

* ^a 척추동물에서, Rieske 단백질의 N-말단에서 8 kDa의 절단 생성물(신호 펩타이드)이 소단위체 9로 복합체에 유지된다. 따라서 소단위체 10과 11은 곰팡이 QCR9p 및 QCR10p에 해당한다.

다른 주요 전자 전달계의 양성자 펌프에 비해 작으며, 3개의 폴리펩타이드 사슬로 구성된다. 고등 동물의 경우 11개의 서브유닛이 발견되기도 한다. 3개의 서브유닛은 각각 보결 분자단을 가진다. 사이토크롬 b 서브유닛은 2개의 b-타입 헴(b_L과 b_H)을, 사이토크롬 c 서브유닛은 1개의 c-타입 헴(c₁)을, 린스케 철-황 단백질 서브유닛(ISP)은 2개의 철과 2개의 황으로 이루어진 철-황 클러스터(2Fe•2S)를 가진다.

4. 반응

이 효소는 조효소 Q (CoQ)의 산화와 더불어 사이토크롬 c의 환원을 촉매하며, 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 4개의 양성자를 펌핑한다.

전체 반응식은 다음과 같다.

: QH₂ + 2 사이토크롬 c (Fe³⁺) + 2 H⁺_in → Q + 2 사이토크롬 c (Fe²⁺) + 4 H⁺_out

Q 사이클 과정에서 2개의 양성자는 기질(M)에서 소비되고, 4개의 양성자가 막간 공간(IM)으로 방출되며, 2개의 전자는 사이토크롬 c로 전달된다.

4.1. Q 사이클 (반응 메커니즘)

복합체 III의 반응 기작은 Q 사이클(유비퀴논 사이클)이라고 불린다. Q 사이클에서는 4개의 양성자가 막간 공간(P측)으로 방출되고, 기질(N측)에서 2개의 양성자가 흡수되어 양성자 기울기를 형성한다. 이 과정에서 2개의 유비퀴놀이 유비퀴논으로 산화되고, 1개의 유비퀴논이 유비퀴놀로 환원된다. 또한 2개의 전자가 2개의 사이토크롬 c 중간체를 통해 유비퀴놀에서 유비퀴논으로 전달된다.

4.1.1. 단계별 반응

복합체 III (사이토크롬 bc1, 조효소 Q: 사이토크롬 c 산화환원효소)의 반응 메커니즘은 유비퀴논 ("Q") 사이클이라고 불린다. 이 사이클에서 4개의 양성자가 양전하를 띠는 "P" 쪽(내막 공간)으로 방출되지만, 2개의 양성자만 음전하를 띠는 "N" 쪽(기질)에서 흡수된다. 그 결과 막 전체에 걸쳐 양성자 기울기가 형성된다. 전체 반응에서 2개의 유비퀴놀이 유비퀴논으로 산화되고 1개의 유비퀴논이 유비퀴놀로 환원된다. 완전한 메커니즘에서 두 개의 전자가 두 개의 사이토크롬 c 중간체를 통해 유비퀴놀에서 유비퀴논으로 전달된다.

전체 반응:
* 2 x QH₂가 Q로 산화됨
* 1 x Q가 QH₂로 환원됨
* 2 x Cyt c가 환원됨
* 4 x H⁺가 내막 공간으로 방출됨
* 2 x H⁺가 기질에서 흡수됨

반응은 다음 단계에 따라 진행된다.

1단계:
# 사이토크롬 b는 유비퀴놀과 유비퀴논을 결합한다.
# 2Fe/2S 중심과 B_L 헴은 각각 결합된 유비퀴놀에서 전자를 하나씩 빼앗아 두 개의 양성자를 내막 공간으로 방출한다.
# 하나의 전자는 2Fe/2S 중심에서 사이토크롬 c₁으로 전달되고, 다른 하나는 B_L 헴에서 B_H 헴으로 전달된다.
# 사이토크롬 c₁은 자신의 전자를 사이토크롬 c로 전달하고(사이토크롬 c1과 혼동하지 말 것), B_H 헴은 자신의 전자를 근처에 있는 유비퀴논으로 전달하여 유비세미퀴논을 형성한다.
# 사이토크롬 c가 확산된다. 첫 번째 유비퀴놀(이제 유비퀴논으로 산화됨)이 방출되고, 세미퀴논은 결합된 상태로 남아있다.

2단계:
# 두 번째 유비퀴놀이 사이토크롬 b에 결합된다.
# 2Fe/2S 중심과 B_L 헴은 각각 결합된 유비퀴놀에서 전자를 하나씩 빼앗아 두 개의 양성자를 내막 공간으로 방출한다.
# 하나의 전자는 2Fe/2S 중심에서 사이토크롬 c₁으로 전달되고, 다른 하나는 B_L 헴에서 B_H 헴으로 전달된다.
# 사이토크롬 c₁은 자신의 전자를 사이토크롬 c로 전달하고, 1단계에서 생성된 근처의 세미퀴논은 B_H 헴에서 두 번째 전자를, 기질에서 두 개의 양성자를 흡수한다.
# 두 번째 유비퀴놀(이제 유비퀴논으로 산화됨)과 새로 형성된 유비퀴놀이 방출된다.

상세 반응:

# 유비퀴논과 유비퀴놀이 시토크롬 b에 결합한다.
# 2Fe/2S 중심과 b_L 헴이 유비퀴놀로부터 각각 1개씩의 전자를 받아들여, 2개의 양성자가 막간 공간으로 방출된다 (유비퀴놀은 유비퀴논이 된다).
# 2Fe/2S 중심으로부터 1개의 전자가 시토크롬 c₁으로 전이되고, b_L 헴으로부터 1개의 전자가 b_H 헴으로 전이된다.
# 시토크롬 c₁으로부터 1개의 전자가 막에 결합하지 않은 수용성 시토크롬 c로 전이되고, b_H 헴으로부터 1개의 전자가 근처의 유비퀴논으로 전이된다 (유비퀴논은 1개의 양성자와 결합하여 유비세미퀴논이 된다).
# 시토크롬 c와 유비퀴논이 유리되고, 유비세미퀴논은 결합을 유지한다.
# 다른 유비퀴놀이 시토크롬 b에 결합한다.
# 2와 마찬가지로, 2Fe/2S 중심과 b_L 헴이 각각 유비퀴놀로부터 1개씩의 전자를 받아들여, 2개의 양성자가 막간 공간으로 방출된다 (유비퀴놀은 유비퀴논이 된다).
# 3과 마찬가지로, 2Fe/2S 중심으로부터 1개의 전자가 시토크롬 c ₁으로 전이되고, b_L 헴으로부터 1개의 전자가 b _H 헴으로 전이된다.
# 시토크롬 c₁으로부터 1개의 전자가 막에 결합하지 않은 수용성 시토크롬 c로 전이되고, b_H 헴으로부터 1개의 전자가 근처의 유비세미퀴논으로 전이된다 (유비세미퀴논은 1개의 양성자와 결합하여 유비퀴놀이 된다).
# 유비퀴논과 유비퀴놀이 유리된다.

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효소 반응은 조효소 Q(CoQ)의 참여에 의한 시토크롬 c의 반응과, 이에 부수하는 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로의 4개의 프로톤의 퍼올림으로 이루어진다.

: QH2\ + 2 시토크롬c (Fe^{3+})\ + 2H^+{}_{in} -> Q\ + 2시토크롬c\ (Fe^{2+})\ + 4H^+{}_{out}

이 과정은 Q 사이클이라고 불리며, 2개의 프로톤이 기질(M)에서 소비되고, 4개의 프로톤이 막간 공간(IM)으로 방출되며, 2개의 전자는 시토크롬 c에 전달된다.

5. 저해제

복합체 III 억제제에는 세 가지 뚜렷한 그룹이 있다.

* 안티마이신 A는 Q_i 부위에 결합하여 복합체 III에서 헴 b_H에서 산화된 Q로의 전자 전달을 억제한다(Qi 부위 억제제).
* 믹소티아졸과 스티그마텔린은 Q_o 부위에 결합하여 환원된 QH₂에서 리스케 철-황 단백질로의 전자 전달을 억제한다. 믹소티아졸과 스티그마텔린은 Q_o 부위 내의 서로 다르지만 겹치는 포켓에 결합한다.
* 믹소티아졸은 시토크롬 b_L에 더 가깝게 결합한다(따라서 "근위" 억제제라고 함).
* 스티그마텔린은 헴 b_L에서 더 멀리 떨어져 있으며 리스케 철-황 단백질에 더 가깝게 결합하며, 이 단백질과 강하게 상호 작용한다.

일부는 살진균제(스트로빌루린 유도체, 가장 잘 알려진 것은 아족시스트로빈; QoI 억제제) 및 항말라리아제(아토바쿠온)로 상업화되었다. 일부는 IRAC 그룹 20 살충제로 상업화되었다.

또한 프로필헥세드린은 시토크롬 c 환원효소를 억제한다.

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6. 활성 산소 생성

전자 전달 사슬에서 일부 전자는 복합체 IV에 도달하기 전에 유출된다. 산소로 전자가 새어나가면 슈퍼옥사이드가 형성된다. 슈퍼옥사이드를 비롯한 활성 산소 종은 독성이 강하며, 여러 병리학적 현상뿐만 아니라 노화 자유 라디칼 이론에서 언급되는 노화에도 관여하는 것으로 알려져 있다. 전자 누출은 주로 Q_o 부위에서 발생하며 안티마이신 A에 의해 촉진된다. 안티마이신 A는 Q_i 부위에서 재산화를 막아 b 헴을 환원 상태로 고정시킨다. 이는 Q_o 세미퀴논의 정상 상태 농도를 높여, 산소와 반응해 슈퍼옥사이드를 형성하게 한다. 높은 막 전위의 영향도 비슷한 효과를 내는 것으로 보인다. Q_o 부위에서 생성된 슈퍼옥사이드는 미토콘드리아 기질과 막간 공간으로 방출되며, 이후 세포질에 도달할 수 있다. 이는 복합체 III이 막 투과성 HOO 형태로 O가 아닌 형태로 슈퍼옥사이드를 생성할 수 있기 때문이다.

7. 관련 질병 (사람)

복합체 III 관련 유전자 돌연변이는 일반적으로 운동 불내성을 나타낸다. 다른 돌연변이는 시신경-중격 이형성증 및 다계통 질환을 유발하는 것으로 보고되었다. 그러나 복합체 III의 적절한 성숙을 담당하는 유전자 BCS1L의 돌연변이는 비에른스타드 증후군과 GRACILE 증후군을 유발할 수 있으며, 이는 신생아에게서 심각한 미토콘드리아 질환을 특징짓는 다계통 및 신경학적 증상을 보이는 치명적인 상태이다. 여러 돌연변이의 병원성은 효모와 같은 모델 시스템에서 확인되었다.