맨위로가기

Q 회로

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

Q 회로는 복합체 III에서 일어나는 일련의 산화-환원 반응으로, 사이토크롬 c의 환원, 유비퀴놀의 유비퀴논으로의 산화, 그리고 막 사이 공간으로의 양성자 이동을 통해 에너지를 생성한다. 유비퀴놀은 복합체 III의 Qo 부위에 결합하여 철-황 단백질과 헴을 통해 분기적으로 산화되며, 전자는 사이토크롬 c1, 사이토크롬 c로 전달된다. 동시에, 다른 전자는 Qi 부위의 유비퀴논을 세미퀴논 라디칼로 환원시킨다. Q 회로의 두 번째 주기를 통해 세미퀴논은 유비퀴놀로 환원되며, 최종적으로 4개의 양성자가 막 사이 공간으로 이동하고 사이토크롬 c가 재산화된다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 세포 호흡 - 유비퀴논
    유비퀴논(CoQ10)은 미토콘드리아 전자 전달계의 주요 구성 요소인 지용성 유기 화합물로, 세포 호흡과 에너지 생산에 필수적이며 항산화 작용을 통해 세포를 보호하고 면역 반응에도 관여한다.
  • 세포 호흡 - 광합성
    광합성은 생물이 빛에너지를 이용하여 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하고 산소를 방출하는 과정으로, 엽록체 내 틸라코이드 막에서 일어나는 명반응과 스트로마에서 일어나는 암반응으로 구성되며, 환경에 따라 탄소 농축 메커니즘을 통해 효율을 높이기도 하고, 지구 대기의 산소를 생성하는 주요 원천이다.
  • 물질대사 - 아라키드산
    아라키드산은 탄소 20개로 이루어진 포화 지방산으로, 땅콩 기름과 같은 식물성 기름에 많이 함유되어 있으며, 인체 내에서 세포막 구성, 신호 전달 물질의 전구체, 에이코사노이드 합성에 관여하고, 제약 산업에서 프로스타글란딘의 전구체로 사용되는 경제적 가치가 높은 물질이다.
  • 물질대사 - 카프릴산
    카프릴산은 8개의 탄소로 이루어진 포화 지방산으로, 식품, 향료, 소독제 등 다양한 산업에 사용되며, 식욕 촉진, 항균 작용, 간질 치료 등 의학적 용도로도 연구된다.
Q 회로
Q 회로
간단한 Q 회로의 예시
간단한 Q 회로의 예시
개요
유형양자 회로
분야양자 컴퓨팅
발명로버트 섀덜, 도미니크 W. 베리, 제이콥 케이팅, 2006년
특징
특징양자 회로의 도표 표현을 위한 프로그래밍 언어

2. 과정

복합체 III에서 일어나는 Q 회로는 전자 전달계에서 전자 전달과 양성자 펌핑을 연결하는 핵심적인 생화학적 과정이다. 이 회로는 두 번의 순환(cycle)을 통해 작동하며, 전체적으로 유비퀴놀(QH2) 한 분자를 산화시키고 유비퀴논(Q) 한 분자를 환원(재생성)시키면서, 두 분자의 사이토크롬 c를 환원시키고 총 4개의 양성자(H+)를 미토콘드리아 기질에서 막 사이 공간으로 이동시키는 결과를 가져온다.

각 순환은 유비퀴놀(QH2)이 복합체 III의 Qo 부위에 결합하여 산화되면서 시작된다. 이때 방출된 두 개의 전자는 서로 다른 경로를 따른다.



첫 번째 순환이 끝나면 Qi 부위의 유비퀴논은 전자 하나를 받아 불안정한 세미퀴논 라디칼 상태가 된다.[6][3] 따라서 Q 회로가 완전히 완료되기 위해서는 두 번째 순환이 필요하다. 두 번째 순환에서도 유사한 전자 전달 과정이 일어나 또 다른 사이토크롬 c 분자가 환원되고, Qi 부위의 세미퀴논 라디칼이 두 번째 전자를 받아 미토콘드리아 기질에서 두 개의 양성자를 소모하여 유비퀴놀(QH2)로 완전히 환원된다.

결론적으로, Q 회로의 두 순환을 통해 유비퀴놀의 산화 에너지를 이용하여 사이토크롬 c를 환원시키고, 양성자를 막 사이 공간으로 능동적으로 수송하여 화학삼투에 필요한 양성자 기울기를 형성하는 데 기여한다. Qi 부위에서 재생성된 유비퀴놀은 다시 Qo 부위에 결합하여 회로를 반복할 수 있기 때문에 이 과정은 순환적(cyclic)이다. 환원된 사이토크롬 c는 최종적으로 복합체 IV에서 산소에 의해 재산화된다.

2. 1. Qo 부위에서의 유비퀴놀 산화

유비퀴놀(QH2)은 리에스케 철-황 단백질의 His182 및 사이토크롬 b의 Glu272 잔기와의 수소 결합을 통해 복합체 III의 Qo 부위에 결합한다.[4][5] 동시에 다른 유비퀴논(Q) 분자는 복합체 III의 Qi 부위에 결합한다.

Qo 부위에 결합한 유비퀴놀은 두 경로로 나뉘어 산화되는데, 각각 하나의 전자를 리에스케 철-황 단백질과 ''b''L 헴에게 전달한다. 이 산화 반응은 일시적으로 세미퀴논 중간체를 형성한 후, 완전히 산화된 유비퀴논(Q)이 되며, 이 유비퀴논은 Qo 부위에서 떨어져 나간다.

유비퀴놀로부터 전자 하나를 받은 리에스케 철-황 단백질은 전자를 준 유비퀴놀로부터 분리되어 사이토크롬 c1 소단위체 쪽으로 이동할 수 있다. 이후 리에스케 철-황 단백질은 전자를 사이토크롬 c1에 전달하여 그 안에 있는 헴기를 환원시킨다.[4][5] 이 전자는 다시 복합체 III 외부에 결합되어 있던 산화된 사이토크롬 c 분자로 이동하고, 환원된 사이토크롬 c는 복합체 III로부터 해리되어 떨어져 나간다. 또한, 리에스케 철-황 단백질이 전자를 내어주고 다시 산화될 때, His181에 결합되어 있던 양성자(H+)가 막 사이 공간으로 방출된다.

한편, 유비퀴놀 산화 과정에서 ''b''L 헴으로 전달된 다른 전자는 ''b''H 헴을 환원시키는 데 사용된다. 환원된 ''b''H 헴은 다시 이 전자를 Qi 부위에 결합된 유비퀴논에게 전달한다. 이 전자 전달 과정은 전자가 미토콘드리아 기질 쪽에서 막 사이 공간 쪽, 즉 막의 음전하 쪽으로 이동하기 때문에 에너지 소모가 필요하다. 하지만 이는 ''b''L 헴(-100 mV)에서 ''b''H 헴(+50mV)으로의 유리한 막 전위(EM) 변화 덕분에 상쇄되어 진행될 수 있다. 결과적으로 Qi 부위의 유비퀴논은 전자를 받아 세미퀴논 라디칼 형태로 환원된다. 유비퀴놀이 산화될 때 방출된 양성자 중 하나는 Glu272에 의해 흡수되는데, 이 양성자는 Glu272가 170° 회전하면서 수소 결합으로 연결된 물 분자 사슬을 통해 ''b''L 헴의 프로피오네이트기로 전달된다.[6][3]

2. 2. Qi 부위에서의 유비퀴논 환원

복합체 III의 Qo 부위에서 유비퀴놀(QH2)이 산화될 때 방출된 전자 중 하나는 사이토크롬 b의 ''b''L 헴으로 전달된다. 이 전자는 다시 ''b''H 헴을 환원시키는 데 사용되며, 이는 차례로 Qi 부위에 결합된 유비퀴논(Q)으로 전자를 전달한다.[3] 이 전자의 이동은 막의 음전하 쪽으로 이동하기 때문에 에너지 측면에서 불리하지만, ''b''L 헴(-100 mV)에서 ''b''H 헴(+50mV)으로의 유리한 막 전위(EM) 변화에 의해 상쇄된다. 결과적으로 Qi 부위의 유비퀴논은 하나의 전자를 받아 세미퀴논 라디칼로 환원된다.[6]

Q 회로의 첫 번째 주기가 완료되면 Qi 부위에는 불안정한 세미퀴논이 남게 된다. 따라서 Q 회로의 두 번째 주기가 필요하다. 두 번째 주기에서는 Qo 부위에서 또 다른 유비퀴놀 분자가 산화되고, 여기서 나온 전자 중 하나가 다시 사이토크롬 b의 헴들을 거쳐 Qi 부위의 세미퀴논으로 전달된다. 이 두 번째 전자를 받음으로써 세미퀴논은 완전히 환원되어 유비퀴놀(QH2)이 된다. 이 과정에서 미토콘드리아 기질로부터 두 개의 양성자(H+)가 소모된다. Qi 부위에서 새로 생성된 유비퀴놀은 복합체 III에서 해리되어 다른 전자전달계 복합체에서 재사용될 수 있다.

2. 3. 전체 반응

복합체 III에서 일어나는 Q 회로의 전체 과정은 두 번의 순환을 통해 이루어진다. 이 과정의 결과로 유비퀴놀(QH₂) 한 분자가 유비퀴논(Q)으로 산화되고, 사이토크롬 c 두 분자가 환원되며, 총 4개의 양성자(H+)가 미토콘드리아 기질에서 막 사이 공간으로 이동한다.
첫 번째 순환:1. 결합 및 첫 산화: 유비퀴놀(QH₂)은 복합체 III의 Qo 부위에 결합한다. 이때 리에스케 철-황 단백질의 히스티딘(His182) 잔기와 사이토크롬 b의 글루탐산(Glu272) 잔기와 수소 결합을 형성한다. 동시에 다른 유비퀴논(Q) 분자는 Qi 부위에 결합한다.

2. 전자 분기: Qo 부위의 유비퀴놀은 두 개의 전자를 방출하며 산화된다. 하나의 전자는 리에스케 철-황 단백질로 이동하고, 다른 하나는 사이토크롬 b의 저전위 헴인 ''b''L 헴으로 이동한다. 이 과정에서 유비퀴놀은 일시적으로 세미퀴논 상태를 거쳐 완전히 산화된 유비퀴논으로 변하며, 이후 Qo 부위를 떠난다. 유비퀴놀에서 방출된 두 개의 양성자는 막 사이 공간으로 이동한다.

3. 첫 번째 전자 경로 (사이토크롬 c 환원): 리에스케 철-황 단백질로 전달된 전자는 사이토크롬 c₁ 소단위체로 이동하여 그곳의 헴기를 환원시킨다.[4][5] 이어서 전자는 복합체 III 외부에 결합된 산화 상태의 사이토크롬 c로 전달된다. 환원된 사이토크롬 c는 복합체 III에서 분리되어 복합체 IV로 이동한다. 또한, 리에스케 철-황 단백질이 다시 산화되면서 His181에 결합했던 양성자 하나를 막 사이 공간으로 방출한다.

4. 두 번째 전자 경로 (세미퀴논 생성): ''b''L 헴으로 전달된 전자는 같은 사이토크롬 b 내의 고전위 헴인 ''b''H 헴으로 이동한다. 이 전자는 다시 Qi 부위에 결합된 유비퀴논으로 전달되어, 유비퀴논을 세미퀴논 라디칼(Q•−) 상태로 환원시킨다. 전자가 막의 음전하 쪽(기질 쪽)으로 이동하는 것은 에너지적으로 불리하지만, ''b''L 헴(-100 mV)에서 ''b''H 헴(+50 mV)으로 이동하면서 발생하는 유리한 막 전위(EM) 변화가 이를 상쇄한다. 한편, 유비퀴놀 산화 과정에서 Glu272에 흡수되었던 양성자는 Glu272의 구조 변화(170° 회전)를 통해 수소 결합된 물 사슬을 거쳐 ''b''L 헴의 프로피오네이트기로 전달된다.[6]
두 번째 순환:첫 번째 순환 결과, Qi 부위에는 불안정한 세미퀴논 라디칼이 남아있으므로, Q 회로는 완전히 끝나지 않는다. 두 번째 순환이 필요하다.

1. 새로운 유비퀴놀 결합 및 산화: 새로운 유비퀴놀 분자가 Qo 부위에 결합하여 첫 번째 순환과 동일한 방식으로 산화된다. 하나의 전자는 리에스케 철-황 단백질을 거쳐 또 다른 사이토크롬 c 분자를 환원시키고, 다른 전자는 ''b''L 헴과 ''b''H 헴을 거쳐 Qi 부위로 이동한다. 이 과정에서 다시 두 개의 양성자가 막 사이 공간으로 방출된다.

2. 유비퀴놀 재생성: ''b''H 헴에서 전달된 두 번째 전자는 Qi 부위의 세미퀴논 라디칼(Q•−)을 완전히 환원시켜 유비퀴놀(QH₂)을 생성한다. 이 환원 과정에는 미토콘드리아 기질에서 두 개의 양성자가 소모된다.
전체 결과:Q 회로의 두 순환이 완료되면 다음과 같은 순 변화가 나타난다.

결과적으로 Q 회로는 유비퀴놀의 에너지를 이용하여 사이토크롬 c를 환원시키고, 양성자를 막 사이 공간으로 펌핑하여 양성자 기울기 형성에 기여한다. Qi 부위에서 재생성된 유비퀴놀은 다시 Qo 부위에 결합하여 회로를 반복할 수 있으므로 이 과정은 순환적이다. 환원된 사이토크롬 c는 복합체 IV에서 산소를 최종 전자 수용체로 사용하여 재산화된다.

참조

[1] 논문 Electron transfer by domain movement in cytochrome bc1
[2] 논문 Pathways for proton release during ubihydroquinone oxidation by the bc(1) complex
[3] 논문 Structure of the yeast cytochrome bc1 complex with a hydroxyquinone anion Qo site inhibitor bound
[4] 논문 Electron transfer by domain movement in cytochrome bc1
[5] 논문 Pathways for proton release during ubihydroquinone oxidation by the bc(1) complex
[6] 논문 Structure of the yeast cytochrome bc1 complex with a hydroxyquinone anion Qo site inhibitor bound


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com