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Aug 06, 2023

H2O2는 이핵철을 선택적으로 손상시킵니다.

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7652(2023) 이 기사 인용

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NADH:유비퀴논 산화환원효소(호흡 복합체 I)는 전자 전달과 양성자 전위를 결합하여 세포 에너지 대사에 중요한 역할을 합니다. 전자 전달은 플라빈 모노뉴클레오티드와 일련의 철-황(Fe/S) 클러스터에 의해 촉매됩니다. 반응의 부산물로 환원된 플라빈은 활성산소종(ROS)을 생성합니다. 일반적으로 호흡 사슬에 의해 생성된 ROS는 복합체의 Fe/S 클러스터를 손상시킬 수 있다고 제안되었습니다. 여기서 우리는 이핵 Fe/S 클러스터 N1b가 H2O2에 의해 특별히 손상되지만 고농도에서만 손상된다는 것을 보여줍니다. 그러나 동일한 조건에서 복합체의 활동은 거의 영향을 받지 않습니다. 왜냐하면 N1b는 전자 이동 중에 쉽게 우회될 수 있기 때문입니다.

에너지 전환 NADH:유비퀴논 산화환원효소, 호흡 복합체 I은 NADH 산화 및 유비퀴논(Q) 환원을 막을 가로지르는 양성자의 전위와 결합함으로써 세포 생물에너지학에서 중요한 역할을 합니다1,2,3,4,5,6. 이는 전자 전달을 촉매하는 말초 팔과 양성자 전좌를 담당하는 막 팔로 구성됩니다. 두 개의 팔은 서로 거의 수직으로 배열되어 복합체의 L자형 구조를 형성합니다. 미토콘드리아 복합체 I은 에너지 전환 NADH:Q 산화환원효소를 함유한 모든 종에서 발견되는 14개의 핵심 하위 단위를 포함하여 45개의 하위 단위로 구성됩니다7,8. 복합체 I의 핵심 하위 단위의 3차원 구조는 박테리아에서 포유류까지 보존됩니다9,10. 대장균의 박테리아 복합체는 NuoA부터 NuoN까지 명명된 13개의 서로 다른 하위 단위로 구성되며, 그 중 2개는 단일 하위 단위 NuoCD11에 융합됩니다. 이들은 뉴오유전자에 의해 암호화되며 분자 질량을 합하면 약 530kDa12가 됩니다.

NADH는 1차 전자 수용체 플라빈 모노뉴클레오티드(FMN)로의 수소화물 전달에 의해 말초 팔 끝에서 산화됩니다. 여기에서 전자는 일련의 7개의 철-황(Fe/S) 클러스터를 통해 멤브레인을 향해 약 100Å의 거리에 걸쳐 이동하며, 여기서 Q는 환원되어 멤브레인의 하위 단위로 구성된 특정 결합 공동에서 양성자화됩니다. 말초 및 멤브레인 암1,2,3,4,5,6. AQ 종은 공동 내부의 고에너지에서 저에너지 결합 부위로 이동하여 막 암2,14,15,16에서 양성자 전위를 유도하는 정전기 및 형태 변화를 일으키는 것으로 생각됩니다. 막 암에는 전하를 띤 잔기의 중심축에 의해 서로 연결되고 Q 공동에 연결되는 4개의 추정 양성자 경로가 포함되어 있습니다. 공동 내 Q 종의 움직임은 양성자 전좌를 유발하는 멤브레인 암을 통해 앞뒤로 이동하는 '전기' 파동의 전파를 유도한다고 제안되었습니다. 또는 퀴논의 결합이 '개방' 상태에서 '폐쇄' 상태로 전환되는 것으로 제안되었습니다. 퀴논 환원은 막 팔에 양성자의 재분배를 가져오고, 이는 결국 NuoL10에서만 양성자가 세포질로 방출됩니다.

복합체 I에 의한 NADH 산화는 세포 스트레스에 기여하는 과산화물 및 과산화수소17,18,19,20와 같은 활성 산소종(ROS)의 생성과 관련이 있습니다. 복합체 I에 의해 생성된 ROS는 감소된 FMN17,18,19,20에서 발생한다는 것이 일반적으로 인정됩니다. 산화된 NADH의 약 0.1-2%가 시험관 내에서 ROS 생산을 유도합니다. ROS는 지질 과산화, 단백질 분해 및 DNA 산화와 같은 산화 손상에 기여할 뿐만 아니라 필수 산화환원 신호를 나타냅니다.

ROS 생성 FMN 보조 인자는 호흡 복합체 I의 Fe/S 클러스터 바로 근처에 위치합니다. 용매에 노출된 Fe/S 클러스터는 산화 손상을 받기 쉽다는 것이 잘 알려져 있습니다30,31. 다양한 유기체의 복합체 I 구조는 Fe/S 클러스터가 대부분 용매로부터 보호되므로 ROS7,8,9,10,32,33,34,35,36에 의한 분해로부터 보호되어야 함을 보여줍니다. 그럼에도 불구하고, 복합체 I과 호흡 사슬에 의한 향상된 ROS 생성은 일반적으로 복합체 I37의 Fe/S 클러스터에 손상을 줄 수 있다고 제안되었습니다. 여기서는 이 제안을 테스트하기 위해 E. coli 복합체 I을 사용했습니다. 미토콘드리아 복합체 I의 구조적 최소 형태를 나타냄으로써 E. coli의 복합체는 촉매 코어를 둘러싼 추가적인 보조 하위 단위가 부족합니다. 따라서 E. coli 복합체 I의 Fe/S 클러스터는 미토콘드리아 복합체 I의 동족체보다 산화 손상에 더 취약할 수 있습니다. E. coli 복합체 I은 주로 H2O238,39의 형태로 ROS를 생성하는 것으로 알려져 있으므로, 복합체 I 활성 및 Fe/S 클러스터 구성에 대한 H2O2의 영향을 분석했습니다. NADH 산화효소 활성을 억제하려면 밀리몰 H2O2 농도가 필요하다는 것이 밝혀졌습니다. 분리된 복합체의 NADH:데실-유비퀴논 활성은 1mM H2O2 존재 하에서 변하지 않은 채로 유지되지만, 우리는 EPR 분광학을 사용하여 1mM H2O2로 처리하면 NuoG 서브유닛의 Fe/S 클러스터 N1b가 선택적으로 손실된다는 것을 직접 입증합니다.