01 ● ● 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

논/단

서 론

고등생물의 주요 에너지 생산공장으로 알려진 미토콘드

리아는 발열과 칼슘의 저장은 물론 세포막 전위, 세포사멸,

칼슘신호, heme과 스테로이드 합성 등 생체의 모든 대사에

중추적인 역할을 맡고 있다. 따라서 미토콘드리아의 기능

에 장애가 생기면 세포의 대사조절능에 문제가 발생하여 점

진적으로 다중성 장애(multisystem disorder)를 일으킨다.

세포는 미토콘드리아 내막에 존재하는 전자전달계의 연속

적인 산화환원반응을 통해 세포막 전위차(Δψ)를 유지함은

물론, 세포막 내�외 H+ 농도구배(ΔμH+)를 형성한 후, 최종

적으로 ATP를 생산한다. 따라서, 세포의 에너지 생산을 맡

고 있는 정교한 산화환원반응에 이상이 생길 경우, 에너지

대사의 균열에 따른 세포대사의 장애가 발생한다.

최근, 미토콘드리아 질병으로 알려진 노화 및 산화(적) 스

트레스, 당뇨, 심장질환, 퇴행성 신경질환에 관한 연구가 활

발히 진행되고 있다. 이러한 대사질환은 미토콘드리아의 에

너지 생산에 직접적으로 관여하는 전자전달계 단백질의 기

능장애가 주된 요인이 된다. 미토콘드리아 내막에 존재하는

호흡계 회로의 전기적 단락(short circuit)에 의해 전자전

달에 이상이 생기면, 이로 인해 다량으로 생성된 활성산소

(ROS, reactive oxygen species)에 의한 세포의 지속적 손

상이 축적된다. 즉, ROS의 비정상적인 생산 증대, 에너지

생산성 저하 및 자가수비기능의 손상을 낳게 되어 점진적으

로 심각한 질병을 일으키게 된다. 따라서, 세포의 에너지 생

산 기작은 물론 세포 생리 및 대사와의 연관성에 대한 이해

가 매우 중요하다.

세포내 ROS는 미토콘드리아 내막에 존재하는 NADH:

ubiquinone oxidoreductase (Complex I)와 ubiquinol:

cytochrome c oxidoreductase (Complex III;

cytochrome bc1 complex)에서 주로 생산된다. 위에서 언

급한 대로 미토콘드리아 ROS의 생산증가는 퇴행성 신경질

환, 허혈(ischemia) 및 재관류 손상(reperfusion injury)에

따른 산화적 손상, 노화를 포함한 병리생리학적 배경과 주

로 관련되는 것으로 알려져 있다. 이와 더불어 최근에 ROS

가 생물현상에서 조절자 역할을 담당한다는 연구가 보고되

고 있다. 특히 Complex III에서 생산되는 ROS는 HIF-1

α의 저산소 안정화와 같은 세포의 산화환원 신호전달경로

에 관여하나 아직까지 ROS 생산을 위한 개시 기작은 불분

명하다. 오늘 날 미토콘드리아 ROS 생산기작연구는 미토

콘드리아 내막(혹은 세균의 cytoplasmic membrane)을 통

해 외막으로 H+을 배출하는 Complex III의 생물에너지학적

연구를 통해 시작되었다. 영국의 생화학자 피터미첼(Peter

Mitchell, 1920-1992) 박사가 제안한 양성자 구동Q회로

Complex III에 의한 활성산소(ROS) 생산기작

이 동 우

경북대학교 응용생명과학부

E-mail: leehicam@knu.ac.kr

molecular and cellular Biology Newsletter

웹 진 2015ㅣ8 ● ● 02

(protonmotive Q-cycle) (1,2)은 H+배출의 기본원리가 되

며, Complex III의 퀴놀(QH2) 결합부위(Qo부위)에서 산화

되어 생성된 QH2의 중간체인 세미퀴논(SQ)은 산소분자(O2)

에 대한 전자공여체로 알려져 있다. 최근에는 Qo부위에서

생성되는 ROS는 퀴논(Q)결합부위(Qi 부위)에 Q가 결합시

촉진되어, 정방향의 Q회로보다는 환원된 cytochrome bL을

거쳐 O2로 역방향의 전자전달이 일어난다는 결과가 보고되

고 있기에, 신호전달 ROS에 대한 새로운 기작이 있음을 내

포하고 있다. 따라서 본 논단에서는 Complex III가 생산하

는 ROS 생성기작에 대해 고찰하고, 미토콘드리아 유래의

ROS생성 및 방출에 영향을 미치는 요소와 단백질을 포함한

세포의 산화환원 신호전달에 관한 최근 연구를 소개하고자

한다.

본 론

1) 전자전달회로(Electron transfer chain)호기적 호흡(Aerobic respiration)은 미토콘드리아의 내

막에 존재하는 에너지생산 막복합체의 연속적인 산화환

원반응을 통해 세포막 내�외의 H+ 농도구배(ΔμH+) 및 전

위차(Δψ)를 형성시킨다. 브리튼 챈스(Britton Chance,

1913-2010)박사는 이중파장 분광기(dual-wavelength

spectroscopy)를 사용하여 에너지생산 막복합체의 보조인

자(cofactor)를 통한 “산화제 유도환원(oxidant-induced

reduction)”이 일어남을 발견하여 미토콘드리아내의 전

자흐름을 통해 세포에너지가 생산될 수 있다는 산화적 인

산화(oxidative phosphorylation)에 대한 이론적 토대

를 마련하였다 (3). 그 후 피터미첼 박사의 “화학삼투설

(chemiosmotic theory)”의 제안을 통해 세포의 에너지 보

존 및 전달현상을 이해할 수 있게 되었으며, 지난 40여년

간 세계적인 생물리�화학자들의 실험적 검증을 통해 오늘

날 세포에너지 생산 대사와 기작에 대한 이론이 완성되었

다. 최근에 거대복합체인 Complex I의 내막에 존재하는 단

백질 구조 (4,5)가 밝혀짐에 따라 미토콘드리아의 에너지생

산복합체(complexes I, II, III, IV, V)의 물리적 구조는 물

론, 전자전달경로, Q/QH2 및 NADH 결합부위에 대한 분자

수준의 구조가 완성됨에 따라, H+ 및 ROS 생성기작 연구에

필수적인 화학양론적 분석의 토대가 마련되었다 (그림 1).

2) Q회로(The Q-cycle)H+을 배출하는 Complex III의 분자기작에 관한 피터

미첼 박사의 초기 이론은 소(bovine) (6,7), 닭(chicken)

(8), 효모(yeast) (9) 및 세균(bacteria) 유래의 Complex

III 구조를 통해 전자전달 보조인자들의 정확한 위치와

H+ 배출경로 및 두 개의 Q 결합부위(즉, Qo와 Qi)의 구

조적 배열의 확인 및 실험적 검증을 통해 오늘날 Q회로

가 완성되었다. Complex III는 세균으로부터 고등동물

에 이르기까지 진화적으로 잘 보존되어 있는 세 개의 막관

통 아단위(transmembrane subunits)-cytochrome c1,

cytochrome b, Fe/S subunit (혹은 Rieske단백질)-를 지

니고 있다 (그림 2). 이들은 H+ 배출을 위한 최소 핵심촉

매 아단위(minimal catalytic core subunit)라 불리며, 산

화환원반응을 위한 전자전달경로에 해당하는 모든 보조단

(prosthetic groups; heme c1, heme bL, heme bH, [2Fe-

2S] cluster)을 지니고 있다. 특히, 대부분의 진핵세포 유래

의 Complex III의 경우, 촉매반응에 필수적이지 않은 8개의

추가적인 아단위가 존재한다. 따라서, 고등생물보다는 상

대적으로 구조가 간단한 아단위 단백체를 지닌 광합성 세균

혹은 효모의 Complex III가 기능연구 및 돌연변이 실험에

많이 이용되고 있다.

산화환원반응의 핵심인 아단위 보조단의 공간적인 배열은

그림 1. 미토콘드리아의 전자전달회로.

논/단

03 ● ● 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

H+ 배출경로를 위한 기초가 된다 (그림 3). Q-반응을 위한

두 개의 핵심부위는 cytochrome b 내부에 형성되어 있으

며, 미토콘드리아 내막의 양쪽 면에 가까이 위치하고 있다.

QH2-산화부위(center P 혹은 Qo부위)는 막의 바깥쪽 면에,

Q-환원부위(center N 혹은 Qi부위)는 막의 안쪽 면에 위치

한다 (그림 3). Complex III는 homodimer구조로 존재하

며, 화학속도론과 돌연변이 실험을 통해서도 cytochrome

b 아단위 간의 전자평형 및 Qo 및 Qi부위 간의 구조적인 연

결성도 기능적으로 dimer임을 나타낸다. 또한, 네 개의 b

heme(2bL 과 2bH)은 “bus bar”형태의 배열을 이루고 있어

이들 보조단 간의 신속한 전자교환이 가능하며 전자의 누수

및 ROS생성을 최소화한다 (10). 그러나 이러한 전자교환을

각각의 monomer가 독립적 혹은 협력적으로 수행하는 지는

여전히 불분명하다.

두 번의 화학반응 회전(turnover)을 통해 완성되는 양

성자구동 Q회로를 요약해서 설명하면 다음과 같다. QH2

이 Qo부위에 결합하여 Q로 산화되어 두 개의 전자를 방

출하게 되면, 이들은 두 갈래로 나뉘게 되어 하나는 고전

위 경로(high-potential chain)로, 다른 하나는 저전위 경

로(low-potential chain)로 전달된다 (11,12). 좀 더 상세

히 설명하면, 첫 번째 전자는 Rieske 단백질로 전달되어

보조단인 [2Fe-2S] cluster를 환원시킨다. 환원된 [2Fe-

2S] cluster는 Rieske단백질의 flexible head domain

을 통해 cytochrome b에 근접한 위치(b-position)에서

cytochrome c1에 근접한 위치(c1-position)로 이동한 후,

전자를 재방출하여 cytochrome c1을 거쳐 수용성 전자운

반자인 cytochrome c로 전달한다. 이와 동시에, 두 개의

H+은 막의 바깥쪽(미토콘드리아의 막간공간)으로 방출된

다. 다른 전자는 cytochrome b 내부에 위치한 저전위 경로

를 이루고 있는 두 개의 보조단-heme bL (저전위 heme b)

과 heme bH (고전위 heme b)-을 거쳐 Qi부위에 결합된 Q

로 전달되어 안정화된 SQ를 생성시킨다. 이때 막의 안쪽(미

토콘드리아 matrix)에서 H+을 동시에 받아들인다. 완전한

Q 회로를 위해 앞서 언급된 동일한 방식으로 두 번째 QH2

이 Qo부위에서 산화되어 추가적인 두 개의 H+이 막의 바깥

쪽으로 방출되고, 두 번째 cytochrome c가 고전위경로를

통해 환원된다. 마찬가지로 다른 전자는 저전위경로를 거

치게 되며, Qi부위에서 앞의 반응회로를 통해 만들어진 SQ

는 QH2로 환원되어 막으로 재배출된다. 요약하면 미토콘

드리아 막의 안 밖에 위상적으로 분리되어 위치하고 있는

cytochrome b의 QH2산화부위와 Q환원부위에서 일어나는

그림 2. Complex III의 전자전달 및 H+ 방출경로.

그림 3. Complex III에 의한 protonmotive Q-cycle 및 전기적 단락에 의한 ROS생성.

molecular and cellular Biology Newsletter

웹 진 2015ㅣ8 ● ● 04

H+의 흡수와 방출에 의해 결론적으로 미토콘드리아 막간공

간으로 2H+/2e-의 이동이 일어난다. (그림 3).

3) 전자전달기작 (Electron transfer mechanism)정상적인 Complex III에서는 전기적 단락내지 우회반응

이 억제되기에 ROS 생성확률은 매우 낮으나, 여러 원인에

의해 전기적 단락이 일어날 경우 ROS가 생산된다 (11). 따라

서, Qo부위에서 일어나는 QH2산화는 Q 회로에서 가장 중요

한 에너지 보존반응이며 방향성을 지닌 H+이동이 전제가 되

어야 하는 과정이기에 정확한 이해가 필요하다. 이를 위해

Qo부위에서 결합하게 되는 유비퀴놀(UQH2)의 정확한 위치

의 규명이 매우 중요하나 아직까지 불분명하다. 현재까지 다

양한 종류의 Complex III 구조가 밝혀지고 있으며, 경쟁적

으로 반응하는 기질 저해제의 결합구조를 통해 Qo부위에 대

한 단서를 꾸준히 얻고 있다 (13). 저해제들의 결합은 일반적

으로 상호배타적으로 일어나며 종류에 따라 heme bL쪽으로

근접하게 혹은 상대적으로 멀리 떨어져 위치하지만 그 결합

부위들은 어느 정도 중첩되어 나타난다. 이에 UQH2의 결합

위치에 대한 두 가지 모델이 제시되고 있다. 하나는 단일점

유모델(single occupancy model)이며, 다른 하나는 촉매반

응의 주요단계에서 두 개의 Q가 협력하게 된다는 이중점유

모델(double-occupancy Qo site model)이다 (14). 일반적

으로 단일점유모델이 우세하게 받아들여지고 있으며, 이를

기반으로 다시 주요 전자수용체(Rieske단백질과 heme bL)

로의 전자전달이 순차적으로 혹은 동시에 일어남을 보여주

는 전자전달모델로 나뉘어 설명하고 있다 (11,12,15-17) (그

림 4). 위에서 언급한 모든 모델은 서로 다르지만, 공통적으

로 ROS생성을 제한하는 기작이거나 일어날 수 있는 전기적

단락내지 우회반응이 억제될 수 있는 일종의 통로(Gating)

모델로 설명하고 있다.

예를 들어 Brandt 박사는 Qo부위에 일종의 촉매스위치

역할을 하는 Rieske단백질의 두 개의 구분되는 위치가 존재

하며, 환원된 heme bL과 SQ가 동시에 생기지 않도록 QH2

산화반응의 화학적 조절에 의해 QH2산화에 의해 방출된 전

자는 의무적으로 두 갈래로 나뉘게 된다고 설명하고 있다.

반면에 Osyczka 박사가 제안한 ‘double-gating’모델의 경

우 [2Fe-2S] cluster와 heme bL 모두 환원되었을 때 역

방향모드로 Q의 환원이 일어나거나 [2Fe-2S] cluster와

heme bL이 모두 산화되었을 때 QH2산화를 통해 중간 생성

물인 SQ가 형성될 수 있다는 반응의 가역성(reversibility)

을 포함하고 있다. 그러나, 만약 [2Fe-2S] cluster는 산

화되고 heme bL이 환원될 때는 Q의 전자전달이 불가하다

고 설명하고 있다 (11,18). 위의 두 순차적 모델에서는 QH2

산화에 의해 방출된 첫 번째 전자는 Rieske단백질로 전달

되며, Qo부위에 결합된 SQ에서 방출되는 두 번째 전자는

heme bL로 전달된다. 따라서, ROS생산은 (i) SQ로부터 준

정방향 기작에 의해서나 (ii) 두 번째 전자가 heme bL로 전

달된 후 역방향 기작에 의해 일어날 수 있다. 두 모델 모두

SQ는 일시적으로 Qo부위에서 생성되며, 정상적으로 기능

하는 Complex III는 상당한 양의 SQ를 절대 축적하지 않

는다. 심지어 SQ생성이 촉진되도록 하는 Qi부위 저해제인

antimycin A의 첨가나 heme bH가 결핍된 돌연변이에서도

SQ가 좀처럼 발견되지 않는다. 산화환원 중간생성물의 실

제 존재 유무는 물론 Qo부위에서의 SQ생성은 실험적으로

증명하기가 매우 어렵기 때문에 일시적으로 생성되더라도

그 양도 극히 미량으로 존재하는 것 같아 보인다 (19,20).

대조적으로 QH2로부터 전자가 양 쪽 산화환원 보조단에

동시에 전달된다고 제안한 모델에서는, SQ의 참여가 완전

히 배제된다 (16-18). 즉, 중간생성물 SQ는 정방향의 반응

에서는 만들어지지 않으며, ROS생산은 단지 역방향 반응

에서만 가능하다고 설명하고 있다. 여기서 근본적인 과학적

질문이 제기된다. 과연 QH2산화가 일어나는 동안 SQ가 실

제로 존재하는 중간 생성물인가? 그렇다면 ROS생성에 중

요한 인자가 분명한가? 근래에 QH2산화에서 비롯된 전자의

두 갈래로 나뉘게 되는 현상에 의해 heme bL이 환원될 때

O2가 ROS 매개체로 작용한다는 보고가 있다 (21). 그러나

Complex III 및 유사한 cytochrome b6f complex의 촉매

기작은 산소가 희박한 환경에서부터 진화되었다는 사실을

간과한 것으로 보인다.

논/단

05 ● ● 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

4) QH2산화부위에서의 ROS생산기작

ROS가 Qo부위에서 생산된다는 사실은 두 개의 구분되

는 Q결합부위(Qo 및 Qi)에 특이적으로 결합하는 저해제를

사용한 연구들을 통해 알게 되었다. Complex III는 Qi부위

저해제인 antimycin A를 첨가할 때 ROS생성이 급격히 강

화되며, 이는 산화제가 유도하는 환원조건에서 ROS생성속

도가 크게 증대된다는 것을 의미한다. 즉, 충분한 양의 환

원제가 존재하면 b-type hemes의 환원이 일어남과 동시

에 하부 호흡계인 cytochrome은 산화된다. 이러한 ROS생

산 유도반응은 대표적인 Qo부위 저해제인 stigmatellin 혹

은 myxothiazol을 사용하여 완전히 억제시키거나 부분적

인 환원을 야기시킬 때 매우 느려진다. 이러한 현상은 Qo

부위가 ROS생산에 매우 중요한 위치임을 의미한다. 특히,

stigmatellin은 Rieske단백질의 중앙점(midpoint) 전위를

250 mV까지 증가시켜 ‘b-position’에 붙들어 놓기 때문에

myxothiazol보다 훨씬 강력한 Qo 부위 저해제가 되며, 이

로 말미암아 Rieske단백질은 환원된 상태를 유지하며 ROS

생성을 유도하지 못한다 (23).

● 막전위와 Q-pool의 산화환원상태가 ROS생산에 미치는

영향

Complex III는 antimycin A를 첨가하여 인위적으로 저

해될 때만 ROS를 생산하기 때문에, 실제 Qo부위에서 ROS

생성을 증대시키는 요소가 무엇인지는 여전히 모호하다.

효모로부터 정제된 Complex III를 재구성하여 실험한 결

과, Q-회로에서 유일하게 전기를 발생시키는 heme bL에

서 heme bH로의 전자전달을 매우 느리게 만들면 상대적으

로 heme bL의 환원상태가 오래 유지되어 지수적으로 ROS

생산이 증가되었다 (24). 이는 pmf가 아닌 막전위에 따라

ROS생산속도가 증대될 수 있음은 물론, Qo부위의 ROS 생

산에 Q pool의 산화환원상태가 매우 중요함을 의미한다

(23). Complex II 저해제인 malonate나 oxaloacetate의

농도가 높아지면 Q pool의 전위가 높아져 antimycin A에

의해 유도된 ROS생성속도가 증가된다. 이처럼 Complex II

저해제의 효과에 따른 ROS생산 촉진효과는 매우 크게 나

타난다. 전위차 적정을 통해 Q/QH2 비율을 조절해 본 결

과, Q함량이 25-30%에 도달할 때까지 Complex III에 의

한 ROS생산이 비례하여 증가하였다 (23). 이는 heme bL로

부터 O2로의 역방향 전자전달에 의해 ROS가 생성될 수 있

음을 보여주며, Q-pool의 산화환원상태에 따라 antimycin

A에 의해 유도된 ROS생성속도가 변화되고 heme bL의 산화

환원상태(70-80%가량 환원된 상태)와도 밀접한 관계가 있

음을 나타낸다 (25). 결론적으로 Q-pool의 산화환원상태와

막전위는 Complex III의 hemes bL/bH의 환원상태를 변화시

켜 Qo부위에서 생산되는 ROS량을 조절하는 것으로 보인다.

● ROS생성기작: 준정방향 혹은 준역방향?

Complex III ROS생산기작에 관련하여 정상적인 촉매

반응이 일어나는 동안 Qo부위에서 SQ가 축적되는지 혹은

안정화가 되는지는 여전히 뜨거운 논쟁거리다. 이와 더불

어 환원된 heme bL로부터 역방향의 전자이동에 의해 O2

로 직접 전달되는 것인지? 아니면 산화된 Q를 통해 간접적

으로 전달되는지도 흥미로운 문제다. 그 이유는 Qo부위에

서 생성되는 ROS는 위에서 소개된 QH2산화가 일어나는 동

안 전자전달의 기작 및 방향성과 직접적으로 연결되는 중

요한 이슈이기 때문이다. Osyczka 박사는 ROS는 준역반

응 기작에 의해 주로 생산되는 반면에 준정반응에 의한 생

산은 매우 미미하다고 보고하였다 (26). 이와는 대조적으

그림 4. QH2 산화에 따른 전자의 두 갈래 나뉨 현상과 Qo부위에서의 ROS생성 모델 (22).

molecular and cellular Biology Newsletter

웹 진 2015ㅣ8 ● ● 06

로 antimycin A에 의해 유도된 ROS생산결과의 분석에 기

초한 모델실험에서는 준정반응을 통해 생성되는 SQ가 매우

중요한 것으로 나타났다 (25). 여하튼, Qo부위에서의 ROS

생성은 본질적으로 QH2산화동안 전자의 두 갈래로 나누어

지는 현상과 밀접한 관계가 있다.

최근에 효모(S. cerevisiae )와 세균(Rhodobacter

species)유래의 Complex III의 Qo부위에 돌연변이를 도입

하여 antimycin A를 첨가하지 않고도 Qo부위에서 QH2의

잉여전자가 산소로 전달되어 ROS생산이 급격이 증진될 수

있음을 보여주었다 (27,28). 흥미롭게도 인간의 Complex

III에 동일한 돌연변이가 생길 경우, ‘multisystem

disorder’ (deafness, mental retardation, growth

retardation, etc.)등과 같은 질병을 야기시킨다 (29). 그

러나 이들 돌연변이의 일부는 매우 낮은 촉매 전환수를 보

이기 때문에 실제 Complex III에서 나타나는 ROS생산을

절대적으로 반영하지는 못한다. Yu그룹은 heme bL 혹은

heme bH 보조단이 각각 결핍된 R. sphaeroides Complex

III의 ROS생산을 분석하였다. 그 결과, 각 돌연변이 단백질

은 antimycin A에 의해 저해된 야생형 단백질이 생산하는

수준의 ROS를 생산하였으며, 저해제 첨가 실험을 통해 Qo

부위에서 생산됨을 보여주었다 (30). 특히, heme bL이 결

핍된 단백질로부터 ROS가 생산되었다는 사실은 준역반응

보다는 준정반응에 의해 생성됨을 내포한다. 반면에, SQ

radical은 EPR측정으로 감지가 안되기에 heme bL이 이용

될 수 없을 때 O2가 Rieske 단백질의 전자를 공유하는 것으

로 설명하고 있다.

● Complex III ROS의 방출에 영향을 주는 인자들

일반적으로 Qo부위 저해제와 Qi부위 저해제의 첨가 혹

은 돌연변이에 의해 Complex III의 활성이 저해될 경

우 Complex I에서 ROS생산이 유도된다. 또한 NADH와

antimycin A가 동시에 존재할 때, Complex I과 Complex

III에 의해 동등하게 ROS가 생성되며, Complex I 저해

제인 DQA는 stigmatellin첨가에 따른 Complex III에 의

한 생산과 유사한 정도로 ROS를 생산한다 (23). 그 외

에 myxothiazol에 의해 Complex III가 저해되고 저농도

의 succinate가 존재할 때 Complex II도 ROS를 생산한

다 (25). 생리적인 pH조건에서는 ROS는 주로 막을 투과

하기 어려운 음전하 형태로 존재한다. 반면에 불균등화

(dismutation)산물인 과산화수소(H2O2)는 빠르게 막을 투

과할 수 있다. 따라서 미토콘드리아의 ROS생성 및 방출은

막의 면성(sideness) 내지 위상(topology)에 의해 결정되

며, 이는 병리생리학적 과정 및 세포의 산화환원 신호전달

에 중요한 의미를 갖는다. ROS생성부위로 알려진 Complex

III의 Qo부위는 막간공간에 매우 가깝게 위치하고 있는 반

면에, Complex I의 FMN 및 Q결합부위는 막외부로 돌출

되어 위치해 있다 (그림 1). 두 단백체의 구조와 일치하듯이

Complex III는 부분적으로 미토콘드리아의 막간공간으로

ROS를 방출하는 반면에 Complex I은 주로 matrix로 방출

한다. 실제로, Qo부위에서 생산되는 ROS의 약 50%가 막간

공간으로, 나머지 절반은 matrix로 방출된다 (22).

ROS방출을 약화시킬 수 있는 요소로는 ROS의 불균등화

반응(H2O2생성)을 촉진하고 과산화수소생성속도를 증가시

키는 일부 SOD와 더불어 막간공간에 고농도로 존재하는 산

화된 cytochrome c와 Complex IV는 효율적인 ROS소거시

스템이다 (31). 불균등화 반응 후, 과산화수소는 미토콘드리

아의 항산화시스템(glutathione, glutathione peroxidase,

thioredoxin, peroxiredoxin)에 의해 효율적으로 제거될

수 있는 원형질 혹은 matrix로 확산된다 (32). SOD에 의

한 혹은 자발적인 ROS불균등화 반응은 cristae lumen으로

부터 matrix로 확산되어 궁극적으로 단백질의 thiol을 산화

시킨다. 또한, 막간공간은 미토콘드리아 matrix보다 비효

율적인 과산화활성을 지니고 있기에 막간공간에서 생성된

ROS는 효율적으로 porin을 통해 원형질로 방출된다. 이는

세포의 산화환원 신호전달 과정에 있어서 ROS가 ‘2차 전령’

의 역할을 담당하고 있음을 암시한다.

5) Complex III ROS생산과 세포신호전달과의 연관성

위에서 언급한 바와 같이 생체의 모든 대사의 근간이 되

는 미토콘드리아의 전자전달회로는 세포의 생리적인 조건

에 따라 최적의 조건에서 효율적으로 에너지를 생산하도

논/단

07 ● ● 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

록 설계되어 있다. 실제로 산화적 스트레스에 기인한 유해

한 ROS가 발생할 경우, 이를 제거하여 세포의 피해를 최소

화 하기 위한 ROS소거시스템이 잘 정비되어 있다. 따라서

DNA의 손상, 지방 및 단백질의 산화, 조효소의 산화에 따

른 특정효소의 불활성화를 막기 위한 역할은 미토콘드리아

의 효율적인 에너지 생산은 물론 세포내 산화환원 항상성에

매우 중요하다. 그러나, 최근 연구에 의해 ROS가 세포사멸

은 물론 innate immune system의 숙주방어유전자(Nox/

Duox family NADPH oxidase)의 발현유도, 상처치유 및

혈액의 항상성에 연루된 혈소판의 추가적인 보충을 위한 신

호전달, 이온전달시스템의 고정화, 저산소(hypoxia)조건에

서 hypoxia-induced factor-1 (HIF-1)의 안정화 등에 중

요한 역할을 담당하는 것으로 알려짐에 따라 더 이상 제거의

대상이 아닌 다양한 병리생리학적 과정에 중요한 산화환원

신호전달물질로써 역할을 하는 것으로 밝혀지고 있다 (32-

34). 아직도 실제 세포내 ROS생산인자에 대한 연구는 미흡

하나, 관련된 심장병환자를 위한 허혈성 전조치나 저산소 상

태에서의 세포의 적응반응에서 Complex III ROS생성과의

조절역할 상관성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 대사질환은 미토콘드리아의 에너지 생산에 직접적

으로 관여하는 전자전달계 단백질의 기능장애가 주된 요인

이 된다.

HIF-1α는 prolyl잔기의 히드록시화가 지연되어 프로테

아좀 분해가 억제되는 효과에 의해 안정화된다. 이로 인해

혈관형성, 대사 및 적혈구생성에 관여하는 수 많은 유전자의

전사를 유도하여 HIF단백질의 핵으로의 이동이 가능하게

한다 (35). 초기에 mtDNA가 결핍된 ρ0세포에서는 저산소

상태에서 유도되는 전사가 활성화되지 않는다는 결과를 통

해, 미토콘드리아 ROS의 요구, 더욱 정확히 말하면 HIF-1

α와 Complex III의 안정화를 위해 과산화수소를 신호물질

로 사용한다는 사실을 알게 되었다. (36,37). Rieske단백질

과 cytochrome b와 같은 complex III 아단위가 결여되거

나 cytochrome c와 같은 전자전달계 유전자가 결핍된 돌연

변이 및 항산화시스템의 과발현 실험을 통해 Complex III

ROS의 연관성을 밝혀내고 있으나, 저해제가 결합하게 되

는 부위가 반드시 존재해야 한다는 실험적 한계는 여전히

있다. 특히, Complex III의 저해는 아래단계로의 전자전달

이 막히기 때문에, 다른 ROS를 조절할 수 있는 인자들(막

전위, ADP/ATP비율, NAD(P)+/NAD(P)H비율) 혹은 대사

의 변화가 일어나게 된다. 그럼에도 불구하고, Complex I이

HIF-1α 안정화에 기여하는 것은 미토콘드리아 ROS생산의

주요원인으로 보지는 않는다. 위의 언급된 상황에서는 저산

소 신호전달이 사멸되지만 Complex III의 저해로 인해 야

기된 하부 전자전달계의 환원이 Complex I ROS생성을 유

도하기 때문이다. 그러나 저산소 상태에서 ROS 생성을 위

한 Qo 부위의 역할은 여전히 논쟁거리가 된다. 흥미롭게도,

Complex III의 아단위 중 하나인 UQCRB를 타겟하는 저분

자 물질인 terpestacin은 호흡에 영향을 주지 않으면서 저

산소 상태에서 유도되는 ROS생성을 억제한다 (38). 이는 추

가적인 아단위가 Complex III에 의해 생성되는 ROS를 조

절할 수 있음을 의미한다. 또한 Complex III 아단위의 아세

틸화가 ROS생산에 변화를 줄 수 있다는 보고도 있다 (39).

HIF-1α 안정화처럼, Complex III ROS는 저산소 상태에

서 유도되는 칼슘증가뿐만 아니라, 폐혈관수축(HPV)과도

밀접하게 관련되어 있다. 폐관류에 대한 폐포환기(alveolar

ventilation)의 맞춤을 최적화하여 저산소 폐혈관수축 혈액

에 충분한 산소공급을 돕는다 (40). 그러나 폐동맥 평활근

세포의 저산소 상태 적응으로 인해 증가된 ROS레벨은 HPV

에 대한 신호기작에 있어서 ROS의 감소를 주장하는 결과

와는 상반된다 (41). 심장보호 국소빈혈과 약리학적 처치측

면에서 Complex III ROS는 2차 전령의 역할을 하는 것으

로 보인다. 심장보호를 위한 허혈성 전처치란 지속적인 심

근국소 빈혈전에 짧게 간헐적으로 일어나는 국소빈혈을 일

컫으며 Complex III ROS에 의해 하부의 재관류 허혈 부상

(ischemia reperfusion injury)에 의한 심근 손상을 줄여줄

수 있다. 실제로 Qo부위 저해제에 의해 ROS생산과 심장보

호능이 사라지기 때문에 ROS의 연관성을 잘 보여준다. 이

외에, Complex III ROS가 PPARγ 전사기구의 유도를 통해

지방세포의 분화를 개시하며 (42), 대기오염에 따른 세포사

멸 유도에도 Qo부위 ROS가 2차 전령으로서 역할을 한다는

molecular and cellular Biology Newsletter

웹 진 2015ㅣ8 ● ● 08

보고도 있다 (43).

그러나 실험적 방법에 있어서 여러가지 제약이 여전히 존

재한다. 특히, 부반응을 배제한 채 정확하게 ROS를 측정하

고 실질적인 ROS생산자를 탐색할 수 있는 방법이 여의치

않기에, Complex III ROS의 신호전달기능을 이해하기 위

하여 다른 ROS생산부위를 명확히 구분할 수 있는 바이오

마커가 필요하다 (44). 또한, 대부분의 Qo부위 신호ROS의

개시반응과 미토콘드리아와의 상호작용에 대한 기작연구는

ROS생성 강화현상과 더불어 더욱 필요하다. 특히, 생물학

적인 현상과 결과는 상대적으로 잘 이해되고 있으나, 실제

ROS의 타겟은 여전히 모호하다. 그러나, 빠르게 진보하는

산화환원프로테옴 분야로 말미암아 수 많은 신호ROS의 생

물학적 타겟이 곧 밝혀질 것으로 기대되며, 이는 산화환원

신호에 대한 이해를 돕고 더 나아가 다양한 생리학 및 생리

병리학적 과정에 대한 중요한 의미를 지니게 될 것이다.

결 론

미토콘드리아의 산화적 인산화를 시작으로 지난 60여 년

간 수 많은 생물리�화학자들에 의해 세포에너지 생산과정의

비밀이 밝혀지고 있다. 또한 세포에너지 대사와 인류가 겪

고 있는 다양한 질병과의 연관성에 주목을 하고 있다. 따라

서, 무엇보다도 호흡계 단백체의 시스템 작동영역에 따른

세포 성장의 화학양론적 수율과 이와 관련한 전자수용체 회

로 및 이들 간의 조절 인자의 대사규명 연구가 지속적으로

늘고 있다. 이와 더불어 Qo부위의 ROS생성은 여전히 논쟁

의 여지가 있기에, 체내에서 촉진시키는 생리적인 요인 및

과정에 대한 근본적인 이해가 필요하다. 특히, 위에서 언급

한 세포의 산화환원신호에서 Complex III ROS의 조절역할

을 이해하기 위해서는 아세틸화와 같은 번역후 변형과 Qo부

위 ROS생산과의 연관성 연구는 물론 ROS조절을 위한 생리

기작 연구도 매우 필요하다.

[ 참고문헌 ]1. Mitchell, P. (1975) The protonmotive Q cycle: a

general formulation. FEBS letters, 59, 137-139.

2. Mitchell, P. (1975) Protonmotive redox mechanism

of the cytochrome bc1 complex in the respiratory

chain: protonmotive ubiquinone cycle. FEBS

letters, 56, 1-6.

3. Chance, B. and Williams, G.R. (1955) A simple and

rapid assay of oxidative phosphorylation. Nature,

175, 1120-1121.

4. Vinothkumar, K.R., Zhu, J. and Hirst, J. (2014)

Architecture of mammalian respiratory complex I.

Nature, 515, 80-84.

5. Efremov, R.G., Baradaran, R. and Sazanov, L.A.

(2010) The architecture of respiratory complex I.

Nature, 465, 441-445.

6. Xia, D., Yu, C.A., Kim, H., Xia, J.Z., Kachurin,

A.M., Zhang, L., Yu, L. and Deisenhofer, J. (1997)

Crystal structure of the cytochrome bc1 complex

from bovine heart mitochondria. Science, 277, 60-

66.

7. Iwata, S., Lee, J.W., Okada, K., Lee, J.K., Iwata,

M., Rasmussen, B., Link, T.A., Ramaswamy, S.

and Jap, B.K. (1998) Complete structure of the

11-subunit bovine mitochondrial cytochrome bc1

complex. Science, 281, 64-71.

8. Zhang, Z., Huang, L., Shulmeister, V.M., Chi,

Y.I., Kim, K.K., Hung, L.W., Crofts, A.R., Berry,

E.A. and Kim, S.H. (1998) Electron transfer by

domain movement in cytochrome bc1. Nature, 392,

677-684.

9. Hunte, C., Koepke, J., Lange, C., Rossmanith, T.

and Michel, H. (2000) Structure at 2.3 A resolution

of the cytochrome bc1 complex from the yeast

Saccharomyces cerevisiae co-crystallized with an

antibody Fv fragment. Structure, 8, 669-684.

10. Swierczek, M., Cieluch, E., Sarewicz, M., Borek,

A., Moser, C.C., Dutton, P.L. and Osyczka, A.

논/단

09 ● ● 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

(2010) An electronic bus bar lies in the core of

cytochrome bc1. Science, 329, 451-454.

11. Osyczka, A., Moser, C.C. and Dutton, P.L. (2005)

Fixing the Q cycle. Trends in biochemical sciences,

30, 176-182.

12. Brandt, U. and Trumpower, B. (1994) The

protonmotive Q cycle in mitochondria and bacteria.

Critical reviews in biochemistry and molecular

biology, 29, 165-197.

13. Kim, H., Xia, D., Yu, C.A., Xia, J.Z., Kachurin,

A.M., Zhang, L., Yu, L. and Deisenhofer, J. (1998)

Inhibitor binding changes domain mobility in

the iron-sulfur protein of the mitochondrial bc1

complex from bovine heart. Proceedings of the

National Academy of Sciences of the United States

of America, 95, 8026-8033.

14. Ding, H., Moser, C.C., Robertson, D.E., Tokito,

M.K., Daldal, F. and Dutton, P.L. (1995)

Ubiquinone pair in the Q(o) site central to the

primary energy conversion reactions of cytochrome

bc1 complex. Biochemistry, 34, 15979-15996.

15. Brandt, U. (1996) Bifurcated ubihydroquinone

oxidation in the cytochrome bc1 complex by

proton-gated charge transfer. FEBS letters, 387,

1-6.

16. Trumpower, B.L. (2002) A concerted, alternating

sites mechanism of ubiquinol oxidation by the

dimeric cytochrome bc1 complex. Biochimica et

biophysica acta, 1555, 166-173.

17. Zhu, J., Egawa, T., Yeh, S.R., Yu, L. and Yu,

C.A. (2007) Simultaneous reduction of iron-

sulfur protein and cytochrome bL during ubiquinol

oxidation in cytochrome bc1 complex. Proceedings

of the National Academy of Sciences of the United

States of America, 104, 4864-4869.

18. Osyczka, A., Moser, C.C., Daldal, F. and Dutton,

P.L. (2004) Reversible redox energy coupling in

electron transfer chains. Nature, 427, 607-612.

19. de Vries, S., Albracht, S.P., Berden, J.A. and

Slater, E.C. (1981) A new species of bound

ubisemiquinone anion in QH2: cytochrome

c oxidoreductase. The Journal of biological

chemistry, 256, 11996-11998.

20. Zhang, H., Osyczka, A., Dutton, P.L. and

Moser, C.C. (2007) Exposing the complex III Qo

semiquinone radical. Biochimica et biophysica acta,

1767, 883-887.

21. Zhou, F., Yin, Y., Su, T., Yu, L. and Yu, C.A.

(2012) Oxygen dependent electron transfer in the

cytochrome bc1 complex. Biochimica et biophysica

acta, 1817, 2103-2109.

22. Bleier, L. and Drose, S. (2013) Superoxide

generation by complex III: from mechanistic

rationales to functional consequences. Biochimica

et biophysica acta, 1827, 1320-1331.

23. Drose, S. and Brandt, U. (2008) The mechanism

of mitochondrial superoxide production by the

cytochrome bc1 complex. The Journal of biological

chemistry, 283, 21649-21654.

24. Rottenberg, H., Covian, R. and Trumpower, B.L.

(2009) Membrane potential greatly enhances

superoxide generation by the cytochrome bc1

complex reconstituted into phospholipid vesicles.

The Journal of biological chemistry, 284, 19203-

19210.

25. Quinlan, C.L., Gerencser, A.A., Treberg, J.R.

and Brand, M.D. (2011) The mechanism of

superoxide production by the antimycin-inhibited

mitochondrial Q-cycle. The Journal of biological

chemistry, 286, 31361-31372.

26. Sarewicz, M., Borek, A., Cieluch, E., Swierczek,

M. and Osyczka, A. (2010) Discrimination between

molecular and cellular Biology Newsletter

웹 진 2015ㅣ8 ● ● 10

two possible reaction sequences that create

potential risk of generation of deleterious radicals

by cytochrome bc1. Implications for the mechanism

of superoxide production. Biochimica et biophysica

acta, 1797, 1820-1827.

27. Lee, D.W., Selamoglu, N., Lanciano, P., Cooley,

J.W., Forquer, I., Kramer, D.M. and Daldal, F.

(2011) Loss of a conserved tyrosine residue of

cytochrome b induces reactive oxygen species

production by cytochrome bc1. The Journal of

biological chemistry, 286, 18139-18148.

28. Wenz, T., Covian, R., Hellwig, P., Macmillan,

F., Meunier, B., Trumpower, B.L. and Hunte, C.

(2007) Mutational analysis of cytochrome b at the

ubiquinol oxidation site of yeast complex III. The

Journal of biological chemistry, 282, 3977-3988.

29. Wibrand, F., Ravn, K., Schwartz, M., Rosenberg,

T., Horn, N. and Vissing, J. (2001) Multisystem

disorder associated with a missense mutation in

the mitochondrial cytochrome b gene. Annals of

neurology, 50, 540-543.

30. Yang, S., Ma, H.W., Yu, L. and Yu, C.A. (2008)

On the mechanism of quinol oxidation at the QP

site in the cytochrome bc1 complex: studied using

mutants lacking cytochrome bL or bH. The Journal

of biological chemistry, 283, 28767-28776.

31. Qu, Y.G., Zhou, F., Yu, L. and Yu, C.A. (2013)

Effect of mutations of arginine 94 on proton

pumping, electron transfer, and superoxide anion

generation in cytochrome b of the bc1 complex

from Rhodobacter sphaeroides. The Journal of

biological chemistry, 288, 1047-1054.

32. Finkel, T. (2012) Signal transduction by

mitochondrial oxidants. The Journal of biological

chemistry, 287, 4434-4440.

33. Hamanaka, R.B. and Chandel, N.S. (2010)

Mitochondrial reactive oxygen species regulate

cellular signaling and dictate biological outcomes.

Trends in biochemical sciences, 35, 505-513.

34. Murphy, M.P., Holmgren, A., Larsson, N.G.,

Halliwell, B., Chang, C.J., Kalyanaraman, B.,

Rhee, S.G., Thornalley, P.J., Partridge, L., Gems,

D. et al. (2011) Unraveling the biological roles of

reactive oxygen species. Cell metabolism, 13, 361-

366.

35. Semenza, G.L. (2007) Life with oxygen. Science,

318, 62-64.

36. Guzy, R.D., Hoyos, B., Robin, E., Chen, H., Liu,

L., Mansfield, K.D., Simon, M.C., Hammerling,

U. and Schumacker, P.T. (2005) Mitochondrial

complex III is required for hypoxia-induced ROS

production and cellular oxygen sensing. Cell

metabolism, 1, 401-408.

37. Bell, E.L., Klimova, T.A., Eisenbart, J., Moraes,

C.T., Murphy, M.P., Budinger, G.R. and Chandel,

N.S. (2007) The Qo site of the mitochondrial

complex III is required for the transduction of

hypoxic signaling via reactive oxygen species

production. The Journal of cell biology, 177, 1029-

1036.

38. Jung, H.J., Shim, J.S., Lee, J., Song, Y.M., Park,

K.C., Choi, S.H., Kim, N.D., Yoon, J.H., Mungai,

P.T., Schumacker, P.T. et al. (2010) Terpestacin

inhibits tumor angiogenesis by targeting UQCRB

of mitochondrial complex III and suppressing

hypoxia-induced reactive oxygen species

production and cellular oxygen sensing. The

Journal of biological chemistry, 285, 11584-11595.

39. Bell, E.L., Emerling, B.M., Ricoult, S.J. and

Guarente, L. (2011) SirT3 suppresses hypoxia

inducible factor 1alpha and tumor growth

by inhibiting mitochondrial ROS production.

논/단

11 ● ● 분 자 세 포 생 물 학 뉴 스 레 터

Oncogene, 30, 2986-2996.

40. Sylvester, J.T., Shimoda, L.A., Aaronson,

P.I. and Ward, J.P. (2012) Hypoxic pulmonary

vasoconstriction. Physiological reviews, 92, 367-

520.

41. Archer, S.L., Souil, E., Dinh-Xuan, A.T.,

Schremmer, B., Mercier, J.C., El Yaagoubi,

A., Nguyen-Huu, L., Reeve, H.L. and Hampl,

V. (1998) Molecular identification of the role of

voltage-gated K+ channels, Kv1.5 and Kv2.1,

in hypoxic pulmonary vasoconstriction and

control of resting membrane potential in rat

pulmonary artery myocytes. The Journal of clinical

investigation, 101, 2319-2330.

42. Tormos, K.V., Anso, E., Hamanaka, R.B.,

Eisenbart, J., Joseph, J., Kalyanaraman, B. and

Chandel, N.S. (2011) Mitochondrial complex III ROS

regulate adipocyte differentiation. Cell metabolism,

14, 537-544.

43. Soberanes, S., Urich, D., Baker, C.M., Burgess,

Z., Chiarella, S.E., Bell, E.L., Ghio, A.J., De

Vizcaya-Ruiz, A., Liu, J., Ridge, K.M. et al. (2009)

Mitochondrial complex III-generated oxidants

activate ASK1 and JNK to induce alveolar epithelial

cell death following exposure to particulate matter

air pollution. The Journal of biological chemistry,

284, 2176-2186.

44. Hurd, T.R., James, A.M., Lilley, K.S. and Murphy,

M.P. (2009) Chapter 19 Measuring redox changes to

mitochondrial protein thiols with redox difference

gel electrophoresis (redox-DIGE). Methods in

enzymology, 456, 343-361.

저 | 자 | 약 | 력

이 동 우

1993-1997 연세대학교 생명공학과, 학사

1997-1999 연세대학교 생명공학과, 석사

1999-2004 연세대학교 생명공학과, 박사

2004-2005 조지아 대학교 (UGA), 박사후 연구원

2005-2010 펜실베니아 대학교 (UPENN), 박사후 연구원

2010-2012한국생명공학연구원 (KRIBB), 선임연구원

과학기술연합대학원대학교 (UST), 겸임교수

2012-현재 경북대학교 응용생명과학부, 조교수