[論文レビュー] Unveiling ADP-binding sites and channels in respiratory complexes: Validation of Murburn concept as a holistic explanation for oxidative phosphorylation

Kelath Murali Manoj, Abhinav Parashar|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2018

Mitochondrial Function and Pathology参考文献 114被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、ミトコンドリアの酸化的 phosphoryレーションを包括的に説明するための「murburn概念」を提唱する。ここでは、プロトン勾配ではなく、ミトコンドリア内膜内腔に存在する拡散性反応性酸素種（DROS）が、NADHの酸化とATP合成を結ぶ化学的カップリング剤として機能するとする。構造的・計算的分析を通じて、呼吸鎖複合体に複数のADP結合部位と、DROSが拡散可能な溶液にさらされたチャネルを同定し、murburn機構の妥当性を検証するとともに、古典的化学浸透理論に挑戦する。

ABSTRACT

Mitochondrial oxidative phosphorylation (mOxPhos) makes ATP, the energy currency of life. Chemiosmosis, a proton centric mechanism, advocates that Complex V harnesses a transmembrane potential (TMP) for ATP synthesis. This perception of cellular respiration requires oxygen to stay tethered at Complex IV (an association inhibited by cyanide) and diffusible reactive oxygen species (DROS) are considered wasteful and toxic products. With new mechanistic insights on heme and flavin enzymes, an oxygen or DROS centric explanation (called murburn concept) was recently proposed for mOxPhos. In the new mechanism, TMP is not directly harnessed, protons are a rate limiting reactant and DROS within matrix serve as the chemical coupling agents that directly link NADH oxidation with ATP synthesis. Herein, we report multiple ADP binding sites and solvent accessible DROS channels in respiratory proteins, which validate the oxygen or DROS centric power generation (ATP synthesis) system in mOxPhos. Since cyanide's heme binding Kd is high (mM), low doses (uM) of cyanide is lethal because cyanide disrupts DROS dynamics in mOxPhos. The critical study also provides comprehensive arguments against Mitchell's and Boyer's explanations and extensive support for murburn concept based holistic perspectives for mOxPhos.

研究の動機と目的

• 酸化的リン酸化における古典的化学浸透理論（ATP合成にプロトン勾配を依存させる理論）に挑戦すること。
• 拡散性反応性酸素種（DROS）がATP産生において直接的な化学的カップリング剤として機能するかどうかを調査すること。
• 呼吸鎖複合体に存在するADP結合部位およびDROSにアクセス可能なチャネルを同定・特徴づけること。
• murburn概念がミトコンドリア酸化的リン酸化（mOxPhos）を包括的に説明する根拠となる構造的・機構的証拠を提供すること。
• 低用量シアン化物の高毒性を、Complex IVの直接的阻害ではなく、DROSダイナミクスの乱れに起因するものとして説明すること。

提案手法

• 呼吸鎖複合体（I–IV）の高分解能構造解析により、潜在的なADP結合部位を同定すること。
• 分子動力学および溶媒アクセス可能性シミュレーションを用いて、ミトコンドリア呼吸鎖複合体内でのDROS拡散経路をマップすること。
• Complex IVにおけるヘムへのシアン化物結合の生化学的・熱力学的分析を行い、ミリモル範囲の解離定数（Kd）に注目すること。
• murburn概念をミットケルの化学浸透理論およびブイヤーの結合変化機構と比較分析すること。
• 計算モデルを用いて、ミトコンドリア内腔におけるプロトン移動およびDROSダイナミクスを評価すること。
• 構造的・動力学的・熱力学的データを統合し、プロトン勾配に依存しないATP合成メカニズムを支持すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 呼吸鎖複合体内に複数のADP結合部位が存在するか。また、それらはATP合成において機能的に関連しているか。
• RQ2 呼吸鎖系において、拡散性反応性酸素種（DROS）が拡散可能な溶液にさらされたチャネルが存在するか。
• RQ3 DROSが化学的カップリング剤として機能するmurburn概念が、化学浸透理論に比べて、酸化的リン酸化をより一貫性のある形で説明できるか。
• RQ4 Complex IVにおけるヘムへの結合定数（Kd）が高いため、低濃度（μM）のシアン化物がなぜ致死的なのか。
• RQ5 DROSダイナミクスの破壊が、直接的なComplex IV阻害とは独立して、シアン化物の細胞毒性をどのように説明できるか。

主な発見

• 呼吸鎖複合体I、III、IVに複数のADP結合部位が同定され、ATP合成への直接的関与が示唆された。
• 呼吸鎖複合体にDROSが拡散可能な溶液にさらされたチャネルがマップされ、ミトコンドリア内腔内でのDROS拡散が可能となった。
• ヘムへのシアン化物結合定数（Kd）が高いため、低濃度（μM）のシアン化物が致死的であるのは、直接的阻害ではなく、DROSダイナミクスの乱れに起因する。
• murburn概念は、古典的化学浸透理論に比べ、酸化的リン酸化をより一貫性があり包括的に説明できる。
• 構造的・動力学的証拠が、ATP合成に膜透過性プロトン勾配が必須でないことを裏付け、DROSを介したカップリング機構を支持する。
• 本研究は、ミットケルおよびブイヤーのモデルに対する広範な反論を提示し、反応性酸素種がエネルギー変換における機能的メディエーターとしての役割を強調する。