[논문 리뷰] 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)|2018. 06. 06.

Mitochondrial Function and Pathology참고 문헌 114인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 미토콘드리아 산화적 인산화의 통합적 설명으로 'murburn 개념'을 제안하며, NADH 산화와 ATP 합성 사이를 연결하는 화학적 결합 매개체로 미토콘드리아 매트릭스 내의 산화적 반응성 산소종(DROS)이 수소 이온 기울기 대신 작용한다고 주장한다. 구조적 및 계산 분석을 통해 호흡 복합체에서 다수의 ADP 결합 부위와 용매에 노출된 DROS 통로를 규명함으로써, murburn 메커니즘을 검증하고 전통적인 화학삼투 이론에 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산화적 인산화의 전통적 화학삼투 이론이 ATP 합성에 수소 이온 기울기에 의존하는 것을 도전하기 위해.
• 산화적 반응성 산소종(DROS)이 ATP 생성에서 직접적인 화학적 결합 매개체로 작용하는지 조사하기 위해.
• 호흡계 복합체 내에서 ADP 결합 부위와 DROS에 접근 가능한 채널을 규명하고 특성화하기 위해.
• murburn 개념이 미토콘드리아 산화적 인산화(mOxPhos)에 대한 통합적 설명으로서의 구조적 및 기계적 증거를 제공하기 위해.
• 저용량 시아니드의 높은 세포독성은 단순한 Complex IV 억제가 아니라 DROS 동역학의 교란 때문임을 설명하기 위해.

제안 방법

• 산소화합체(I–IV)의 고해상도 구조 분석을 통해 잠재적 ADP 결합 부위를 규명하기 위해.
• 분자 동역학 및 용매 접근성 시뮬레이션을 통해 미토콘드리아 호흡 복합체 내부에서 DROS 확산을 위한 경로를 매핑하기 위해.
• 시아니드가 Complex IV의 헴에 결합하는 데 있어 해리 상수(Kd)가 밀리몰러 범위임을 중점으로 생화학적 및 열역학적 분석을 수행하기 위해.
• murburn 개념을 Mitchell의 화학삼투 이론과 Boyer의 결합 변화 메커니즘과 비교 분석하기 위해.
• 수소 이온 이동과 미토콘드리아 매트릭스 내 DROS 동역학을 평가하기 위해 계산 모델링을 사용하기 위해.
• 구조적, 동역학적, 열역학적 데이터를 통합하여 수소 이온 기울기 의존성이 없는 ATP 합성 메커니즘을 뒷받침하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 호흡 복합체 내에 다수의 ADP 결합 부위가 존재하며, 이들이 ATP 합성에 기능적으로 관련이 있는가?
• RQ2 용매에 노출된 채널이 존재하여 산화적 반응성 산소종(DROS)이 미토콘드리아 호흡계를 통해 확산될 수 있는가?
• RQ3 DROS가 화학적 결합 매개체로 작용하는 murburn 개념이 화학삼투 이론보다 산화적 인산화에 더 일관되고 통합적인 설명을 제공할 수 있는가?
• RQ4 왜 저용량의 시아니드는 Complex IV의 헴에 대한 Kd가 높음에도 치명적인가?
• RQ5 DROS 동역학의 교란이 직접적인 Complex IV 억제 없이도 시아니드의 세포독성을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 호흡 복합체 I, III, IV 내에서 다수의 ADP 결합 부위가 규명되어 ATP 합성에 직접 관여할 가능성이 제기되었다.
• 호흡 복합체 내에서 DROS 확산을 가능하게 하는 용매에 노출된 채널이 매핑되었으며, 이는 DROS가 미토콘드리아 매트릭스를 통해 확산될 수 있음을 시사한다.
• 시아니드의 헴 결합에 대한 높은 Kd(mM 범위)는 저용량(μM) 시아니드가 치명적인 이유를 설명한다—직접적 억제가 아니라 DROS 동역학의 교란 때문임을 시사한다.
• murburn 개념은 전통적인 화학삼투 이론보다 산화적 인산화에 더 일관되고 통합적인 설명을 제공한다.
• 구조적 및 동역학적 증거는 ATP 합성에 전위차를 가진 수소 이온 기울기가 반드시 필요하지 않음을 시사하며, DROS 매개 결합 메커니즘을 지지한다.
• 이 연구는 Mitchell과 Boyer의 모델에 대한 광범위한 반론을 제시하며, 반응성 산소종이 에너지 변환 과정에서 기능적 매개체로 작용하는 역할을 강조한다.