미토콘드리아 기질

미토콘드리아 기질(영어: mitochondrial matrix)은 미토콘드리아에서 미토콘드리아 안쪽의 공간이다. "기질(基質, matrix)"이라는 단어는 이 공간이 상대적으로 수성(水性)인 세포질에 비해 점성을 가지고 있다는 사실에서 비롯된 것이다. 미토콘드리아 기질에는 미토콘드리아 DNA, 리보솜, 가용성 효소, 작은 유기분자, 뉴클레오타이드 보조 인자 및 무기 이온이 포함되어 있다.[1] 미토콘드리아 기질에 존재하는 효소들은 시트르산 회로, 산화적 인산화, 피루브산의 산화, 지방산의 β 산화와 같은 ATP 생성에 관여하는 반응들을 촉매한다. 구조와 내용물에 기반한 기질의 구성은 동화 경로 및 이화 경로가 유리하게 진행될 수 있는 환경을 생성한다. 미토콘드리아 내막의 전자전달계와 미토콘드리아 기질의 효소는 시트르산 회로와 산화적 인산화에서 큰 역할을 한다. 시트르산 회로는 산화를 통해 NADH와 FADH2를 생성하며, 이는 산화적 인산화에서 환원되어 ATP를 생성한다. 세포질, 막 사이 공간, 구획은 3.8 μL/mg 단백질의 수분 함량을 갖는 반면 미토콘드리아 기질은 0.8 μL/mg 단백질의 수분 함량을 갖는다. 미토콘드리아가 미토콘드리아 내막을 통해 삼투 균형을 유지하는 방법은 알려져 있지 않지만 미토콘드리아 내막에는 조절된 물 수송을 위한 도관으로 여겨지는 아쿠아포린이 존재한다. 미토콘드리아 기질의 pH는 약 7.8로 미토콘드리아 막 사이 공간의 pH인 약 7.0~7.4 보다 높다. 미토콘드리아 DNA는 1963년에 내쉬(Nash)와 마르기트(Margit)에 의해 발견되었다. 하나에서 다수의 이중 가닥이며, 주로 원형 DNA가 미토콘드리아 기질에 존재한다. 미토콘드리아 DNA는 세포 전체 DNA의 1%를 차지한다. 미토콘드리아 DNA는 구아닌과 사이토신의 함량이 풍부하다. 포유류의 미토콘드리아에는 55S 리보솜이 존재한다. 미토콘드리아 기질은 미토콘드리아 기질 내의 대사 경로와 관련된 다양한 대사 산물들을 포함하고 있다. 시트르산 회로는 아실-CoA, 피루브산, 아세틸-CoA, 시트르산, 아이소시트르산, α-케토글루타르산, 석시닐-CoA, 푸마르산, 석신산, 말산, 옥살로아세트산을 포함한다. 요소 회로는 L-오르니틴, 카바모일 인산, L-시트룰린을 사용한다. 전자전달계는 조효소인 NADH, FADH2를 산화시킨다. 단백질 합성은 미토콘드리아 DNA, RNA, tRNA를 사용한다. 과정의 조절에는 Ca2+, K+, Mg2+ 이온이 사용된다. 이 밖에 미토콘드리아 기질에 존재하는 대사 산물로는 CO2, H2O, O2, ATP, ADP, Pi가 있다. 미토콘드리아 기질에서 일어나는 대사 경로에 관여하는 다양한 효소들이 존재한다. 시트르산 회로는 피루브산 탈수소효소, 시트르산 생성효소, 아코니테이스, 아이소시트르산 탈수소효소, α-케토글루타르산 탈수소효소, 석시닐-CoA 합성효소, 푸마레이스, 말산 탈수소효소에 의해 촉진된다. 요소 회로는 카바모일 인산 합성효소 I과 오르니틴 카바모일기전이효소에 의해 촉진된다. β-산화는 피루브산 카복실화효소, 아실-CoA 탈수소효소, β-케토싸이올레이스를 사용한다. 아미노산 생성은 아미노기전이효소에 의해 촉진된다. 아미노산 대사는 전서열 프로테에이스와 같은 프로테에이스에 의해 매개된다. 미토콘드리아 내막은 산화적 인산화와 관련된 복합체들을 포함하는 인지질 이중층이다. 이는 미토콘드리아 내막의 크리스타에서 발견되는 전자전달계를 포함하며, 4개의 단백질 복합체와 ATP 생성효소로 구성된다. 이들 복합체는 복합체 I(NADH:유비퀴논 산화환원효소), 복합체 II(석신산 탈수소효소), 복합체 III(유비퀴논:사이토크롬 c 산화환원효소), 복합체 IV(사이토크롬 c 산화효소)이다. 전자전달계는 양성자의 능동수송을 통해 ATP의 생성을 촉진하는 pH 및 전기화학적 기울기를 설정하는 역할을 한다. 전기화학적 기울기는 또한 미토콘드리아 막 전위에 의해 구동되는 Ca2+와 같은 이온의 농도를 조절한다. 미토콘드리아 내막은 CO2 및 O2와 같은 비극성 분자와 H2O와 같은 크기가 작은 비전하 극성 분자만 미토콘드리아 기질로 들어갈 수 있도록 한다. 분자는 수송 단백질과 이온 수송체를 통해 미토콘드리아 내막을 통과한다. 그런 다음 분자는 포린을 통해 미토콘드리아로부터 벗어날 수 있다. 이러한 특성은 조절에 필요한 이온 및 대사 산물의 농도를 제어하고 ATP 생성 속도를 결정한다. 해당과정 후 시트르산 회로는 아세틸-CoA의 생성에 의해 활성화된다. 미토콘드리아 기질에서 피루브산 탈수소효소에 의한 피루브산의 산화는 CO2, 아세틸-CoA, NADH를 생성한다. 지방산의 β-산화는 아세틸-CoA, NADH 및 FADH2를 생성하는 대체 이화 경로 역할을 한다. 아세틸-CoA의 생성은 시트르산 회로를 시작하게 하며, 생성된 조효소는 전자전달계에서 사용된다. 전자전달계의 복합체 II의 일부이며, 미토콘드리아 내막에 있는 석신산 탈수소효소를 제외한 시트르산 회로의 모든 효소들(예: 시트르산 생성효소, 아코니테이스, 아이소시트르산 탈수소효소, α-케토글루타르산 탈수소효소, 석시닐-CoA 합성효소, 푸마레이스, 말산 탈수소효소)은 미토콘드리아 기질에 있다. 시트르산 회로는 탄소의 산화를 통해 NADH와 FADH2를 생성한다. 석시닐-CoA는 석시닐-CoA 합성효소에 의해 석신산으로 전환되며, 이 과정에서 GTP가 생성된다. NADH와 FADH2는 미토콘드리아 기질에서 생성되거나 포린 및 수송 단백질을 통해 운반되어 산화적 인산화를 통해 산화된다. NADH와 FADH2는 NAD+와 FAD를 재생하기 위해 전자를 전달함으로써 전자전달계에서 산화를 겪는다. 양성자는 전자전달계를 통해 전달되는 전자의 에너지에 의해 미토콘드리아 기질에서 막 사이 공간으로 능동수송된다. 4개의 전자가 최종적으로 미토콘드리아 기질의 산소에 의해 수용되어 전자전달계가 완성된다. 양성자는 ATP 생성효소를 통해 막 사이 공간에서 미토콘드리아 기질로 돌아간다. 이러한 에너지는 양성자의 통과를 촉진하는 ATP 생성효소를 회전시켜 ATP를 생성하는 데 사용된다. 미토콘드리아 기질과 막 사이 공간 사이의 pH 차이는 ATP 생성효소가 양성자를 미토콘드리아 기질로 유리하게 통과할 수 있게 하는 전기화학적 기울기를 생성한다. 요소 회로의 처음 두 단계는 간세포 및 신장 세포의 미토콘드리아 기질에서 일어난다. 첫 번째 단계에서 암모니아는 2개의 ATP 분자의 투자를 통해 카바모일 인산으로 전환된다. 이 단계에서 카바모일 인산 합성효소 I에 의해 촉진된다. 오르니틴 카바모일기전이효소에 의해 촉진되는 두 번째 단계는 카바모일 인산과 오르니틴을 시트룰린으로 전환시킨다. 이러한 초기 단계 후에 요소 회로는 오르니틴이 수송 통로를 통해 미토콘드리아 기질로 다시 들어가 미토콘드리아 기질 내의 첫 번째 단계를 계속할 때까지 미토콘드리아 내막에서 계속된다. α-케토글루타르산과 옥살로아세트산은 아미노기 전이반응을 통해 미토콘드리아 기질 내에서 아미노산으로 전환될 수 있다. 이러한 반응은 옥살로아세트산으로부터 아스파르트산과 아스파라긴을 생성하기 위해 아미노기전이효소에 의해 촉진된다. α-케토글루타르산의 아미노기 전이반응은 글루탐산, 프롤린 및 아르기닌을 생성한다. 그런 다음 이러한 아미노산은 미토콘드리아 기질 내에서 사용되거나 세포질로 운반되어 단백질을 생성하는 데 사용된다. 미토콘드리아 기질 내에서의 조절은 주로 이온의 농도, 대사산물의 농도 및 에너지 충전에 의해 제어된다. Ca2+와 같은 이온의 이용 가능성은 미토콘드리아 기질에서 시트르산 회로의 다양한 기능을 제어하여 회로에서 반응 속도를 증가시키는 피루브산 탈수소효소, 아이소시트르산 탈수소효소 및 α-케토글루타르산 탈수소효소를 활성화시킨다. 미토콘드리아 기질에서 대사 중간생성물과 조효소의 농도는 대사 중간생성물을 보충하는(anaplerotic) 효과 및 대사 중간생성물을 제거하는(cataplerotic) 효과로 인해 ATP의 생성 속도를 증가시키거나 감소시킨다. NADH는 α-케토글루타르산 탈수소효소, 아이소시트르산 탈수소효소, 시트르산 생성효소, 피루브산 탈수소효소에 대한 저해제로 작용할 수 있다. 특히 옥살로아세트산의 농도는 낮게 유지되기 때문에 이 농도의 변화는 시트르산 회로를 촉진하는 역할을 한다. ATP의 생성은 또한 아이소시트르산 탈수소효소, 피루브산 탈수소효소, 전자전달계의 복합체 및 ATP 생성효소에 대한 저해제로 작용하여 조절의 수단으로도 사용된다. ADP는 활성화제로 작용한다. 미토콘드리아는 전자전달계에서 발견되는 단백질을 생성하는 데 사용되는 자체 DNA 세트를 포함한다. 미토콘드리아 DNA는 미토콘드리아 전사체, 리보솜 단백질, 리보솜 RNA, 운반 RNA 및 전자전달계의 복합체에서 발견되는 단백질 소단위체와 관련된 약 13가지의 단백질을 암호화하고 있다. 바탕질 (기질) 미토콘드리아 미토콘드리아 내막 미토콘드리아 DNA Voet, Donald; Voet, Judith; Pratt, Charlotte (2013). 《Fundamentals of Biochemistry Life at the Molecular Level》. New York City: John Wiley & Sons, Inc. 582–584쪽. ISBN 978-1118129180.  Stryer, L; Berg, J; Tymoczko, JL (2002). 《Biochemistry》. San Francisco: W.H. Freeman. 509–527, 569–579, 614–616, 638–641, 732–735, 739–748, 770–773쪽. ISBN 978-0-7167-4684-3.  Mitchell, Peter; Moyle, Jennifer (1967년 1월 14일). “Chemiosmotic Hypothesis of Oxidative Phosphorylation”. 《Nature》 (영어) 213 (5072): 137–139. Bibcode:1967Natur.213..137M. doi:10.1038/213137a0. PMID 4291593. S2CID 4149605.  Soboll, S; Scholz, R; Freisl, M; Elbers, R; Heldt, H.W. (1976). 《Distribution of metabolites between mitochondria and cytosol of perfused liver》. New york: Elsevier. 29–40쪽. ISBN 978-0-444-10925-5.  Porcelli, Anna Maria; Ghelli, Anna; Zanna, Claudia; Pinton, Paolo; Rizzuto, Rosario; Rugolo, Michela (2005년 1월 28일). “pH difference across the outer mitochondrial membrane measured with a green fluorescent protein mutant”. 《Biochemical and Biophysical Research Communications》 326 (4): 799–804. doi:10.1016/j.bbrc.2004.11.105. PMID 15607740.  Dimroth, P.; Kaim, G.; Matthey, U. (2000년 1월 1일). “Crucial role of the membrane potential for ATP synthesis by F(1)F(o) ATP synthases”. 《The Journal of Experimental Biology》 203 (Pt 1): 51–59. doi:10.1242/jeb.203.1.51. ISSN 0022-0949. PMID 10600673.  Karmen, A.; Wroblewski, F.; Ladue, J. S. (1955년 1월 1일). “Transaminase activity in human blood”. 《The Journal of Clinical Investigation》 34 (1): 126–131. doi:10.1172/JCI103055. ISSN 0021-9738. PMC 438594. PMID 13221663.  King, John V.; Liang, Wenguang G.; Scherpelz, Kathryn P.; Schilling, Alexander B.; Meredith, Stephen C.; Tang, Wei-Jen (2014년 7월 8일). “Molecular basis of substrate recognition and degradation by human presequence protease”. 《Structure》 22 (7): 996–1007. doi:10.1016/j.str.2014.05.003. ISSN 1878-4186. PMC 4128088. PMID 24931469.  Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, julian; Roberts, Keith; Peters, Walter; Raff, Martin (1994). 《Molecular Biology of the Cell》. New york: Garland Publishing Inc. ISBN 978-0-8153-3218-3.  Anderson, S.; Bankier, A. T.; Barrell, B. G.; de Bruijn, M. H. L.; Coulson, A. R.; Drouin, J.; Eperon, I. C.; Nierlich, D. P.; Roe, B. A. (1981년 4월 9일). “Sequence and organization of the human mitochondrial genome”. 《Nature》 (영어) 290 (5806): 457–465. Bibcode:1981Natur.290..457A. doi:10.1038/290457a0. PMID 7219534. S2CID 4355527.  Iuchi, S.; Lin, E. C. C. (1993년 7월 1일). “Adaptation of Escherichia coli to redox environments by gene expression”. 《Molecular Microbiology》 (영어) 9 (1): 9–15. doi:10.1111/j.1365-2958.1993.tb01664.x. ISSN 1365-2958. PMID 8412675. S2CID 39165641.  Tuchman, Mendel; Plante, Robert J. (1995년 1월 1일). “Mutations and polymorphisms in the human ornithine transcarbamylase gene: Mutation update addendum”. 《Human Mutation》 (영어) 5 (4): 293–295. doi:10.1002/humu.1380050404. ISSN 1098-1004. PMID 7627182. S2CID 2951786.  Kirsch, Jack F.; Eichele, Gregor; Ford, Geoffrey C.; Vincent, Michael G.; Jansonius, Johan N.; Gehring, Heinz; Christen, Philipp (1984년 4월 15일). “Mechanism of action of aspartate aminotransferase proposed on the basis of its spatial structure”. 《Journal of Molecular Biology》 174 (3): 497–525. doi:10.1016/0022-2836(84)90333-4. PMID 6143829.  Denton, Richard M.; Randle, Philip J.; Bridges, Barbara J.; Cooper, Ronald H.; Kerbey, Alan L.; Pask, Helen T.; Severson, David L.; Stansbie, David; Whitehouse, Susan (1975년 10월 1일). “Regulation of mammalian pyruvate dehydrogenase”. 《Molecular and Cellular Biochemistry》 (영어) 9 (1): 27–53. doi:10.1007/BF01731731. ISSN 0300-8177. PMID 171557. S2CID 27367543.  Fox, Thomas D. (2012년 12월 1일). “Mitochondrial Protein Synthesis, Import, and Assembly”. 《Genetics》 192 (4): 1203–1234. doi:10.1534/genetics.112.141267. ISSN 0016-6731. PMC 3512135. PMID 23212899.  Grivell, L.A.; Pel, H.J. (1994). “Protein synthesis in mitochondria” (PDF). 《Mol. Biol. Rep.》 19 (3): 183–194. doi:10.1007/bf00986960. PMID 7969106. S2CID 21200502.