시토크롬

시토크롬은 철을 함유하는 헴단백질 (hemeprotein)로서 중앙에 위치하는 헴 분자가 전자 전달을 하는데 핵심적 역할을 한다. 

목차

시토크롬은 세포를 뜻하는 cyto와 색깔을 뜻하는 chrome을 합성한 말로 세포의 색깔이라는 뜻이다. 시토크롬은 1884년 MacMunn에 의해 호흡 색소로서 발견되었고 1925년 Keilin에 의해 시토크롬 (cytochrome)으로 명명되었다. 자외선 흡광 스펙트럼에서 흡수 정점이 550, 565 및 605 nm인 것을 각각 시토크롬 c, b 및 a,a3 라고 분류하였다. 이 색깔 때문에 시토크롬은 오래전부터 분리 및 연구된 단백질 중의 하나이며, 이 같은 흡광도에 의한 분석은 현재도 행해지고 있다. 

헴은 금속 이온을 중심으로 복잡하게 연결된 포르피린 (porphyrin)이라고 하는 4각형 모양의 판으로 된 구조를 하고 있어 전자가 그 안에서 유동성을 갖게 한다. 이러한 구조 때문에 금속 이온이 산화 상태 및 환원 상태 사이에서 쉽게 전환될 수 있다.  많은 시토크롬에서 그 이온은 바로 철 (iron)이며 환원된 Fe²⁺ 상태 또는 산화된 Fe³⁺ 상태 사이를 왕복하게 되고, 이에 따라 시토크롬은 산화 및 환원 반응에 참여할 수 있게 된다 (그림 1 및 2) (1, 2).   

그림 1. 시토크롬의 c 내의 헴 그룹의 구조 (출전, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Heme).

그림 2. 시토크롬 c 의 구조. 헴 그룹을 포함하는 시토크롬 c 의 구조.  가운데 판 모양의 그룹이 보조 그룹 (prosthetic group)에 해당하는 헴이고 주위를 둘러싸고 있는 녹색의 단백질이 시토크롬 c 임 (출전, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Cytochrome_c_oxidase).  

생체 내 에너지를 생산하는 미토콘드리아에서 일어나는 산화적 인산화 (oxidative phosphorylation) 과정에서 미토콘드리아 내막 (inner membrane) 상에 위치하는 시토크롬은 결정적 역할을 한다. 즉 산화적 인산화의 여러 단계에서 미토콘드리아 호흡 복합체 (mitochondrial respiratory complex) II, III, IV 등에 시토크롬 b, c₁, a 등이 단위체 (subunit)으로 참여한다. 시토크롬 이외에도 다른 많은 단백질이 산화적 인산화에 같이 참여한다. 이들의 역할에 의해 전자 전달이 순차적으로 일어나고 마지막 단계에서 미토콘드리아 호흡 복합체 IV 즉 시토크롬 c 산화효소 (cytochrome c oxidase)에 의해 4개의 전자를 O₂에 제공하여 2 분자의 물로 환원시킨다. 동시에 미토콘드리아 기질 (mitochondrial matrix)로부터 미토콘드리아 막간 공간 (mitochondrial intermembrane space)으로 H⁺의 pumping이 일어난다 (4Fe⁺²-cytochrome c + 4H⁺in + O₂ --> 4Fe⁺³-cytochrome c + 4H⁺out + 2 H₂O). H⁺의 축적에 따라 발생하는 양성자 구배 (proton gradient)에 의하여 FoF1 ATPase의 작용에 의해 ATP가 생산되며 이는 생명체가 에너지를 만들어내는 공통적 기전으로 작용한다. 

한편 위에서 본 바와 같은 전자 전달 및 ATP 생산 이외에 예기치 못하던 놀라운 기능이 시토크롬에서 발견되었다. 1996년 Xiaodong Wang 등은 시토크롬 c가 미토콘드리아에서 세포질로 유출 이동되는 것이 세포 자연사 (apoptosis)의 중요한 기전임을 발견하였다. 이는 세포가 필요한 에너지를 생산하여 세포를 먹여 살리는 줄로만 생각했던 시토크롬이 세포 살상을 일으킬 수 있다는 것이며, 이는 15억 년 전에 상호 공생 관계를 위해 미토콘드리아가 혐기성 숙주 세포에 흡수되어 호기성 세포로 전환되었을 때 미토콘드리아가 숙주 세포에 대한 공격 수단을 갖고 있었던 것이라고 해석되기도 한다.   

헴단백질을 포함하지만 위에서 설명한 여러 시토크롬과는 완전히 다른 종류의 흡광도와 기능을 갖고 있는 시토크롬 P450이 일본 연구자 그룹에 의해 발견되었다. 이는 CYP라고도 불리며 부신 피질 호르몬 생합성, 외인성 물질 또는 약물의 해독, 비타민 D, 레티노 산 등 내인성 물질의 대사 등에 관여하고 부신, 간, 신장, 성선 등 여러 조직의 소포체 그리고 미토콘드리아 등에 존재한다.  

미토콘드리아(mitochondria), TCA 사이클 (TCA cycle), 해당과정 (glycolysis), ATP.  

1)    Alberts B et al. Molecular Biology of the Cells. 6^th edition. Garland Science 2015.p 787-794.

2)    Alberts B et al. Molecular Biology of the Cells. 6^th edition. Garland Science 2015.p 758-764.