플라스토퀴논

플라스토퀴논

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[ plastoquinone ]

플라스토퀴논은 광합성과정에서 전자를 전달에 관여하는 이소프레노이드기(isoprenoid)를 포함하는 퀴논(quinone)물질이다. 특히, 산소발생 광합성(oxygenic photosynthesis)을 수행하는 식물과 조류(algae)의 엽록체 및 남세균(cyanobacteria)의 광합성 시스템의 전자전달계(electron transport chain; ETC)에서 기능한다. 산화환원반응(oxidation reduction reaction)에 관여하는 벤조퀴논 링과 소수성을 강화하여 지질이중층에 녹아있을 수 있도록 하는 이소프레노이드(isoprenoid) 꼬리로 구성되어 있다.

그림 1. 플라스토퀴논의 구조 (출처: )

광합성과정은 빛에너지를 이용해 NADPH와 ATP를 생산하는 명반응(light-dependent reaction)과 NADPH와 ATP를 이용해 이산화탄소를 환원하여 유기물을 만들어내는 암반응(light-independent reaction, dark reaction)으로 이루어진다. 산소발생광합성의 명반응에서는 물분자로부터 얻은 전자로 NADP+를 환원시켜 암반응에서 이용할 NADPH를 생성한다. 환원전위(reduction potential)이 높아 안정적인 물분자로부터 환원전위가 낮아 산화되기 쉬운 NADP+로 전자를 이동시키기 위해 빛에너지가 이용되는데, 하나의 광계로 이에 필요한 에너지를 얻지 못하고 2가지의 광계(광계I(photosystem I), 광계II(photosystem II))를 연속적으로 이용하여 얻는다. 물분자로부터 빛에너지를 이용하여 전자를 분리하는 역할은 광계 II가 담당하는데, 광계 II가 전자를 전자전달계에 전달할 때, 전자전달계의 첫 번째 전자전달물질이 플라스토퀴논이다. 플라스토퀴논에 전자가 전달되면 키톤그룹이 알코올로 환원된다. 이 환원된 형태를 플라스토퀴놀(plastoquinol)이라 하며, 플라스토퀴놀은 전자를 다음 단계로 전달하며 다시 플라스토퀴논으로 산화된다. 전자는 플라스토퀴놀에서 사이토크롬 b6f 복합체(cytochrome b6f complex)과 플라스토시아닌(plastocyanin) 단백질을 거쳐 광계 I으로 전달되고, 다시 빛에너지에 의해 활성화된 광계 I의 전자는 페리독신(ferredoxin) 단백질을 거쳐 NADP+를 NADPH로 환원하는데 쓰이게 된다.

그림 2. 산소발생 광합성의 명반응. (출처: )


광계 II (PS II)로부터 활성화된 전자를 광계 I (PS I)으로 전달하는 전자전달계의 첫단계를 플라스토퀴논 (분홍색으로 색칠된 부분)이 수행한다.

플라스토퀴논과 유비퀴논(ubiquinone) 구조 비교

플라스토퀴논의 구조는 원핵생물의 세포막이나 미토콘드리아(mitochondria)의 내막에 존재하는 유비퀴논(ubiquinone)의 구조와 매우 유사하다. 유비퀴논은 산소를 최종전자수용체로 사용하여 NADH를 산화하는 산소호흡(aerobic respiration)의 전자전달계에서 첫 번째 전자전달체로 기능하는 분자로 플라스토퀴논처럼 벤조퀴논 링과 isoprenoid 꼬리로 구성되어 있다. 플라스토퀴논은 2,3-dimethyl-1,4 benzoquinone ring을 가지는 반면, 유비퀴논은 2,3-dimethoxy-1,4 benzoquinone ring을 가진다. 또, 플라스토퀴논은 아홉 개의 isoprenyl unit으로 구성된 소수성의 꼬리를 가지는 반면, 유비퀴논은 열 개의 isoprenyl unit로 구성된 꼬리를 가진다. 벤조퀴논 링과 isoprenoid 꼬리 모두 극성이 없는 분자이기 때문에 이들 분자들은 지용성으로 세포막 이중층의 소수성 부분에 존재한다.

플라스토퀴논과 항산화

산소발생 광합성을 수행하는 생물들이 강한 빛을 받을 때, 광계 II에 의한 일중항 산소(singlet oxygen)가 증가하고 이에 따른 광산화 스트레스(photo-oxidative stress)가 발생하는데, 플라스토퀴논은 이러한 일중항 산소를 제거하여 틸라코이드 막(thylakoid membrane)의 지질 산화(lipid peroxidation)를 방지하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

집필

조홍백/성균관대학교

감수

하남출/서울대학교

플라스토퀴논