ウシ心ミト複合体Ⅰのセミキノン信号（SEST原稿仮）

「呼吸鎖ミトコンドリア複合体Ⅰに生成消滅するユビセミキノンラジカルの機構（仮）」

ubiquinone はubique (あまねく)とquinone の合成語で、ミトコンドリアに存在し、広く生物に分布する為に名付けられた。古くから還元条件で、セミキノンラジカルのESRが観測されていたが、蛋白内での生成消滅の詳細が確認されたのは最近で、結晶構造解析が発表されるまで待たねばならなかった。2010年、Sazanov、等1)によって呼吸鎖ミトコンドリア複合体Ⅰの構造解析結果がNatureに発表され、再び、ラジカルの役割が華やかに議論され出した。複合体Ⅰは呼吸鎖の入り口に位置し、45のサブユニット（１メガダルトン）にも及ぶ巨大な蛋白質である(図1）。複合体IはNADHの2つの水素と2つの電子をubiquinoneに渡す役割を果たす。しかし、詳細な機構は不明であった。QバンドESR2)解析等により、その反応機構解明は大きく進歩した。

1) R.G.Efremov, R.Baradaran, L.A.Sazanov, Nature, 465, Issue 7297, 27 May 2010, Pages 441-445. "The architecture of respiratory complex",　

2) T Ohnishi, S.T Ohnishi, K. Shinzawa-Itoh, S. Yoshikawa, R.T. Weber, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, Vol. 1817, Issue 10, October 2012, pp 1803?1809."EPR detection of two protein-associated ubiquinone components (SQ_Nf and SQ_Ns) in the membrane in situ and in proteoliposomes of isolated bovine heart complex I",

 

 

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図１　複合体Ⅰの結晶構造図。４５のサブユニットからなる巨大蛋白質で、分子量は１メガダルトン。

複合体Iを電子が通過すると，4つのH⁺が膜間腔へ運ばれる。ウシ心筋の複合体Iは45のサブユニットから成る複雑な構成で、フラビン(FMN)や、少なくとも6~8個のFe-Sクラスターを含む。最近、ペンシルバニア大の大西グループが図1の構造を元に、ユビキノン（Q）研究の詳細な機構を発表した。機構を纏めると、Qは膜内を自由に動き回れるが二つのサイト（Q_Nf  及び Q_Nｓ）にそれぞれ緩く結合している。提案されている電子・プロトン移動モデルを図２に示す。図２(a?c) には 直接的ポンプ機構(2H⁺/2e）を示している。具体的には、(a) Q_Nf は1個の電子を近くのFeSクラスター（N2）より受け入れてQ_Nf^{<noscript></noscript>－}が生成する。常磁性のN2の近傍のために緩和時間の速い。(b) 負電荷のためにプロトンを引き付けてセミキノン（SQ）型^<noscript> 

 

(d) Q_Ns は元来、酸化型で存在しており、 (e) 電子を受けとるとSQ型に還元され、キノンポケットに強く結合している。 (f) 2個目の取り込みにより、N-sideより2個目のプロトン受け取りが結果としてキノール(Q_NsH₂)を生成することになる。 還元Qがポケットから開放されるとポケットには大きな構造変化がおきる。この構造変化は長いα‐へリックスを通して起こる（Sazanov’s group は“piston” と呼んでいる）。結果として、α‐へリックスはチャンネル蛋白の再配向を引き起こし、P-side (intermembrane space)にプロトンを開放する。

Ongoing EPR studies of the protein-associated SQ_Nf and SQ_Ns

 

 

Fig. 8   ウシ心複合系に現れるラジカル：SQ_Nf および SQ_Ns のQバンドESRスペクトル。SQ_Nｆのg 値 (g_zz, g_yy, g_xx)  は(2.0045, 2.0036, 2.0005)、Line width (L_z,y,x) は 6.0 gauss： SQ_Ns のg値は (2.0049, 2.0018, 1.9990). Line width (L_z,y,x)3.5 gauss。Measuring Condition　150 K, 0.2 mW microwave power, modulation amplitude 4 gauss, accumulation time 2 hours each。

 Currently, we are working to obtain our own experimental data that support the presence of two distinct protein-associated Q_Nf^?－ and Q_Ns^?－ species in ND1 and ND2 subunits, respectively.we have conducted the high frequency (33.9 GHz) well-resolved Q-band EPR recording of individual Q_Nf^?－ and Q_Ns^?－ molecules. We utilized tightly coupled reconstituted bovine heart complex I proteoliposomes, which shows the respiratory control ratio > 5. We have obtained preliminary data of significantly different g values (g_zz, g_yy, g_xx) and line widths (L_{z, y, x}) for SQ_Nf and SQ_Ns molecules. The principal g values (g_zz, g_yy, g_xx) of SQ_Nf are (2.0045, 2.0036, 2.0005), and the counter part of SQ_Ns are (2.0049, 2.0018, 1.9990). Line width (L_z,y,x) is 6.0 gauss for SQ_Nf and 3.5 gauss for SQ_Ns.

 

JBC 258, No. 1, January IO. pp. 352-358. I983.
"Evidence of an Ubisemiquinone Radical(s) from the NADH-Ubiquinone
Reductase of the Mitochondrial Respiratory Chain",
Hiroshi Suzuki and Tsoo E. King.

NADH-ubiquinone (Q) reductase isolated from beef heart mitochondria exhibited, upon reduction by NADH, a prominent EPR signal at room temperature attributable to stable ubisemiquinone radical(s). The
concentration of the ubisemiquinone radical reached as high as 40% of the total Q content in trheed uctase.The radical was virtuallya bolished by adding rotenone, whereas rotenone had no effect on the reduction of FMN by NADH. The radical showed an EPR signal of g= 2.0042 at -9.5 GHz with no resolved hyperfine structureand had a line width of 6.8 Gauss at 23 “C. The Q-band EPR spectra at 35 GHz showed well resolved g-anisotropy
and had a field separation between derivative extrema of 24 Gauss. These results substantiate the fact that this radical was bound to a protein; we call it ubiquinone protein-N (QP-N). The pH dependence of the EPR signals demonstrated that the species of the ubisemiquinone radical(s) consisted of not only an anionic form but also a neutral form. Only about half of the QP-N radical formed by NADH reduction was abolished by p-chloromercuric sulfonate. The microwave power saturation curveo f the radical was biphasic; the first phase leveled off at about 5milliwatts and then at about 20 milliwatts. These results suggested that the ubisemiquinone radical from QP-N was heterogenous, consisting of at least twop opulations of stable ubisemiquinone radical(s). It is suggested that two kinds of QP-N exist in NADH-Q reductase.