[[분류: 생화학]]

[목차]
== 개요 ==
{{{+1 Complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase)
복합체 I (NADH:유비퀴논 산화 환원 효소)}}}

[youtube(eFxv9LPYag4)]


[[생명체]]가 에너지를 얻기 위해 섭취한 음식을 분해하고, 그 과정에서 얻어낸 고에너지 [[전자]]가 연쇄적인 [[산화-환원]] 반응을 거치며 이동하는 [[전자전달계]] (electron transport chain)의 첫번째 [[촉매]] 작용을 담당하는 [[효소]]이다. 

== 호흡에서의 복합체 I ==
[[파일:resp.png]]
생명체는 [[소화]]로 얻은 영양분을 [[산화]] 시켜 에너지를 얻는다. 이러한 산화 과정에서 필요한 [[산소]]는 유산소 호흡을 통해 얻게 된다. 흡수한 영양분과 산소는 세포 속 [[미토콘드리아]]의 [[전자전달계]]에서 복잡한 과정들을 거치며 에너지원인 [[ATP]]를 만드는데 쓰인다. 

생명체가 섭취한 [[포도당]]은 [[해당]] (Glycolysis) 과정을 거쳐 [[피루브산]], [[NADH]], 그리고 [[ATP]]로 변환이 된다. 이렇게 만들어진 피루브산은 세포 내의 [[미토콘드리아]]로 이동해 [[TCA 회로]]를 거쳐 [[NADH]], FADH 그리고 [[ATP]]로 변환이 된다. 여기서 얻은 [[NADH]]와 FADH는 [[산화적 인산화]]를 위해 전자 전달계를 거쳐 호흡에서 얻은 산소와 함께 더 많은 [[ATP]]를 만드는데 쓰인다. 무산소 호흡의 경우 [[산소]]의 부족으로 인해 [[산화적 인산화]]는 일어나지 않으며, 훨씬 적은 양의 ATP가 생성된다. 해당 과정과 [[TCA 회로]]는 다음과 같은 화학식을 가진다. 
'''C6H12O6 → 2C3H4O3 + 2NADH2 + 2ATP'''
'''C3H4O3 → 3CO2 + 4NADH2 + FADH2 + ATP'''

위 과정속에서 얻은 [[NADH]]는 [[미토콘드리아]]의 [[막단백질]]인 복합체 I으로 이동해 산화되어 NAD+가 되며, 여기서 내어준 [[전자]]를 복합체 I은 퀴논을 [[환원]] 시키는데 사용한다. 따라서 복합체 I은 i) [[NADH]]를 [[산화]] 시키고, 이 과정에서 얻은 [[전자]]를 사용해 ii) 퀴논 (quionone)을 퀴놀 (quinol)로 [[환원]] 시키는 두개의 [[촉매]] 활동을 한다. 

이러한 산화 과정이 왜 일어나는지에 대한 답은 [[전자전달계]]에 대한 이해를 필요로 한다. 간단히 설명하자면 [[전자전달계]]는 [[전자]]를 이동시킴으로써 [[양성자]]를 [[미토콘드리아]]의 기질 (Mitochondrial matrix)에서 막간 공간 (Intermembrane space)로 퍼내고, 이는 기질과 막간 공간 사이의 [[양성자]] 기울기 (proton gradient)의 생성으로 이어진다. 이렇게 복합체들로부터 생성된 양성자 기울기, 즉 양성자 동력 (proton motive force)는 복합체 V (ATP 생성효소)가 [[ATP]]를 생산하는데 쓰이게 된다. 즉, 복합체 I에서 일어나는 [[산화-환원]] 과정은, 4개의 양성자를 미토콘드리아 기질에서 막간 공간으로 퍼내기 위한 과정이다. 

요약하자면 복합체 I은 [[전자전달계]]에서 [[NADH]]의 [[산화]], 퀴논의 [[환원]] 그리고 4개의 [[양성자]]를 [[미토콘드리아]] 막간 공간으로 퍼냄으로써, [[ATP]] 생산을 위한 [[양성자]] 기울기를 설립하는 역할을 하는 [[미토콘드리아]]의 [[막단백질]]이다.

== 구조 ==
[[파일:산화환원.png|height = 1 & width = 1]] [*출처 Gutiérrez-Fernández, J., Kaszuba, K., Minhas, G.S., Baradaran, R., Tambalo, M., Gallagher, D.T. and Sazanov, L.A. (2020). Key role of quinone in the mechanism of respiratory complex I. Nature Communications, 11(1).]
복합체 I은 [[미토콘드리아]]의 호흡 복합체들중 가장 큰 크기를 가지고 있는 [[효소]]이다. [[포유류]]의 경우 45개의 서브 유닛을 가지고 있지만, 이 중 [[효소]]의 [[촉매]] 작용에 관여하는 서브 유닛은 14개이며, 이는 [[호흡]]을 하는 모든 [[생명체]]들이 동일하게 지닌다. 

복합체 I는 L자 모양을 갖고 있으며, 크게 [[미토콘드리아]]의 내막 (inner membrane)을 관통하는 membrane arm과 기질에 있는 peripheral arm으로 분류 된다. 

기질쪽에 있는 peripheral arm [* 사진에서 오른쪽 위]은 [[NADH]]를 NAD+로 산화 시키는 역할을 한다. 이 과정에서 뽑아낸 두개의 [[전자]]는 peripheral arm에 있는 7개의 철-황 클러스터 (FeS cluster)를타고 내려가 peripheral arm과 membrane arm의 사이에 있는 퀴논 결합 부위에 있는 퀴논에게 전달되고, 이는 퀴논의 [[환원]]으로 이어진다. 
이렇게 생성된 퀴놀은, 복합체 III으로 이동해 Q cycle을 거쳐 다시 퀴논으로 [[산화]] 되고 동시에 cytochrome을 환원 시킨다. 이 과정에서 또한 [[양성자]] 4개가 [[미토콘드리아]]의 막간 공간으로 퍼내진다. [* 간단한 과정은 아니지만 이 문서에서는 생략한다]

[[미토콘드리아]]의 내막을 관통하는 membrane arm [* 사진의 아랫부분]은 양성자 펌핑을 담당하며, antiporter subunit이라고 불리는 Nqo12, Nqo13, Nqo14와 E channel로 구성된다[* 이는 [[박테리아]] subunit 분류법이며 [[포유류]] 복합체 I의 경우 다른 이름으로 불린다.]. Antiporter는 각각 한개의 [[양성자]]를 [[미토콘드리아]] 기질에서 막간 공간으로 퍼낸다. [* 이런게 [[정설]]이었지만 최근에 Nqo12가 양성자 4개를 퍼내고 나머지 antiporter는 [[양성자]]의 펌핑과는 관련이 없다는 [[논문]]이 발표 되었다. 하지만 논란이 있는 부분이다] 

== 여담 ==
복합체 I의 작용 기전은 2013년에 처음으로 결정 구조가 밝혀지면서 관심을 받기 시작했다. 하지만 여타 호흡 복합체들과 다르게 복합체 I은 밝혀진게 많이 없으며 현재까지도 [[과학자]]들의 의견 충돌이 일어나는 부분들이 존재한다. 특히, 복합체 I의 [[산화-환원]] 반응이 어떻게 [[양성자]] 4개의 펌프로 이어지는지에 대해서는 명확히 밝혀진게 없으며, [[양성자]] 펌프가 정전기적 상호 작용 (electrostatic interaction)에만 의한 것인지, 혹은 [[산화-환원]]과정에 따른 membrane arm에서의 구조적 변화도 관련이 있는것인지에 대한 논란이 있다.

과학 기술의 발전으로로 [[단백질]] 구조 관찰을 위한 극저온 전자 현미경이 발달하면서 막단백질을 더 쉽게 높은 해상도로 관찰 할 수 있게 되었고, 복합체 I의 구조와 기전 또한, 더 명확하게 관찰이 가능해졌다. 

흥미롭게도 최근 출간된 논문에서 각각의 antiporter가 양성자를 한개씩 퍼내는 것이 아닌 하나의 antiporter가 4개의 양성자를 퍼내는 것일 수도 있다는 의견이 제기되었다. [*참고문허 Kampjut, D. and Sazanov, L.A. (2020). The coupling mechanism of mammalian respiratory complex I. Science, 370(6516).]