スーパーコンプレックス

現代の生物学的研究により、ミトコンドリア呼吸鎖の酵素は、ミトコンドリア内膜に分散した個々の酵素という従来の流体モデルではなく、スーパーコンプレックスと呼ばれるより大きな超分子構造に集合するという強力な証拠が明らかになった。これらのスーパーコンプレックスは機能的に活性であり、安定した呼吸複合体を形成するために必要である。^{[ 1 ]}

複合体 I、III、IVの 1 つのスーパーコンプレックスは、レスピラソームとして知られる単位を構成します。レスピラソームは、ラットの脳^{[ 2 ]} 、肝臓^[ 2 ]、腎臓[ ^{2 ]} 、骨格筋^{[ 2 ] [ 3 ] 、心臓[ 2 ]}、ウシの心臓^{[ 4 ]}、ヒトの皮膚線維芽細胞^{[ 5 ]}、真菌^{[ 6 ]}、植物^{[ 7 ] [ 8 ]} 、 C. elegans ^{[ 9 ]}など、^{さまざまな種や組織で発見されています}。

1955年、生物学者のブリットン・チャンスとGRウィリアムズは、呼吸酵素がより大きな複合体に集合するという考えを初めて提唱したが、流動状態モデルが標準のままであった。 ^{[ 10 ]}しかし、1985年には早くも、研究者たちは細菌^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}や酵母^{[ 14 ] [ 15 ]}から複合体III /複合体IVスーパーコンプレックスの分離を開始していた。最後に、2000年にヘルマン・シェーガーとキャシー・ファイファーは、ブルーネイティブPAGEを使用してウシミトコンドリア膜タンパク質を分離し、複合体I、III、IVがスーパーコンプレックスとして配置されていること^{を示した。 [ 16 ]}

観察される最も一般的なスーパーコンプレックスは、コンプレックス I/III、コンプレックス I/III/IV、およびコンプレックス III/IV です。コンプレックス IIの大部分は、植物および動物のミトコンドリアの両方で遊離浮遊形態で存在します。コンプレックス V は、他のスーパーコンプレックスと二量体として共移動することがありますが、スーパーコンプレックスユニットの一部として見られることはほとんどありません。^{[ 1 ]}

スーパーコンプレックスの組み立ては動的であり、呼吸酵素は大きなレスピラソームに参加したり、遊離状態になったりを交互に繰り返すことができるようです。複合体の組み立ての変化を引き起こす原因は不明ですが、スーパーコンプレックスの形成はミトコンドリア膜の脂質組成に大きく依存しており、特にミトコンドリア特有の脂質であるカルジオリピンの存在が必要であることが研究で明らかになっています。 ^{[ 17 ]}カルジオリピンを欠く酵母ミトコンドリアでは、呼吸スーパーコンプレックスを形成する酵素の数が著しく減少しました。^{[ 17 ] [ 18 ]} Wenz ら (2009) によると、カルジオリピンは複合体 III と複合体 IV の相互作用ドメインのリジン残基の電荷を中和することでスーパーコンプレックスの形成を安定化させます。 ^{[ 19 ]} 2012 年に Bazan らは、サッカロミセス・セレビシエから単離された精製複合体と外因性カルジオリピンリポソームから、三量体および四量体の複合体III/IVスーパーコンプレックスを再構成することができた。^{[ 20 ]}

レスピラソーム形成に関する別の仮説は、膜電位が超複合体の組み立て/分解を媒介する静電的/疎水性相互作用の変化を引き起こす可能性があるというものである。 ^{[ 21 ]}

レスピラソームの機能的意義は完全には明らかではないが、最近の研究によりその目的が明らかになりつつある。呼吸酵素をスーパーコンプレックスに組織化することで酸化損傷が軽減され、代謝効率が向上するという仮説が立てられている。Schäfer ら (2006) は、複合体 IV を含むスーパーコンプレックスは複合体 I と III の活性が高いことを実証し、複合体 IV の存在が他の複合体のコンフォメーションを変化させて触媒活性を高めることを示唆した。 ^{[ 22 ]}また、レスピラソームの存在が複合体 I の安定性と機能に必要であることを示す証拠も蓄積されている。^{[ 21 ]} 2013 年に Lapuente-Brun らは、スーパーコンプレックスの組み立ては「動的であり、利用可能な基質の利用を最適化するために電子の流れを組織化する」ことを実証した。^{[ 23 ]}