Mitochondria, Chloroplasts, Peroxisomes의 공통점
; secretory pathway와는 구분된 경로에 존재, maturation도 다른 경로로 진행됨

Mitochondria

; 세포에 필요한 chemical energy를 만들어 세포에 공급
; 둥근 형태, 타원형뿐 아니라 막대기 형태로 존재하기도 함
; own genetic system(own DNA) 가짐, DNA로 tRNA, rRNA, mitochondrial protein의 일부를 만들 수 있음
; double-membrane system, intermembrane space, 안쪽으로 접혀들어간 inner membrane 구조를 cristae라 부름
; inner membrane은 tight하여 통과하는 데 특별한 carrier나 transporter가 필요한 데 비해, outer membrane에는 porin이 존재하여 작은 물질들이 확산을 통해 쉽게 통과

; cristae 안쪽의 matrix에는 DNA와 다양한 효소가 존재, 효소들 중에는 oxidative metabolism에 관여하는 애들 많음
; matrix 내부에서 TCA cycle 일어남, 세포질에서 해당과정을 통해 생성된 pyruvate나 fatty acids가 들어와서 Acetyl CoA로 전환되고 acetyl coA를 기질로 TCA cycle
; acetyl coA가 CO2로 환원되며 과정 중에 NADH, FADH2라는 reducing power 생성
; 이들은 inner memebrane의 전자전달계에 전달되어 intermembrane space 쪽에 proton gradient를 형성
; proton gradient를 이용하여 ATPase가 ATP 생성
∴ acetyl coA의 chemical bond 내에 저장된 에너지가 reducing power로, proton gradient로, ATP로 전환되며 mitochondria는 세포의 power house로 기능

mitochondria의 genetic system
; circular DNA 형태, 한 mitochondria의 matrix 내에 여러 copy가 존재, α-proteobacterium의 genome과 유사한 구조(endosymbiosis)
; mitochondria는 필요한 모든 tRNA를 가지고 있지 않고, 가지고 있지 않은 tRNA는 cytoplasm에서 공급받음
; greater wobble, matching 정확도가 universal genetic code를 사용할 때보다 떨어짐
; mitochondria의 genetic code는 비보편적 코드(non-universal genetic code)를 일부 함유, mitochondria-specific genetic code는 종마다도 다름
ex. stop codon UGA가 mitochondria genome에서 사용될 때에는 stop codon 대신 trp을 encoding하는 codon으로 사용, 이걸 수행하는 데 필요한 tRNA를 생성
ex. arg을 coding하는 AGA, AGG가 stop codon으로, IIe을 coding하는 AUA가 met으로

human mitochondrial genome
; 제한적인 coding potential, mitochondria가 encoding하는 단백질들은 대부분 전자전달계를 형성하는 데 사용됨(respiratory complexes)
; 13종류의 protein, 22종류의 tRNA, 2종류의 rRNA를 coding할 수 있는 작은 size의 DNA
; 종에 따라 다른 coding potential을 가짐(human은 다른 종에 비해 작은 편)

protein import and mitochondrial assembly
; mitochondrial genome은 DNA replication, transcription, translation에 필요한 단백질들을 encoding하지 않음
; 이것들을 포함한 1500 종류의 단백질들은 nuclear genome에 의해 encoding되어 cytosol에서 만들어짐, 다 만들어진 후 mitochondria로 공급
; endosymbiosis 이전에는 혼자 필요한 단백질을 만들 수 있었지만 현재는 아주 제한된 단백질만을 만들 수 있도록 바뀌었다고 봄, 원래 유전자는 핵으로 갔다고 추정(어떻게 이동했는지는 모름)
; cytosol에서 만들어진 polypeptide는 chaperone의 도움을 받아 mitochondria outer membrane까지 이동
; mitochondria의 signal seqeunce인 preseqeunce(arg, lys 등 plus charged aa)가 mitochondria membrane에 존재하는 protein complex에 의해 인식되어 내부로 삽입
; 해당 protein complex를 Tom(outer), Tim(inner)이라 부름, protein complex가 translocase를 구성
; outer membrane에 stay / intermembrane space에 stay / inner membrane에 stay / matrix로 들어옴
; outer membrane을 통과할 때는 preseqeunce가 signal로 기능
; inner membrane을 통과할 때는 import motor complex의 Hsp70이 polypeptide의 hydrophobic amino acid patch를 순차적으로 인식하며 ATP를 가수분해하며 안쪽으로 당김
; polypeptide의 presequence는 mitochondria matrix 내의 MPP(ER signal peptidase와 유사)에 의해 잘리면 polypeptide가 matrix에 안착

; membrane protein들은 α-helix를 구성할 수 있는 hydrophobic amino acid를 가지면 internal import signals가 ER에서처럼 internal signal seqeunce로 작용하여 translocon 내부에서 느려지면서 protein이 membrane sytem으로 release, multiple membrane spanning도 가능
; 특히 inner membrane에 target된 단백질은 intermembrane space에서 tim9-tim10 complex에 의해 inner membrane의 tim22 complex로 인도
; mitochondria 내에 존재하는 ribosome에 의해 만들어진 polypeptide도 Hsp70을 통해 안정적 구조를 유지하다가 oxa translocase라는 inner membrane의 독특한 translocon으로 targeting되어 translocon을 통과하며 integral membrane protein이 될 수 있음 (ex. electron transport chain을 구성하는 단백질들)

; 대부분 Tom complex를 통해 outer membrane을 통과하지만 outer membrane의 single transmembrane domain을 가진 단백질들은 Mim1 complex를 통해 membrane에 안착하기도 함
; Tom complex를 통해 들어와 tim9-tim10 complex에 의해 guide되다가 또다른 outer membrane SAM complex로 옴 > 여러 번 membrane spanning을 guide할 수 있는 구조로 된 SAM complex에 의해 polypeptide chain간에 barrel sheet 구조를 가지고 membrane spanning할 수 있는 protein 형성, β-barrel protein cf. α-helix
; β-barrel protein의 대표적인 예시인 porin, outer membrane에 큰 구멍을 뚫어줘서 작은 단백질들이 쉽게 통과할 수 있음

Mitocondria의 lipid 생성
; mitochondria가 growth하거나 divide되는 과정에서 protein이 지속적으로 공급되어야 함
; protein의 공급은 cytosol에서 protein이 presequence를 가지고 targeting되어 이루어짐
; membrane의 성장을 위해 protein뿐 아니라 lipid도 공급되어야 함
; golgi, endosome, lysosome은 lipid가 합성된 sER로부터 직접 lipid를 공급받을 수 있는 반면 secretory pathway에 존재하지 않는 mitochondria나 choloroplast는 transport vesicle을 통해 protein이나 lipid를 공급받을 수 없음
; phospholipid transfer proteins의 도움을 받아 공급
; sER을 구성하는 phospholipid 성분들은 phospholipid transfer protein에 의해 extraction되어 돌아다니다 mitochondrial membrane을 만나면 거기로 옮겨짐, mitochondrial membrane의 성장
; phospholipid transfer protein은 내부에 hydrophobic한 lipid 성분을 감쌀 수 있는 구조를 형성하여 hydrophilic한 cytosol 부분 통과 가능
; 한번 mitochondrial membrane sytem에 들어온 phospholipid들은 순차적으로 modification되기도 함
; 한 lipid 내에 4개의 fatty acid를 가지는 inner membrane의 독특한 lipid인 cardiolipin이 생성, proton이 통과하지 못하도록 inner membrane을 tight하게 해주는 역할을 함

Transport of metabolites across the inner membrane
; 전자전달계를 통해 전자가 이동하며 matrix보다 intermembrane space에 더 많은 proton을 농축시키는 역할, intermembrane space에 더 높은 농도의 proton (electrochemical gradient)
; electrochemical gradient는 대부분 ATPase에 의해 ATP를 합성하는 데에 사용되지만 다른 용도로 사용되기도 함(화학 반응이 진행되는 데 필요한 substrate를 공급)
; electrochemical gradient = electric potential(+ charge, – charge) + concentration gradient/chemical gradient(proton 농도 차이)
; electric potential은 -3 charged ADP와 -4 charged ATP 사이의 exchange를 가능하게 함 (by adenine nucleotide translocator)
; concentration gradient는 inorganic phosphate와 OH- 사이의 exchange를 가능하게 함
; ADP와 Pi가 공급됨에 따라 ATP가 계속 합성되며, 합성된 ATP는 바깥으로 내보내짐
; pyruvate는 OH-가 나갈 때 맞바꿔지며 들어와서 citric acid cycle의 substrate로 작용

Chloroplasts and other plastids

chloroplasts
; 다양한 종류의 plastids 중에 하나, 광합성에 특화된 plastid의 형태
; stroma에 own DNA 가짐
; amino acid, fatty acid, own membrane lipid component를 합성할 수 있음
; nitrite를 ammonia로 바꿀 수 있음 > ammonia 형태로만 amino acid에 incorporation되어 생물학적 chemical로 사용될 수 있음
; double-membrane system, intermembrane space, third membrane system을 또 가지고 있음 > thylakoid membrane(stacked; grana), thylakoid lumen, stroma

chloroplasts의 전자전달계
; proton은 thylakoid lumen에 농축, mitochondria에서 intermembrane space가 하는 기능을 thylakoid lumen이 함, ATP 합성 역시 thylakoid membrane에 있는 ATPase에 의해, 합성된 ATP는 stroma로

chloroplast genome
; mitochondria genome보다 일반적으로 크지만 식물 중에 따라 genome size 다름
; transcription과 관련된 RNA pol도 encoding, 광합성에 필요한 단백질들도 encoding, rubisco(CO2 고정하는 효소)의 large subunit encoding, …

import and sorting of chloroplast protein
; chloroplast를 구성하는 단백질은 3000개 이상, mitochondrial genome에 비해 더 많은 단백질을 만들 수 있지만 95%는 nuclear genome에 의해 encoding
; cytosol에 만들어진 단백질들이 chloroplast로 들어오는 과정에서 signal seqeunce로 transit peptide가 작용
; ATP, GTP를 가수분해하며 outer membrane의 Toc complex, inner membrane의 Tic complex를 통과
; stroma까지 들어온 transit peptide는 signal peptidase의 일종인 SPP에 의해 잘림
; inner membrane 안쪽에 import complex의 Hsp93가 기능

incorporation into thylakoid lumen and membrane
; 많은 단백질들은 outer, inner membrane을 통과한 후에도(stroma까지 온 후에도) chloroplast만의 third membrane system, thylakoid를 통과해야 함, 세 개의 thylakoid-specific pathway

• Tat pathway
  ; twin arginine이 존재하는 thylakoid signal seqeunce를 가지는 polypeptide의 경우 특별한 translocon에 의해 translocation 이루어짐
  ; translocon은 thylakoid lumen과 stroma에 존재하는 proton gradient에 의존적으로 assembly가 이루어지며 translocation activity 조절
  ; target protein들을 thylakoid lumen 쪽으로 옮김
• Sec pathway
  ; thylakoid signal sequence를 가진 단백질이 sec translocon에 의해 이동
  ; 또다른 translocon이 주관하며, secA라는 단백질이 thylakoid signal sequence를 인식한 후에 ATP 가수분해 에너지를 이용해 polypeptide를 통과시킴
  ; 통과된 polypepetide 일부는 thylakoid lumen으로 위치, 다른 일부는 translocon 과정 중에 membrane으로 삽입
• SRP pathway
  ; ribosome이 ER로 targeting되는 process와 비슷
  ; cpSRP는 signal seqeunce를 인식하여 ribosome과 growing polypeptide 전체를 thylakoid membrane 쪽으로 targeting
  ; thylakoid membrane에 존재하는 translocon Alb3가 polypeptide 합성을 돕고, 만들어진 polypeptide는 thylakoid membrane으로 targeting

plastid family라는 색소체의 일부에 속하는 chloroplast
; 기원이 같으므로 genome이 같음, chromoplasts, leucoplasts 등으로 분화된 것, 가장 흔한 것이 chloroplasts
; chloroplasts를 제외하고는 광합성을 수행하는 색소체가 아니라서 double-membrane system까지는 공통적이지만 thylakoid membrane system은 가지지 않는다
ex. chromoplasts
; 광합성 대신에 다른 carotenoids 계열의 색소체를 보유하기 위해 존재하는 plastids
; carotenoids 계통에는 여러 화합물들이 있는데, 그중 어떤 화합물을 specific하게 가지느냐에 따라 색이 다름
ex. leucoplasts
; 여러 물질을 저장하는 기능을 수행
; starch를 저장하는 amyloplasts, lipid를 저장하는 elaioplasts

; 모든 plastids는 proplastids라는 단순한 형태에서부터 출발, proplastids는 주로 분화되지 않은 식물 세포의 stem cell에 존재, 이후에 세포의 타입에 따라 다양한 형태의 plastids로 분화
; proplastids가 chloroplasts로 분화할 때 중간단계를 거치는데 이를 etioplasts라 부름
; proplastids에서 etioplasts로 분화하는 데에는 빛이 필요하지 않음, instric program, 세포 내부에서 주어지는 신호에 의해 발달, inner membrane에서부터 vesicle이 형성되어 모여서 제3의 막성계의 초보 단계를 형성(tubule 형태)
; etioplasts가 제대로 된 chloroplasts까지 분화하는 데에 빛 신호가 필요, 빛 신호가 주어지면 thylakoid, grana 형태로 분화되면서 그 안에 chlorophyll이라는 색소체 발달
; intrinsic program에 의해 발달이 진행되다가 environmental signal, external signal에 의해 추가적인 발달이 진행되는 특성

Peroxisomes

single-membrane system인 peroxisome
; oxidase들이 crystal을 이룬 구조가 관찰될 만큼 peroxisome 내에는 oxidase family proteins가 높은 농도로 존재
; peroxisome proteins = pex proteins = peroxins
; pex에는 50종류의 효소 존재, 그중 많은 효소가 oxidation reaction에 관련된 효소
; compartmentalization of oxidation reaction, 세포에 위험한 reaction인 oxidation을 특화적으로 수행하는 소기관

oxidation reaction의 대표적인 예시인 fatty acid oxidation
; fatty acid가 coA가 달려서 저장되다가 산소와 반응하는 것, 반응 후에 fatty acid에 존재하는 single bond 하나가 double bond가 되며 산소가 과산화수소(hydrogen peroxide)로 변화
; hydrogen peroxide(H2O2)는 매우 reactive하여 세포 구성물질들을 산화, 파괴시킬 수 있음
; 따라서 형성된 hydrogen peroxide를 빠르게 제거하고 neutralize해줘야 함, 이 역시 peroxisome에서 집중적으로 수행됨 by catalase
; catalase는 hydrogen peroxide를 물+산소로 만들거나 다른 물질과 반응시켜 다른 물질을 산화시키고 물을 생성
; fatty acid oxidation, catalase reaction이 peroxisome 내에서 빠른 속도로 진행됨
; 세포가 저장하는 지방산을 이용해 에너지를 만들 때 일어나는 광범위한 reaction이므로 energy metabolism에 있어 중요
; animal cell에서는 peroxisome과 mitochondria 둘 다 fatty acid oxidation 진행, plant/fungal cell에서는 peroxisome에서만 fatty acid oxidation 진행

peroxisome의 그 외 기능
; lipid의 일부 합성, lysine 합성
; animal cell에서 cholesterol, dolichol을 합성 (대부분은 sER에서 합성되지만 일부는 peroxisome에서 합성)
; animal cell의 간세포 peroxisome은 cholesterol을 이용하여 bile acid(담즙) 합성
; animal cell의 심장/뇌세포에서 plasmalogens라는 특별한 형태의 lipid 합성(fatty acid가 ether bond 대신 ester bond를 통해 glycerol backbone에 결합한 형태의 lipid)

식물 세포에 있어서 peroxisome의 고유한 두 역할

1. glyoxylate cycle
   ; glyoxylate cylce을 돌리는 peroxisome을 glyoxysomes이라 부름
   ; glyoxysome 내에서는 citric acid cycle에서 C6 isocitrate가 C5 경로로 가는 대신 쪼개지며 C4 succinate와 C2 glyoxylate를 만듦
   ; glyoxylate는 acetyl coA의 C2를 받아서 C4 malate 생성 (glyoxylate cycle)
   ; malate는 oxaloacetate가 되어 citrate를 재생하기도 하지만 glucose를 생성하기도 함
   ; 궁극적으로 fatty acid가 glucose(carbohydrate)로 바뀌는 pathway, 지방산으로 저장된 에너지를 당 에너지로 바꿔줌
   ; 식물의 씨앗이 지방산 형태로 저장한 에너지를 그 식물이 아직 광합성 능력을 갖추지 못하고 발아할 때 쉽게 사용할 수 있는 에너지 형태인 glucose로 전환시켜줌
   ; 식물이 발아하고 광합성 능력을 갖추면 glucose 만드는 건 계속해서 알아서 일어남
2. photorespiration (광호흡)
   ; calvin cycle, 대기 중에 존재하는 CO2를 고정시키는 역할, 수행하는 효소는 rubisco(가장 abundant한 protein)
   ; rubisco는 CO2를 substrate로 사용하지만, 동시에 O2와 반응할 수도 있음, CO2보다 O2와의 반응성이 더 높음. 식물 세포 내 산소 분압이 높아지면 산소와 반응.
   ; rubisco가 산소와 반응하면 glycolate가 생성, 만들어진 glycolate는 peroxisome으로 이동하여 glycine으로 바뀜, 만들어진 glycine은 mitochondria로 이동하여 CO2가 발생, 2탄당 glycerate를 생성
   ; 2탄당은 또 다른 형태의 3탄당으로 변한 후 calvin cycle로 recycle
   ; rubisco가 산소와 반응하며 생긴 2탄당은 버려지는 대신 복잡한 경로를 통해 재생되고 calvin cycle에 재투입됨, 버려질 수 있는 탄소 4개 중 3개는 recycle, 하나는 버림
   ; 광호흡이 활발히 일어나는 세포에서는 chloroplasts, peroxisome, mitochondria 세 소기관이 인접해 있음

peroxisome assembly, growing, fission
; ER에서 독립적으로 만들어진 다른 종류의 membrane protein을 가지는 vesicle들이 합쳐지면서 새로운 protein complex 형성(translocon), peroxisome의 전구체 형성
; translocon을 온전하게 형성하는 데 필요한 한 part의 단백질들은 한 veiscle을 통해서, 또다른 part의 단백질들은 또다른 vesicle을 통해서 공급
; 온전한 translocon이 만들어지면 cytosol에 존재하는 단백질 중 peroxisome targeting signal을 가지는 단백질들이 translocon을 통해 peroxisome 안쪽으로 통과
; ER membrane에서 유래되는 vesicle fusion + cytosol에서 공급되는 peroxisome matrix protein
; 특정 size 이상으로 커진 peroxisome은 fission을 통해 divide
; de novo biogenesis + biogenesis by division

matrix protein/membrane protein이 peroxisome으로 들어오는 경로
• matrix protein
; cytosol에서 단백질이 만들어졌을 때 단백질 내에 PTS1, PTS2라는 peroxisome targeting signal이 존재하면 들어옴
; PTS1(C-terminal, SKL)를 가지는 단백질은 pex5가 receptor로 기능, PTS2(N-terminal, 9개의 특정한 아미노산 서열)를 가지는 단백질은 pex7가 receptor로 기능
• membrane protein
; 대부분 ER membrane에서 vesicle을 통해 공급(peroxisome의 membrane lipid, membrane protein의 대부분은 ER membrane에서 유래)
; 그러나 일부 membrane protein은 cytosol에서 만들어진 후 뒤늦게 membrane으로 incorporation됨
; peroxisome targeting signal은 mPTS, mPTS를 가진 단백질에는 pex19가 receptor로 기능