[생화학] 21.3 : 뉴클레오타이드의 생합성 - 3

 

 

 

이전 포스트에 이어서 살펴보자.

 

 

synthesis of deoxyribonucleotides

 

deoxyribonucleotide는 ribonucleotide로부터 만들어질 수 있음. 실제로 ribonucleotide의 2' C에 붙어있는 OH가 H로 reduction되는 step에 의해 이러한 변환이 일어날 수 있으며, 이 때 작용하는 효소가 ribonucleotide reductase임.

 

 

 

 

이와 관련된 반응 과정이 위 그림상에 나타나 있음. 보면 일단 처음에 NADPH로부터 전자와 proton이 전달되는데, 이 때 전자와 proton이 GSSG로 전달될수도, FAD로 전달될수도 있음. 일단 GSSG로 전자가 전달될 경우 결과적으로 glutaredoxin으로 전자가 이동하게 되고, 이어서 이 녀석이 최종적으로 ribonucleotide reductase를 reduction(=activation)시켜주게 됨.

 

한편 FAD로 전자가 전달될 경우 결과적으로 thioredoxin으로 전자가 이동하게 되고, 이어서 이 녀석이 최종적으로 ribonucleotide reductase를 reduction(=activation)시켜주게 됨. 이렇게 해서 reduction된 ribonucleotide reductase는 NDP를 dNDP로 reduction시켜주게 됨.

 

 

 

 

위 그림상에 나타나 있는 것이 ribonucleotide reductase의 구조임. 보면 heterotetrameric하게 α subunit 2개, β subunit 2개가 모여 형성되어있음을 알 수 있으며, α subunit으로부터 유래한 2개의 SH와 β subunit으로부터 유래한 1개의 tyrosine이 모여 active site를 구성하고 있음. 그리고 이 효소의 substrate로는 ADP, CDP, UDP, GDP가 다 들어갈 수 있음.

 

 

한편 이 효소의 α subunit에는 2개의 allosteric site가 존재함. 하나는 primary regulation site로, 이곳에는 ATP, dATP가 붙을 수 있음. 이 때 ATP가 붙을 경우 효소의 반응이 촉진되고 dATP가 붙을 경우 효소의 반응이 억제됨. 한편 또 다른 하나는 substrate specificity site로, 이곳에는 ATP, dATP, dGTP, dTTP가 붙을 수 있음. 이들 중 어떤 녀석이 이 site에 결합하는지에 따라 substrate의 specificity가 달라지게 되고 결국 이런 regulation에 의해 4개 종류의 nucleotide가 balance있게 골고루 합성될 수 있음.

 

 

 

 

 

이와 관련된 모식도가 위와 같음. 일단 위 그림의 왼쪽에는 primary regulatory site에 붙은 ATP, dATP에 의해 일어나는 regulation이 표현되어 있음. 보면 ATP는 이 site에 붙을 시 dCTP, dTTP, dGTP, dATP의 합성을 모두 촉진하게 되고, dATP는 이 site에 붙을 시 dCTP, dTTP, dGTP, dATP의 합성을 모두 저해하게 됨. 다음으로 위 그림의 오른쪽에는 substrate-specificity site에 붙은 ATP, dATP, dTTP, dGTP에 의해 일어나는 regulation이 표현되어 있음.

 

 

보면 ATP, 혹은 dATP가 이 site에 붙을 시 dCTP, dTTP의 합성이 촉진됨. (balance있게 nucleotide를 만들어내기 위한 regulation 기작) 한편 dTTP가 이 site에 붙을 시 dCTP, dTTP의 합성은 저해하고 dGTP의 합성을 촉진하게 됨. 마지막으로 dGTP가 이 site에 붙을 시 dCTP, dTTP, dGTP의 합성은 저해되고 dATP의 합성이 촉진됨. 그 결과 4종류의 nucleotide가 균형있게(골고루) 만들어지게 됨.

 

 

 

 

한편 실제로는 regulator의 binding에 의해 위와 같은 dramatic한 enzyme의 conformational change가 일어날 수도 있음. 일단 위 그림상에 나타나 있는 α2β2상태가 가장 functionally active한 상태임. 그런데 dATP가 이 효소에 결합할 시 구조가 dramatic하게 변화하게 되고, 그 결과 α subunit 4개, β subunit 4개가 모여 α4β4structure가 만들어지게 됨. 이 구조는 catalytically less active하기에 결국 dATP에 의해 전반적인 효소활성이 저해되는 것임.

 

 

 

 

위 그림은 ribonucleotide reductase에 의해 일어나는 reduction의 상세한 mechanism을 나타내 보여주고 있음. 하나하나 살펴보자.

 

 

보면 위 그림 왼쪽 위와 같은 상황에서, tyrosine radical이 3'의 C를 공격하게 되고, 그 결과 3'-ribonucleotide radical이 만들어짐. 이어서 2' C에 붙은 OH가 α subunit의 SH로부터 proton을 공급받게 됨. 그 다음에 2'에 붙은 OH2가 H2O의 형태로 떨어져나가게 되고, 이어서 이곳에 α subunit의 SH로부터 유래한 proton이 전달되게 됨. (그 결과 ribonculeotide reductase α subunit이 oxidation되어 S-S bond가 형성됨) 이어서 앞서 형성되어 있었던 3' radical이 β subunit의 X-H를 공격하게 되고 그 결과 tyrosine radical이 재형성되면서 반응이 종결됨. 한편 그 결과 dNDP가 빠져나가고 NDP가 다시 들어오는데 더해서, Thioredoxin, 혹은 glutaredoxin에 의해서 ribonucleotide reductase가 다시 reduction되면 다시금 앞서의 reduction 반응이 일어날 수 있게 됨.

 

 

synthesis of dTMP

 

DNA 중합의 필수 원료 중 하나인 dTMP는 dUTP로부터 만들어짐. (사실 dUTP는 지금까지 알려진 바로는 여타 다른 생물학 반응에 잘 쓰이지 않음. 그러나 dTMP의 합성에 있어서 precursor로 기능한다는 점에서 중요함)

 

 

 

 

위 그림에는 이와 관련된 pathway가 나타나 있음. 일단 앞서 살펴본 reduction의 과정에 의해 dUTP가 생성될 수 있음. (참고로 dCTP가 deaminase에 의해 deamination되어도 dUTP가 생길 수 있음) 이어서 dUTP에 dUTPase가 작용할 시 인산기 2개가 떨어져나오며 dUMP가 됨.

 

이어서 thymidylate synthase의 도움 하에, tetrahydrofolate로부터 methyl group이 dUMP로 전달되게 되면 결과적으로 dTMP가 만들어지게 됨. (참고로 thymidylate synthase는 anticancer drug의 target이 될 수 있는데, 그도 그럴 것이 cancer에서 특별히 DNA replication이 더 많이 일어나므로 dTMP의 합성을 저해할 시 anti-cancer effect를 기대할 수 있을 것이기 때문)

 

 

 

 

위 그림은 thymidylate synthase에 의해 일어나는 dUMP→dTMP로의 전환반응을 조금 더 자세히 묘사해주고 있음. 하나하나 살펴보자.

 

일단 tetrahydrofolate는 serine hydroxymethyl-transferase의 도움을 받아 serine으로부터 hydroxymethyl group을 전달받게 됨. (이 때 중요하게 작용하는 cofactor가 PLP임) 이후 이 녀석이 가지는 회색의 CH2와 주황색의 H가 총합 CH3로 dUMP에 전달되게 되며, 그 결과 dTMP가 만들어짐. 한편 그 부산물로 나오는 dihydrofolate는 NADPH로부터 H를 공여받아서 다시금 tetrahydrofolate가 될 수 있음.

 

 

그런데 이 과정에서 folate가 매우 중요하기 때문에, folic acid deficiency는 thymidylate synthesis를 reduce시켜버릴 수 있음. 일반적으로 folic acid deficiency는 영양적으로 poor한 population에서 많이 발생하며, thymidylate synthesis가 줄어들 시 dUTP가 dTTP 대신 DNA에 incorporation되게 됨.

 

그럴 시 repair mechanism에 의해 이것이 제거되고, 그 결과 abasic site가 만들어져서 DNA의 function, structure가 abnormal해짐. (심지어는 이 때문에 cancer, heart disease, neurological impairment가 일어나기도 함) 사실 임신 과정에서 vitamin B12(엽산, folate)를 많이 먹어줘야되는 것도 이와 관련되어 있는데, folate가 충분해야 아이의 균형잡힌 development가 가능하기 때문임.

 

 

 

다음 포스트에서는 뉴클레오타이드의 분해과정에 대해 알아보자.