플라빈

플라빈(flavin)은 그 어원(라틴어로 flavus는 노란색)에서 알 수 있듯이, 밝은 노란색을 띄는 색소(yellow pigment, yellow chromophore) 화합물로 세균을 비롯한 모든 생물에 존재한다. 플라빈은 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(flavin adenine dinucleotide, FAD, 그림 1), 플라빈 아데닌 모노뉴클레오타이드(flavin mononucleotide, FMN), 리보플라빈(riboflavin)이 존재하며, 이들은 플라보단백질(flavoprotein)의 조효소이다.

목차

그림 1. FAD(lavin adenine dinucleotide)

플라빈은 세가지 다른 고리를 가지는 isoalloxazine이라는 화합물이 골격으로 되어있으며 산화-환원반응(oxidation-reduction reaction)을 한다. 플라보단백질은 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(flavin adenine dinucleotide, FAD) 또는 플라빈 아데닌 모노뉴클레오타이드(flavin mononucleotide, FMN) 등을 가지는 단백질로 전자전달계(electron transport chain)를 비롯한 다양한 생화학적 과정에 관여하며 대부분의 플라보단백질들은 전자전달을 위한 단백질로 역할을 한다. 비타민 B₂인 리보플라빈(riboflavin)은 FMN의 전구체로 FMN의 다른 이름이 riboflavin-5′-phosphate이다, 리보플라빈에 kinase에 의해 인산기가 붙으면 FMN이 된다. 플라빈을 포함하는 FAD과 FMN은 또한 주로 단백질의 구조적인 안정성과 촉매과정에서 생성되는 중간산물의 안정적 구조유지에 관여한다. FAD를 가지는 단백질로는 ferredoxin-NADP+ reductase, monoamine oxidase, D-amino acid oxidase, glucose oxidase, xanthine oxidase등이 있으며, FMN을 가지는 효소로는 NADH dehydrogenase, nitroreductase, L-lactate dehydrogenase 등이 존재한다.

세균을 비롯한 모든 생물에서 세포내 활성산소(reactive oxygen species, ROS)는 세포내의 전자전달에 관여하는 효소들이 그들의 생리학적 기질들에게 전달해야할 전자를 산소(O₂)에게 직접 전달하여 만들어진다.

플라빈은 다양한 전자전달계 효소 및 대사회로 효소의 조효소이다. 산소(O₂)자체는 평상시 triplet 상태로 전자를 하나만 받지 못한다. 그렇기 때문에 평상시 산소 자체는 강한 산화제(oxidant)가 아니다. 광이나 열에 의해 활성이 되어야 triplet이 singlet이 되어 비로서 산소가 강한 산화제(strong oxidant)가 된다. 전자전달계에 전자를 궁극적으로 전달하는 NADH 또는 NADPH는 화학적으로 하나의 전자를 잃지 않고 항상 두 개의 전자를 잃는다. 하지만 세포내의 플라빈, 퀴논(quinone), 금속들은 하나의 전자를 잃어 버릴 수 있다(전자 하나를 제공하는 공여자가 될 수 있다). 플라빈은 대표적으로 산소에 전자를 하나 줄 수 있는 화합물로 특히, 플라빈을 포함하는 FAD를 조효소로 가지는 NADH dehydrogenase II와 sulfite reductase가 대장균(Escherichia coli)에서 ROS를 생성하는 대표적인 원인 효소들로 보고되었다¹⁾.

그림 2. Ferredoxin- NADP+ Reductase의 구조(빨간색이 FAD, 파란색이 NADP+ ). ()

Ralstonia pickettii의 플라빈 의존형 monooxygenase인 HadA는 다양한 환경오염물질은 chlorophenols(CPs)을 무독화하기 위한 산화적 탈염소반응을 진행한다²⁾. Pseudomonas 종들을 비롯한 다양한 세균에서 FMN을 가지는 Ferredoxin-NADP+ reductase효소(그림 2)는 산화된 철을 환원하는 철환원효소로 역할을 한다³⁾. 다른 기능으로는 결합한 Ferredoxin으로 부터 전자를 FAD에 전달하는 역할을 한다. 플라빈-결합 monooxygenase인 AlmA효소는 긴 사슬 알칸(long chain alkane)을 분해한다⁴⁾. Redox 상태를 감지하는 많은 단백질 중 PAS(Per-Arnt-Sim) 도메인을 갖는 단백질들은 플라빈을 조효소로 가지고 있다⁵⁾.

박우준/고려대학교

석영재/서울대학교

1. Messner KR, Imlay JA.(1999) The identification of primary sites of superoxide and hydrogen peroxide formation in the aerobic respiratory chain and sulfite reductase complex of Escherichia coli. Journal of Biological Chemistry 
2. Pimviriyakul P, Thotsaporn K, Sucharitakul J, Chaiyen P3. (2017) Kinetic Mechanism of the Dechlorinating Flavin-dependent Monooxygenase HadA. Journal of Biological Chemistry
3. Yeom J, Jeon CO, Madsen EL, Park W. (2009) Ferredoxin-NADP+ reductase from Pseudomonas putida functions as a ferric reductase. Journal of Bacteriology
4. Wang W, Shao Z. (2012) Diversity of flavin-binding monooxygenase genes (almA) in marine bacteria capable of degradation long-chain alkanes. FEMS microbiolgy letters.
5. Becker DF, Zhu W, Moxley MA. (2011) Flavin redox switching of protein functions. Antioxidant and redox signalling.