글루타민 합성효소

글루타민 합성효소(glutamine synthetase, GS, EC 6.3.1.2)는 글루탐산(glutamate)과 암모니아(NH₃)로부터 글루타민(glutamine)을 합성하는 효소로 질소대사에서 중요한 역할을 한다.

목차

글루탐산 + 암모늄이온(NH₄⁺) + ATP → 글루타민 + ADP + P_i + H⁺

글루타민 합성효소에 의한 글루타민 생성 (출처: 이진원/한양대)

질소대사에 중요한 역할을 하는 암모니아 동화과정에 관여하는 대표적인 2 종류의 효소인 glutamine synthetase와 glutamate synthase에서처럼, 원래 ATP 등의 에너지를 사용하는 효소에는 synthetase라는 이름을 붙이고, 에너지를 사용하지 않는 효소에는 synthase라는 이름을 붙였다. 하지만 1984년에 Joint Commission on Biochemical Nomenclature의 결정에 따라 에너지 사용 여부와 관계없이 합성을 촉매하는 모든 효소에는 synthase라는 이름을 사용하고, synthethase라는 이름은 ligase와 같은 의미로 사용하게 되었다. 따라서 glutamine synthetase 대신 synthase라고 해도 되지만, 아직도 glutamine synthetase가 더 많이 사용된다.

12개의 단위체로 이루어진 글루타민 합성효소 (Bacillus subtilis), 출처: PDB ID: 4LNO

글루타민 합성효소는 8, 10 또는 12개의 단위체로 이루어질 수 있는데, 박테리아에는 12개의 단위체로 이루어진 12량체(dodecamer)가 주로 존재한다. 12량체에서 활성부위는 각 단위체 사이에 총 12개가 존재하는데, 각 활성부위에는 뉴클레오티드, 암모니아, 아미노산 결합 부위가 존재한다. 글루타민 합성효소에 의한 반응은 먼저 ATP와 글루탐산이 반응해서 중간산물인 γ-glutamyl phosphate와 ADP가 형성되고, γ-glutamyl phosphate와 NH₃(실제 반응에서 효소에는 NH₄⁺가 결합한 후 H⁺가 떨어져서 NH₃로 변환됨)가 반응해서 글루타민과 인산기(P_i)가 생성된다.

글루타민 합성효소는 질소대사에서 아주 중요한 역할을 하기 때문에, 다른자리입체적인 방법(allosteric)과 공유결합적인 방법(covalent modification)을 통해 매우 복잡하고 세밀하게 조절된다.

먼저, 글리신(Gly)과 알라닌(Ala), 그리고 글루타민을 거쳐 합성되는 AMP, CTP, 트립토판(Trp), 히스티딘(His), 카바모일 인산염(carbamoyl phosphate), 글루코사민 6-인산(glucosamine 6-phosphate) 등은 다른자리입체적인 방법을 통해 글루타민 합성효소의 활성을 단계적으로 억제한다.

글루타민 합성효소의 활성은 공유결합에 의해서도 조절되는데, 12개의 각 단위체에 존재하는 티로신(Tyr) 잔기가 아데닐화(adenylylation, AMP 결합)되거나 탈아데닐화(deadenylylation, AMP 제거)됨으로써 조절된다. 12개의 단위체 모두가 아데닐화되면 글루타민 합성효소는 완전히 불활성화되고, 일부만 아데닐화되는 경우에는 부분적인 활성을 갖는다. 글루타민 합성효소의 아데닐화/탈아데닐화는 티로신 잔기에 AMP를 붙이는 활성과 떼어내는 활성을 동시에 가진 아데닐기 전이효소(adenyl transferase, AT)에 의해 일어난다. 아데닐기 전이효소의 활성은 이것과 결합하는 PII에 의해 조절되며, PII의 활성은 티로신(Tyr) 잔기가 유리딜 전이효소(uridylyl transferase)에 의해 유리딜화(urydylylation)/탈유리딜화(deuridylylation) 되는가의 여부에 따라 조절 된다. 유리딜 전이효소에 글루타민과 무기인산(Pi)이 결합하면 PII를 유리딜화 시키는 활성이 저해되고, ATP와 알파케토글루탐산(α-ketoglutarate)이 결합하면 PII를 유리딜화 시키는 활성이 촉진된다. 유리딜화되지 않은 PII(활성화 상태인 PIIA)는 아데닐기 전이효소가 글루타민 합성효소를 아데닐화 시키는 반응을 촉진시킨다. 유리딜화된 PII(불활성화 상태인 PIID, PII-UMP)는 아데닐기 전이효소가 글루타민 합성효소를 탈아데닐화 시키는 반응을 촉진시킨다.

또한 PII는 전사조절에 관여하는 다른 단백질과의 상호작용을 통해 글루타민 합성효소의 전사를 조절할 수 있는데, PIIA는 전사를 억제하고 PIID는 전사를 촉진한다. 이러한 복잡한 과정을 통해서, 글루타민의 농도가 높은 경우에는 글루타민 합성효소의 활성이 저해되는 방향으로 조절이 진행된다. 반대로, 세포 내 유기질소 화합물의 농도가 낮고 (즉, 알파케토글루탐산(α-ketoglutarate)의 농도가 높고) 글루타민 합성효소의 기질로 사용되는 ATP가 충분한 경우에는, 글루타민 합성효소의 활성이 촉진되는 방향으로 조절이 진행된다.

이진원/한양대학교

하남출/서울대학교