리보뉴클레오티드 환원효소

리보뉴클레오티드 환원효소; 리보뉴클레오타이드 환원효소(국문) ribonucleotide reductase; EC number1.17.4.1 (영문) RNR (약어)

리보뉴클레오티드 환원효소(ribonucleotide reductase, RNR)는 리보뉴클레오티드(ribonucleotide)를 디옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide)로 환원시키는 효소이다. DNA를 구성하는 디옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide)는 리보뉴클레오티드(ribonucleotide)의 리보오스(ribose)에 있는 2’-탄소가 직접 환원되는 과정을 통해 생성되는데, 리보뉴클레오티드 환원효소는 이 과정을 촉매하는 효소이다. 리보뉴클레오티드 환원효소는 기질로 ADP, GDP, CDP, UDP 등의 리보뉴클레오시드 2-인산염(ribonucleoside diphosphate)을 사용하여 dADP, dGDP, dCDP, dUDP 등의 디옥시리보뉴클레오시드 2-인산염(deoxyribonucleoside diphosphate)을 생성하므로 리보뉴클레오시드 2-인산염 환원효소(ribonucleoside diphosphate reductase, rNDP)로도 불린다. 우라실(uracil) 대신 DNA에 사용되는 티민(thymine)의 경우에는 리보뉴클레오티드(TDP) 형태로 합성되지 않기 때문에, 리보뉴클레오티드 환원효소에 의해 dTDP가 생성되지 않는다. dTDP는 thymydylate kinase에 의해 dTMP로부터 생성되며, dTMP는 thymydylate synthase에 의해 dUMP로부터 생성된다.

목차

리보뉴클레오티드 환원효소의 특징 중 하나는 효소 반응 과정에 자유라디칼(free radical)을 이용한다는 것인데, 이 효소는 활성부위 라디칼과 보조인자(cofactor)에 따라 클래스 1 ~ 3의 3가지로 구분된다.

클래스 I: 2핵의 철 중심(binuclear iron center)을 이용해 생성된 티로신 자유라디칼(tyrosyl free radical)을 사용하며, 티로신 자유라디칼을 재생하기 위해 산소가 필요하므로 산소가 있는 조건에서 활성을 가진다. NDP를 기질로 사용한다. 진핵생물, 세균, 고균, 박테리오파지 등에 존재한다.

클래스 II:  자유라디칼을 생성하기 위해 코엔자임 B12(coenzyme B12, 5’-deoyadenosyl cobalamin)을 사용하며, 산소가 있거나 없는 조건 모두에서 활성을 가진다. 기질로 NDP 혹은 NTP를 사용한다. 고균, 세균, 박테리오파지 등에 존재한다.

클래스 III: S-adenosyl methionine과 철-황 클러스터(Fe-S cluster)를 이용해 생성된 글리신 자유라디칼(glycine free radical)을 사용하며, 산소가 없는 조건에서만 활성을 가진다. 기질로 NTP를 사용한다. 고균, 세균, 박테리오파지 등에 존재한다.

한 종류의 생물이 서로 다른 클래스의 효소를 가질 수 있는데, 예를 들어 대장균의 경우 클래스 I과 클래스 III을 가지고 있으며, 산소의 존재 유무에 따라 서로 다른 클래스의 효소를 사용한다.

리보뉴클레오티드 환원효소의 구조(S. thyphimurium, Class 1B RNR1 dimer) (출처: PDB ID 2BQ1)

리보뉴클레오티드 환원효소의 구조(S. thyphimurium, Class 1B Holocomplex) (출처: PDB ID 2BQ1)

클래스 I 효소의 경우, 큰 단위체인 RNR1과 작은 단위체인 RNR2가 heterodimeric tetramer를 구성하여 활성을 나타낸다. 큰 단위체인 RNR1에는 2종류의 조절 부위가 존재하는데, 하나는 주 조절부위(primary regulation site)이고 다른 하나는 기질 특이성 부위( substrate specificity site)이다. 4량체로 이루어진 전효소복합체(holoenzyme)에는 2개의 활성부위가 있는데, 이 활성부위는 큰 단위체인 RNR1과 작은 단위체인 RNR2가 만나는 지점에 형성되는 것으로 추정된다.  2핵의 철 중심(binuclear iron center)과 티로신 자유라디칼(tyrosyl free radical)은 RNR2의 소수성 부위 깊숙한 곳에 존재한다.

리보뉴클레오티드 환원효소가 뉴클레오티드의 리보스 부분이 환원시키기 위해서는 2개의 수소 원자가 필요하다. 이들 수소원자는 NADPH로부터 기원하여, 티오레독신(thioredoxin) 혹은 글루타레독신(glutaredoxin) 시스템을 통해 리보뉴클레오티드 환원효소로 전달된 후, 최종적으로 리보스의 환원에 사용된다.

이진원/한양대학교

하남출/서울대학교

1. David L. Nelson and Michael M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry 5th Ed., FREEMAN

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