빌린

네 개의 피롤링이 선형으로 연결될 테트라피롤을 빌린(bilin)이라한다. 고세균을 제외한 모든 생명체에서 발견된다. 사람은 헴 분해산물인 빌리루빈(bilirubin)를 갖고 있다. 광합성 색소로는 피코시아노빌린(PCB)이나 피코에리스로빌린(PEB)이 있다. 고등식물과 남세균 및 세균에서 발견되는 광수용체인 피토크롬의 발색단이기도 하다. 무척추동물인 녹색 사냥꾼 거미(Green Huntsman Spider)에서 녹색은 미크로메터빌린(micrometabilin) 때문이다. 빌린마다 고유한 흡수 스펙트럼을 갖는데 공액사슬계의 파이 전자수가 다르기 때문이다.

빌린 구조 (출처:Rockwell NC, Lagarias JC, Bhattacharya D (2014) Primary endosymbiosis and the evolution of light and oxygen sensing in photosynthetic eukaryotes. Front Ecol Evol, 2: 66)

목차

헴이 폐쇠된 고리형에서 개방형 사슬 구조로 변화되는 단계가 첫 번째 단계이다. 헴 산화효소(haem oxygenase, HO)에 의해서 A와 D 고리가 끊어지면서 빌리버딘(Biliverdin IXα, BV)이 생성된다. 이 과정에 총 7개의 전자와 3분자의 산소가 필요하며 1분자의 일산화탄소와 철이 생긴다. 이때 필요한 전자 공여체는 시토크롬 P450이 아니라 페레독신임이 홍조류, 남세균, 애기장대, T4 파지에서 밝혀졌다. 또한 비타민 C가 HO 활성도를 약 10여 배 이상 향상시킨다. 포유류 HO는 막 단백질이지만 식물 HO는 수용성 단백질이며 N-말단에 엽록체로 수송되는 신호 펩티드가 있다.

빌린 생합성 경로 (출처:한국식물학회)

빌리버딘 환원효소(biliverdin reductase, BR)는 남세균에서 보고되었는데, B와 C 고리 사이의 메틴(methine, -CH=)을 환원시킴으로써 BV IXα를 빌리루빈(bilirubin IXα)으로 전환시킨다. NADH나 NADPH가 전자를 제공한다. 포유류와 남세균 BR 간의 아미노산 서열 유사성이 크다. 빌리버딘과 빌리루빈은 단순히 헴 분해대사 산물이 아니라 항산화 반응이나 엽록체에서 핵으로 신호전달 경로에 관여한다.

페레독신-의존성 빌린환원효소(ferredoxin-dependent bilin reductase, FDBR)가 페레독신으로부터 전자를 받아서 BV를 PEB, PCB, PΦB (phytochromobilin)로 전환한다.¹⁾ 빌린 생합성 경로는 2개 혹은 4개의 전자가 환원되는 반응으로 나눌 수 있다. PcyA, PebS, PUBS는 4개를, HY2, PebA, PebB는 2개의 전자를 필요로 한다. PcyA, HY2, PebS, PebB는 3번 탄소의 비닐(vinyl)기를 에틸리딘(ethylidene)으로 환원시킨다. 반면에 PebA, PebS, 그리고 PUBS는 15번과 16번 탄소간의 이중결합을 환원시킴으로써 테트라피롤 공액사슬계를 A-C와 D로 분리한다.

고등식물에서 PΦB합성효소인 HY2는 A 고리에 2개의 전자를 전달한다. PEB 생합성은 PebA와 PebB 두 효소가 관여하는 경로와 PsbS에 의한 경로 2가지가 있다. 남세균에서는 15,16-DHBV(15,16-dihydrobiliverdin):Fd oxidoreductase (PebA)가 D고리의 15번과 16 탄소에 의한 메틴(methine)을 환원시켜 중간산물인 15,16-DHBV이 생성된 후 연이어 PEB: Fd oxidoreductase(PebB)에 의해 A고리가 환원됨으로써 PEB가 생성된다. 남세균 Prochlorococcus을 감염시키는 남세균 바이러스인 P-SSM2는 PebA/B 대신에 4개의 전자를 이용하여 PEB를 합성하는 PEB synthase(PebS)가 있다. 중간산물로 15,16-DHBV가 형성되며, 남세균 pebA/B 두 효소의 활성도를 모두 갖고 있다. 반면에 PCB 생합성은 PCB: Fd oxidoreductase(PcyA)에 의해서 촉매되는데, 4개 전자수송에 의한 환원 과정으로서 18¹,18²-DHBV: Fd oxidoreductase와 PCB: Fd oxidoreductase 활성도를 갖고 있다. 이외에 피코비올로빌린(PVB)과 피코유로빌린(PUB)이 보고되었다. 다른 빌린과 달리 이 두 화합물은 단백질과 결합한 형태로만 발견된다. PVB는 PCB가 이성질화되어서 생성되는데 남세균 피토크롬 일종인 시아노박테리오크롬에서 발견된다. PUB 또한 PEB나 PCB의 이성질화 결과 생성된다. PUB synthase(PUBS)는 홍조류와 이끼같은 하등식물에서 발견되는 것으로 보아 수생에서 육상 환경으로 식물의 진화에 중요한 역할을 한 것으로 판단된다.

종속영양생물은 빌린 대사를 통해 헴에 부착되어 있는 철을 재활용하게 한다. 이러한 철의 재활용은 만성 철 결핍 상태에 놓여있는 호기성 환경에서 철 결핍을 극복하는 한 방법으로 매우 중요하다.²⁾ 반면 광독립영양생물에서 빌린 대사물은 광수용체 피토크롬이나 광합성 광수확색소의 일종인 피코빌리좀의 발색단으로 이용된다. 물론 종속영양생물에서도 광독립영양생물에서처럼, 빌린이 헴산화효소(heme oxygenase)에 의해 산화되는 과정에서 유리된 철이 세포내 항상성 유지에도 관여한다. 또한 빌린 대사물은 피토크롬 유전자가 없는 녹조류 등 수생식물에서 스트레스 조건에서 핵으로 신호를 전달하는 신호전달자 역할을 수행함으로써 순화 반응에 관여한다.³⁾

1. Rockwell N, Lagarias JC (2017) Ferredoxin-dependent bilin reductases in eukaryotic algae: uniquity and diversity. J Plant Physiol, 217: 57-67
2. Frankenberg N, Mukougawa K, Kohchi T 등 (2001) Functional genomic analysis of the HY2 family of ferredoxin-dependent bilin reductases from oxygenic photosynthetic organisms. Plant Cell, 13: 965-978
3. Duanmu D, Casero D, Dent RM 등 (2013) Retrograde signaling enables Chlamydomonas greening and phototrophic survival. Proc Natl Acad Sci USA, 110: 3621-3626