이핵 철 중심

이핵 철 중심(binuclear/dinuclear iron center)은 금속인 철 이온 2개와 이를 연결하는 리간드로 이루어진 구조이다. 이핵 철 중심 구조는 산소 분자(molecular oxygen, dioxygen)와 관련된 효소 활성에 중요한 역할을 한다. 이핵 철 중심을 가진 단백질의 예로는 헴에리스린(hemerythrin)과 같은 산소 전달 단백질이나 메탄 산소첨가효소(methane monooxygenase)와 같은 산소첨가효소(oxygenase) 등이 있다¹⁾²⁾.

목차

많은 단백질과 효소들에는 금속이온이 존재하는 데, 이와 같이 금속 보조 인자를 포함하는 단백질을 금속 단백질(metalloprotein)이라고 한다. 여러 종류의 금속 단백질 중에서 철을 포함하는 철 단백질은 크게 헴을 가지는 단백질인 헴단백질(hemeprotein, hemoprotein)과 비헴 철 단백질(non-heme iron protein)로 구분할 수 있다. 헴단백질은 포피린(porphyrin) 고리에 2가 혹은 3가의 철이 결합된 헴(heme)을 가지는 단백질을 말하며, 비헴 철 단백질은 포피린 고리를 이용하지 않고 철이 직접 결합된 단백질을 말한다. 비헴 철 단백질은 활성부위 당 철 이온을 1개만 가진 1핵(혹은 단일핵) 철 중심(mononuclear non-heme iron center) 단백질과 활성부위에 철 이온 2개를 가진 2핵 철 중심(dinuclear 혹은 binuclear non-heme iron center) 단백질로 구분된다.

대부분의 이핵 철 중심은 일반적으로 2개의 히스티딘과 4개의 카르복시기로 이루어진 리간드로 이루어져 있으며, 2개의 철 이온을 연결하는 리간드(bridging ligand) 로는 카르복시기와 산소(OH^- 또는 oxo)가 사용된다(그림 1). 이러한 형태의 이핵 철 중심을 가진 단백질로는 2개의 히스티딘, 3개의 글루탐산, 1개의 아스파르트산(2H/3E/1D) 리간드를 가지는 리보뉴클레오티드 환원효소(ribonucleotide reductase)가 있다. 또한 2개의 히스티딘과 4개의 글루탐산(2H/4E) 리간드를 가지는 메탄 산소첨가 효소(soluble methane monooxygenase), 톨루엔 산소첨가 효소(toluene 4-monooxygenase), 박테리오페리틴(bacterioferritin) 등이 있다.

그림 1. 이핵 철 중심의 구조. 산화된 메탄 산소첨가 효소 (methane monooxygenase, PDB ID: 1FZ1)에 존재하는 이핵 철 중심의 구조. (그림: 이진원/한양대)

이와 달리, 산소를 운반하는 헴에리스린(hemerythrin)이나 미오헴에리스린(myohemerythrin)과 같은 단백질에 존재하는 이핵 철 중심은 5개의 히스티딘 리간드가 철 이온 양 끝에 존재하고, 2개의 철 이온은 2개의 카르복시기와 1개의 옥소(oxo)기로 연결되어 있다(그림 2).

그림 2. 산소 결합 전과 후의 헴에리스린(PDB ID: 1HMD). (그림: 이진원/한양대)

이외의 이핵 철 중심 구조를 가지는 단백질에는 4개의 히스티딘, 2개의 아스파르트산, 1개의 글루탐산(4H/2D/1E) 리간드를 가지는 플라빈 이철 단백질(flavin diiron protein), 4개의 히스티딘과 2개의 아스파르트산(4H/2D) 리간드를 가지는 미오이노시톨 산소첨가 효소(myo-inositol oxygenase), 1개의 히스티딘, 3개의 글루탐산, 1개의 아스파르트산, 1개의 글루타민(1H/3E/1D/1Q) 리간드를 가지는 페리틴(ferritin) 등도 존재한다.

이핵 철 중심을 가지는 단백질은 산소 분자(dioxygen)와 가역적 결합을 통해 산소를 운반하거나, 산소 분자와 결합을 통해 산소를 물로 환원시키는 반응, 불포화 반응(desaturation), 히드록시화 반응(hydroxylation) 등을 수행한다.  일반적으로 단일핵 철 중심(mononuclear iron center)을 가지는 단백질들이 보조인자를 사용해서 반응에 필요한 전자를 공급 받는 데 비해, 이핵 철 중심을 가지는 단백질들은 2번째 철 이온을 보조 인자 대신 이용해서 전자를 공급받는다.

헴(heme), 리보뉴클레오티드 환원효소(ribonucleotide reductase)

이진원/한양대학교

하남출/서울대학교

1. Nordlund, P. and Eklund, H. 1995. Di-iron–carboxylate proteins. Curr. Opin. Struct. Biol. 5, 758–766.
2. Solomon, E. and Park, K. 2016. Structure/function correlations over binuclear non‑heme iron active sites. J. Biol. Inorg. Chem. 21, 575–588.