뉴클레오티드

[ Nucleotide ]

뉴클레오티드는 모든 생명체의 유전물질인 DNA나 RNA의 기본단위로 염기(base), 5탄당, 인산(phosphate)의 세 가지 요소로 구성되어 있다. 염기와 5탄당은 글리코시드본드로 연결되어 있고, 5탄당과 인산은 인산디에스테르결합으로 연결되어 있다. 염기에는 퓨린(purine)과 피리미딘(pyrimidine)이 두 종류가 있고, 5탄당은 DNA에는 디옥시리보스(deoxyribose), RNA에는 리보스(ribose)가 사용되고, 인산은 동일하다. 염기와 5탄당을 가지고 있는 것은 뉴클레오시드(nucleoside)라 한다.

염기는 퓨린과 피리미딘의 두 종류가 있다. 퓨린에는 아데닌(Adenine, A)과 구아닌(Guanine, G)의 두 종류가 있고, DNA나 RNA에서 퓨린은 모두 동일하다. 피리미딘에는 시토신(Cytosine, C), 우라실(Urasil, U), 티민(Thymine, T)의 세 종류가 있으며, DNA에는 시토신과 티민, RNA에는 시토신과 우라실이 사용된다. 뉴클레오티드에서 염기는 글리코시드본드(glycosidic bond)에 의하여 5탄당의 1번 탄소와 연결된다. DNA는 이중 나선으로 구성되어 있는데 이 때 퓨린은 피리미딘과 수소결합을 한다. 특히 아데닌은 티민과, 구아닌은 시토신과 수소결합한다. RNA는 일반적으로 단일가닥으로 존재하지만 경우에 따라 이중나선을 형성하는 데, 이 때는 아데닌은 우라실, 구아닌은 시토신과 수소결합한다(그림 2).

그림 2. 염기 퓨린과 피리미딘의 구조 (출처: 한국분자·세포생물학회)

퓨린

퓨린은 피리미딘 링과 이미다졸(imidazole) 링이 결합되어 있는 방향족 유기화합물이다. 두 개의 링 구조에서 1, 3, 7, 9번에 질소원자를 가지고 있고, 나머지는 탄소원자로 구성되어 있다. 퓨린은 자연계에 여러 물질에 존재하고, 1898년 독일 화학자인 에밀 피셔(Emil Fischer)는 요산으로부터 화학적으로 합성하고 퓨린이라 명명하였다. 퓨린은 간, 콩팥, 뇌와 같은 동물의 내장기관에 많이 존재하고, 이외에도 멸치, 청어, 고등어, 정어리와 같은 생선류, 맥주에도 많이 존재한다. 반면에 소고기, 돼지고기와 같은 육류, 위에 기술한 생선을 제외한 생선류, 해산물에는 중간 정도이고, 시금치, 버섯, 컬리플라워, 곡류 등에는 퓨린의 양이 비교적 적다.

퓨린염기에 5탄당이 글리코시드결합으로 연결되면 뉴클레오시드, 뉴클레오시드에서 5탄당의 5번 탄소에 인산디에스테르결합에 의하여 하나의 인산이 결합하면 뉴클레오시드1인산(nucleoside monophosphate), 두 개의 인산이 결합하면 뉴클레오시드2인산(nucleoside diphosphate), 세 개의 인산이 결합하면 뉴클레오시드3인산(nucleoside triphosphate)라 한다(그림 3). 따라서 아데닌 염기와 5탄당이 결합하면 아데노신(Adenosine), 여기에 하나의 인산이 결합하면 아데노신1인산(Adenosine monophosphate, AMP), 두 개의 인산이 결합하면 아데노신2인산(Adenosine diphosphate, ADP), 세 개의 인산이 결합하면 아데노신3인산(Adenosine triphosphate, ATP)이라 한다. 아데닌 대신 구아닌의 경우에는 구아노신1인산(Guanosine monophosphate, GMP), 구아노신2인산(Guanosine diphosphate, GDP), 구아노신3인산(Guanosine triphosphate, GTP)이 된다.

그림 3. 뉴클레오시드와 뉴클레오티드의 구조 (출처: 한국분자·세포생물학회)

피리미딘

피리미딘은 링 구조에서 1, 3번에 질소 원자를 가지고, 나머지 4 개는 탄소원자로 구성되어 있다. 피리미딘 링도 글리코시드결합에 의하여 5탄당의 1번 탄소와 결합하여 뉴클레오시드가 되고, 뉴클레오시드의 5탄당에서 5번 탄소가 인산디에스테르결합에 의하여 인산과 결합하면 뉴클레오티드가 된다. 시토신의 경우, 시티딘1인산(CMP), 시티딘2인산(CDP), 시티딘3인산(CTP)이 되고, 우라실의 경우 우리딘1인산(UMP), 우리딘2인산(UDP), 우리딘3인산(UTP)이 되며, 티민의 경우 티미딘1인산(dTMP), 티미딘2인산(dTTP), 티미딘3인산(dTTP)라 한다.

5탄당

5탄당(ribose)은 5 개의 탄소를 가진 탄수화물이다. 5탄당에는 DNA에 사용되는 디옥시리보스와 RNA를 구성하는 리보스의 두 종류가 있다. 두 가지 5탄당의 차이점은 리보스는 2번 탄소에 수산화기(-OH)가 있는 반면, 디옥시리보스는 2번 탄소에 수소(-H)를 가지고 있다. 그러므로 디옥시리보스는 산소가 결핍된 리보스라는 의미이다. 5탄당의 1번 탄소는 염기와 글리코시드 결합으로 연결되고, 5번 탄소는 인산디에스테르 결합으로 인산과 결합되어 있다.

인산

인산(phosphate)의 화학구조식은 PO₃⁻⁴로 이 인산염은 무기화학물질로 인산(phosphoric acid)의 염-형성 음이온이다. 인산은 5탄당의 5번 탄소에 인산디에스테르결합으로 연결되며, 계속하여 3 개까지 연결될 수 있다. 뉴클레오시드에 1 개의 인산이 붙으면 뉴클레오시드1인산, 2 개가 붙으면 뉴클레오시드2인산, 3 개가 붙으면 뉴클레오시드3인산이라 한다.

염기의 합성

퓨린의 생합성은 포스포리보실아민(phosphoribosylamine, P-ribose-NH₂)에서 시작하여 글리신, 포밀테트라히드로폴레이트(N¹⁰-formyltetrahydrofolate), 글루탐산, CO₂, 아스파트산의 여러 원자가 퓨린 링의 성분을 구성하여 합성된다. 피리미딘의 합성은 비교적 단순하여 카바모일인산(carbamoyl phosphate)와 아스팔탐산에서 합성된다.

통풍

통풍(gout)은 혈액 내 요산염(urate)의 농도가 높아져 체내 용액이나 발가락 등 관절에서 요산염 결정을 형성하여 생기는 질병으로 심한 통증을 유발한다. 심한 경우 콩팥도 영향을 받을 수 있다. AMP는 분해될 때 인산이 떨어져 아데노신이 되고, 아데노신탈아미노화효소에 의하여 아미노가 떨어져 이노신1인산(Inosine monophophate, IMP)이 된다. IMP는 리보스가 떨어져 하이포잔틴(hypoxantine)이 되고 하이포잔틴은 잔틴(xantine)을 거쳐 요산(uric acid)가 된다. 요소는 생리적인 pH에서 양성자를 해리시켜 음전하를 띤 요산염이 된다. 1가의 음이온을 띤 요산염에 1가의 양이온은 띤 나트륨이 결합하면 요산염 결정을 이루게 된다. 사람에서 요산염이 퓨린 분해의 최종산물로 오줌으로 배출된다. 통풍환자는 하이포잔틴의 유사체인 알로퓨리놀(allopurinol)을 먹으면 알로퓨리놀이 잔틴산화효소의 경쟁억제제로 작용하여 퓨린의 분해를 억제하여 혈액 내 하이포잔틴과 잔틴의 농도는 높이고 요산염의 농도를 낮춘다. 알로퓨리놀은 잔틴산화효소에 의하여 산화되면 알로잔틴이 되고 알로잔틴은 잔틴산화효소의 활성화부위에 결합하여 이 효소의 작용을 억제한다. 이러한 예를 자살억제(suicide inhibition)라 한다. 통풍 환자는 퓨린을 많이 함유한 음식물의 섭취를 낮추어야 한다.

참고문헌

Biochemistry (Stryer, 8th ed., Freeman)

뉴클레오티드