플라보단백질

플라보단백질은 리보플라빈의 핵산 유도체를 포함하는 단백질로 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드(flavin adenine dinucleotide: FAD) 또는 플라빈 모노뉴클레오티드(flavin mononucleotide: FMN)를 포함하는 단백질이다. 플라보단백질은 다양한 생물학적 과정에 두루 사용된다.

그림 1. 플라보단백질 구조의 예. 플라빈 모노뉴클레오티드와 결합되어 있는 애기장대 HAL30 단백질의 구조 (출처: )

목차

FAD 혹은 FMN과 같은 플라빈 핵산을 포함하는 플라보단백질은 상당히 많은 연구가 진행된 효소 중 하나다. 생물체에서 주로 산화 스트레스, 광합성, DNA 수선 등의 과정에서 유리기(radicals) 를 제거하는 생화학적 활성을 갖는다. 플라빈 동조인자들은 광학적 변화를 나타내는 특징들이 있어서 단백질의 활성 위치에서 일어나는 변화를 추적할 수 있는 리포터로 작용될 수 있어 이러한 플라보단백질이 어떤 다른 효소들보다 더 많은 연구가 진행될 수 있었던 요인으로 생각된다. 플라보단백질에 FMN, FAD들은 일반적으로 강하게 부착되는 경향을 보인다. 플라보단백질의 5-10 퍼센트는 FAD와 공유 결합으로 연결되어 있으며, 이러한 효소들은 강력한 산화,환원 반응을 유도한다¹⁾. 어떤 경우에는 FAD가 구조적으로 활성 위치를 유지하거나 촉매 과정에서의 안정성을 제공하기도 한다. 이러한 FAD 결합 위치는 상당한 다양성을 갖고 있는 것으로 알려져 있다²⁾.

1879년 우유에서 분리된 황색색소가 최초로 보고된 플라보단백질이다. 당시에 락토크롬이라 이름붙여진 이 색소는 1930년대에 이르러 여러 다른 물질에서도 유사한 색소로 분리되면서 비타민 B 복합체로 알려지게 된다. 이들 물질의 구조는 1935년에 알려졌고, 리보스(ribose) 기를 가진 황색 물질(flavus: 라틴어원으로 노란색을 말함)을 리보플라빈(riboflavin: 비타민 B2)이라 불리게 되었다. 1955년 노벨 생리의학상 수상자인 휴고 테오렐(Hugo Theorell)과 그 동료들은 1935년에 세포 호흡에 중요한 역할을 한다고 알려진 밝은 황색의 효모 단백질을 정제한 후 황색의 색소와 나머지 효소 단백질을 분리하였는데, 효소 단백질만으로 혹은 분리된 색소만으로는 전자전달 과정에서 촉매 역할을 하지 않는 것을 발견하게 되었다. 분리된 효소 단백질과 색소를 혼합하였을 때 원래의 기능을 하는 것을 확인하였다. 그러나 이들 색소는 이미 알려진 리보플라빈과 거의 유사했기 때문에 리보플라빈을 색소가 분리된 효소 단백질과 혼합하여 분리된 황색 색소를 대신하였을 때는 효소 작용이 없는 것을 발견하였다. 이에 좀 더 자세한 연구를 진행한 결과, 이는 리보플라빈에 인산기가 붙어 있는 FMN의 형태의 리보플라빈이 활성을 갖게 하는 동조인자임을 확인하게 되었다. 이러한 단백질과 플라빈의 결합 형태로 생화학적 활성을 띠는 단백질을 플라보단백질이라 한다.³⁾.

2011년의 보고서에 따르면 374개의 플라빈-의존 단백질들 중에 90% 이상이 산화환원제로 분류되었고, 전이효소는 4.3%, 분해효소 2.9%, 이성질화효소 1.4% 그리고 DNA 연결효소는 0.4%에 이르는 것으로 확인되었다(그림 2). 이들 중 약 75%는 FAD와 연결되어 작용하며 나머지 25%는 FMN와 연결된 플라보단백질이다. 이러한 동조인자들은 90%가 비공유 결합으로 되어있다.

그림 2. 플라보단백질의 분류표 (출처: 김상태) (참고: Macheroux, Peter; Kappes, Barbara; Ealick, Steven E. (2011) Flavogenomics – a genomic and structural view of flavin-dependent proteins. FEBS Journal, 278: 2625–2634)

산화환원효소에서 잘 알려진 플라보단백질은 전자전달계에 관련된 전자운반체 중의 하나이다. 전자운반체는 크게 3 종류로 플라빈그룹을 가지는 플라보단백질, 헴(heme) 그룹을 갖는 시토크롬 (cytochromes) 그리고 유비퀴논 혹은 조효소 Q라고 하는 그룹으로 이루어진다.

또한 식물과 동물에서 플라빈과 테린을 발색단으로 사용하는 청색광을 감지하는 크립토크롬(cryptochrome)도 플라보단백질이다. 크립토크롬은 빛에 의해 활성화되는 DNA 수선효소 포토리아제(photolyase)와 진화적으로 가깝다. 이들은 잘 보존된 N-말단과 아미노산 길이가 다양한 C-말단으로 구성되며 생장과 발달 혹은 빛이나 자기장과 같은 환경 변화를 감지하여 적응하는 데 관여한다.⁴⁾

1. Abbas, Charles A.; Sibirny, Andriy A. (2011-06-01). 'Genetic Control of Biosynthesis and Transport of Riboflavin and Flavin Nucleotides and Construction of Robust Biotechnological Producers'. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 75 (2): 321–360. doi: 10.1128/MMBR.00030-10
2. Garma, Leonardo D.; Medina, Milagros; Juffer, André H. (2016-11-01). 'Structure-based classification of FAD binding sites: A comparative study of structural alignment tools'. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 84 (11): 1728–1747. doi: 10.1002/prot.25158
3. Massey, V (2000). 'The chemical and biological versatility of riboflavin'. Biochemical Society Transactions. 28 (4): 283–96. doi: 10.1042/0300-5127:0280283
4. Brudler R, Hitomi K, Daiyasu H 등 (2003) Identification of a new cryptochrome class. Structure, function, and evolution. Mol Cell, 11: 59-67