피리미딘

벤젠 링 구조에서 2 개의 탄소가 질소로 대체된 헤테로고리구조 화합물(heterocyclic compound)을 다이아진이라고 하는데, 다이아진 중 1번과 3번 자리에 질소가 있는 1,3-다이아진을 피리미딘이라 한다(그림 1).

참고로, 1,2-다이아진은 피리다진(pyridazine), 1,4-다이아진은 피라진(pyrazine)이라 한다. 그리고, 벤젠 링 구조에서 한 개의 탄소가 질소로 대체된 헤테로고리구조 화합물은 피리딘(pyridine)이라 한다.

그림 1. 피리미딘의 구조 (출처: )

그림 1. 피리미딘의 구조 Cytosine(C) (출처: )

그림 1. 피리미딘의 구조 Thymine(T) (출처: )

그림 1. 피리미딘의 구조 Uracil(U) (출처: )

목차

DNA나 RNA 핵산의 단량체인 뉴클레오타이드(nucleotide)는 질소를 포함하는 헤테로고리구조 화합물들인 염기, 5탄당(ribose, or deoxyribose), 인산으로 구성되어 있는데, 이 중 염기는 사이토신(cytosine), 타이민(티민, thymine), 유라실(우라실, uracil)처럼 피리미딘 구조를 갖거나, 아데닌(adenine)과 구아닌(guanine)처럼 퓨린(purine) 구조를 갖는다. 피리미딘 염기는 그들의 상보적 퓨린(purine)염기와 수소결합을 형성하는데, 이는 반보존적 DNA 복제(semi-conservative replication) 및 전사(transcription)과정에서 상보적 염기를 가진 핵산 가닥이 합성되는 기전을 제공한다. 개별 염기 간의 수소결합은 강한 결합력이 부여하지 않지만, 여러 개의 염기가 존재하는 긴 핵산분자에서는 여러 개의 수소결합이 상보적 염기서열을 가진 핵산분자 가닥끼리 안정적으로 결합상태를 유지할 수 있도록 한다.

DNA에서는 사이토신과 타이민이 각각 상보적인 퓨린 염기인 구아닌과 아데닌과 수소결합을 형성한다. 반면, RNA에서는 타이민 대신 우라실이 존재하는데, 유라실은 아데닌 뿐만 아니라 구아닌과도 수소결합을 형성할 수 있다. RNA분자 염기의 이러한 결합 특성 때문에 DNA와 달리 RNA 분자는 분자내 수소결합(intramolecular hydrogen bonding)을 통해 단백질처럼 다양한 입체 구조를 형성할 수 있게 된다. 다양한 입체 구조의 형성은 다른 생체 분자들과 특이적 상호작용을 통해 생체 내 기능을 수행하는 리보자임(ribozyme)이나 리보스위치(riboswitch) 등의 RNA 분자의 기능에 매우 중요하다.

피리미딘의 생합성은 카바모일 인산 합성효소(carbamoyl phosphate synthetase II)의 작용에 의해 중탄산(bicarbonate, HCO₃^-), 글루탐산(glutamine)으로부터 공여되는 아민(amine)그룹, 그리고 ATP로부터 카바모일 인산(carbamoyl phosphate)이 만들어지며 시작된다. 피리미딘 양의 항상성 유지를 위해 카바모일 인산 합성효소의 활성은 세포 내 유리딘 뉴클레오타이드에 의해 음성 되먹임(negative feedback) 방식으로 조절된다. 이후 아스파틱 트랜스카바모일레이즈(aspartic transcarbamoylase)에 의해 카바모일 아세테이트(carbamoyl aspartate)가 생성된다. 이후 다이하이드로오로테이스(dihydroorotase)의 작용에 의해 다이하이드로오로테이트(dihydroorotate)가 생성되고, 이 분자가 다시 다이하이드로오로테이트 탈수소효소(dihydroorotate dehydrogenase)와 코엔자임 Q(coenzyme Q)에 의해 산화되면 피리미딘 분자인 오로테이트(orotate)가 생성된다. 이후 오로테이트는 phosphoribosyl phosphate(PRPP)와 결합하여 피리미딘 뉴클로타이드인 오로티딘 일인산(orotidine-5’-monophosphate)이 형성되고 이로부터 기타 피리미딘 뉴클로오타이드들이 생성된다.

핵산에서 발견되는 염기 중 퓨린은 피리미딘 고리구조와 이미다졸 고리구조의 고리가 2개의 탄소를 공유하는 구조로 되어 있으며, 비타민 B1으로도 알려진 타이아민(thiamine)은 피리미딘 고리구조와 타이아졸(thiazole) 구조가 결합된 형태를 가지고 있다. 또한, 실험동물에서 췌장의 베타세포를 선택적으로 죽여 당뇨병을 유발하는데 쓰이는 독성 포도당 유사물인 얼락슨(alloxan)도 피리미딘 구조를 가지고 있다(그림 2)

그림 2. 피리미딘 구조를 가진 화합물 Purine (출처: )

그림 2. 피리미딘 구조를 가진 화합물 Thiamine의 구조식, 티아민은 비타민 B1이다. (출처: )

그림 2. 피리미딘 구조를 가진 화합물 Alloxan (출처: )

그림 2. 피리미딘 구조를 가진 화합물 Barbituric acid (출처: )

다양한 피리미딘 파생물질(derivatives)은 독특한 생리활성을 가지고 있어 약제로 이용된다. 대표적인 예로 신경안정제, 수면제, 간질성 발작 치료제로 쓰이는 바비추르산염(barbiturates)을 들 수 있는데, 바비추르산이 독일 화학자 Adolf von Baeyer에 의해 합성된 이후 2,500가지 이상의 바비추르산염이 합성되었다(그림 2). Barbital(상표명 Veronal)이 1903년에 사용되기 시작한 이후 현재도 전세계적으로 50가지 이상의 바비추르산염이 의약품으로 사용되고 있다.

뉴클레오타이드(nucleotide), 전사(transcription), 리보자임(ribozyme), 리보스위치(riboswitch), 코엔자임 Q(coenzyme Q), 바비추르산염(barbiturates)

조홍백/성균관대학교

하남출/서울대학교