27장. 뉴클레오티드의 생합성과 분해

 

1. Nucleotides의 구조

        Bases: purine---adenine, guanine

               pyrimidine---thymine, cytosine, uracil

        pentose: 2'-OH 존재유무에 따라 RNA, DNA

        phosphate

        2 linkages: glycosidic bond (C-N bond in beta configuration), phosphodiester bond

 

2. 누클레오티드의 역할:

        DNA와 RNA의 전구체

        화학에너지의 운반체 (ATP, GTP)

        조효소의 구성성분 (NAD, FAD, coenz.A, etc)

        활성화된 생합성 중간체의 성분 (UDP-sugar, CDP-diacylglycerol)

        세포내 이차전령: cAMP, cGMP

 

 

3. 생합성

        생합성 경로에는 신생합성 (de novo pathway)과 회수 경로 (salvage pathway) 두가지가 존재한다. 신생합성이란 완전히 새로 합성이 시작되는 것을 말하며, 회수 경로란 분해과정에서 나오는 base와 nucleoside을 재활용하는 것을 말한다.

신생합성에 중요한 전구체들은 PRPP, Gly, Asp, Gln, THF 등이다.

ATP를 제외한 누클레오티드들은 소량존재 (DNA합성에 필요한 양의 1% 이하), 때문에 핵산 합성 시에 계속적인 합성이 필요하다.

 

(1) 신생합성

De novo pathway of purine

        우선 purine 고리의 구조와 번호매김를 잘 살펴보라.

        ribose-5-phosphate에서 합성되는 PRPP에서부터 시작하여 IMP (inosine monophosphate)를 생성한다. IMP로부터 AMP와 GMP 생성이 생성되며, AMP는 adenylate kinase에 의해 ATP로 전환된다.

 

        ribose-5-p로부터 IMP의 생합성까지는 11단계의 과정을 거쳐 이루어진다. 교과서의 설명과 함께 따라가면 생합성 과정을 이해할 수 있다. 앞에서 배운 반응들이 반복적으로 이용되는 것을 알 수 있으며, Asp 경우도 amine 기를 주고 fumarate 상태로 떨어져나오는 것을 볼 수 있다. THF가 formyl 기의 전달에 이용되는 것을 기억하라 (THF 재생경로의 저해제인 methotrexate는 암치료제로 사용된다).

 

        IMP는 AMP와 GMP로 전환된다. (adenine은 6-amino 기를 가지며, guanine은 2-amino와 6-keto 기를 가진다). IMP에 GTP가 관여하면서 aspartate의 아미노기에 의한 6번의 카르보닐 산소원자의 치환이 일어난다. 이 자리에 아민기를 놓고 fumarate 상태로 떨어져 나온다 (위에 기술한 것과 동일한 방식이다). GMP의 합성에서는 우선 2번 위치에 keto 기가 생겨 XMP가 된 후에 다시 아미노기로 치환되는 반응이 일어난다. 이때는 Gln의 아미노기가 전달되며 ATP가 관여한다. 카르보닐 탄소원자가 아미노기로 치환되는 반응은 동일하게 진행됨을 알 수 있다 (아미노기에 의한 카르보닐 산소원자의 치환은 카르보닐기의 tautomeric shift에 의한 enol form으로 전환에서부터 시작된다. 우선 ATP와 반응하여 phosphoryl ester를 형성하고 amine의 질소원자에 의한 친핵성 공격(tetrahedral adduct 형성)이 이루어지면서 무기인산이 떨어져나간다). 다만 관여하는 삼인산 누클레오티드의 종류가 다르다. 이것도 왜 그런지 생각해보면 이해할 수 있다.

 

        AMP와 GMP는 nucleoside monophosphate kinase에 의해 ADP와 GDP로 인산화된다. 이 효소는 염기에 특이적이나 당에는 비특이적이다. 따라서 dAMP와 dGMP도 인산화시킨다.

        AMP + ATP → 2ADP      : adenylate kinase

        GMP + ATP → GDP + ADP : guanylate kinase

 

        ADP는 앞에서 배운 산화적 인산화과정에 의해 ATP로 인산화된다. GDP는 nucleoside diphosphate kinase에 의해 인산화된다 (GDP + ATP → GTP + ADP). 이 효소는 염기와 당에 비특이적이지만 공여체는 거의 언제나 ATP이다 (고농도로 존재하기 때문). 이 반응의 자유에너지 변화값은 영에 가깝다.

        Nucleoside diphosphate kinase는 넓은 기질특이성을 가진다. XDP + YTP → XTP + YDP (X, Y는 ribo- 나 deoxyribonucleoside 어떤 것이든 무방). Monophosphate kinase보다 10-100 배 높은 활성을 가진다. 따라서 triphosphate의 세포내 농도는 diphosphate 보다 훨씬 높다.     

 

De novo pathway of pyrimidine

        Pyrimidine 고리는 carbamoyl phosphate와 aspartate로 구성된다. Purine ring과 달리 ring이 완성된 후에 ribose phosphate에 연결된다. Ribose phosphate의 donor는 역시 PRPP이다. Carbamoyl phosphate의 합성은 세포질에서 이루어진다.  Glutamine이 nitrogen donor로 사용되며 우레아 합성에서 관여하는 미토콘드리아 내의 carbamoyl phosphate synthetase와는 별개의 효소에 의해 촉매된다.  carbamoyl phosphate synthetase II (Glutamine + 2ATP + HCO3- + H2O → carbamoyl phosphate + 2ADP + Pi + glutamate)

        

        Asp는 carbamoyl 기를 전달받아 UMP로 전환된다. 첫 반응에서는 carbamoyl phosphate의 인산기가 이탈하면서 carbamoyl 기가 Asp에 전달된다. 이 반응은 ATC (aspartate transcarbamoylase)에 의해 촉매되며, 이 효소의 활성 조절은 중요하다.

UMP는 UDP, 다시 UTP로 전환된 후 최종적으로 CTP가 생성된다. nucleoside monophosphate kinase는 UMP를 UDP로 인산화하고, 이것은 다시 nucleoside diphosphate kinase에 의해 UTP로 인산화된다. 이 때도 인산기 공여체는 ATP이다. UTP의 6번 위치가 아미노기로 치환되면 CTP가 생성된다. 이 반응은 앞에서 보았던 반응들과 동일한다.

 

(2) Deoxyribonucleotide의 생합성

        Ribonucleotide들이 deoxyribonucleotide들로 환원되는 반응은 dinucleotide 수준에서 진행된다. 이 때 NADPH로부터 ribose unit로의 전자전달이 일어난다. 이 반응을 촉매하는 효소인 Ribonucleotide reductase는 b1과 b2 각각이 2개씩, 사합체로 이루어져 있으며, 활성자리는 b1과 b2의 결합부위이다. 전자는 NADPH에 의해 제공되며, glutaredoxin reductase 또는 thioredoxin reductase에 의해 전달된다. 반응에 free radical (아마도 tyr122)이 관여하는 좋은 예에 해당된다. 조절자리는 b1에 2개가 존재한다. 하나는 전체활성을 조절하고 (ATP와 dATP에 의해), 다른 하나는 기질특이성 결정한다 (ATP, dATP, dGTP, dTTP에 의해).

이 효소의 기질은 CDP, UDP, GDP, ADP이다. CDP의 경우는 CTP가 탈인산화된 후에 이용된다. dUDP는 dTTP의 전구물질이다.

 

dTMP의 합성

CDP에서 dCDP, dCTP, dUTP, dUMP를  거치거나, 또는 UDP에서 dUDP, dUTP, dUMP를 거쳐 dUMP에 메틸기가 전달되어 생성된다 (5-methyl uracil이 thymine 임을 기억하라). 이 효소는 thymidylate synthase이며 methyl기 공여체는 N5,N10-methylene-THF이다. 이것은 7,8-FH2로 되면서 DHFR에 의해 FH4로, 다시 serine hydroxymethyl transferase에 의해 serine으로부터 methylene기를 받으면서 N5,N10-methylene-THF로 되돌아간다. N5,N10-methylene-THF는 purine 생합성에도 중요하기 때문에 이 경로는 항암제의 중요한 표적으로 이용되고 있다.

 

 

(3) salvage pathway:

A. Purine

        핵산과 누클레오티드들이 가수분해에 의해 free purine base를 형성하면서 purine nucleotides를 합성한다.  PRPP의 ribose 부분이 purine으로 전달되면서 상응하는 purine ribonucleotide를 합성한다.  두가지의 효소가 작용한다.

        adenine phosphoribosyl transferase: adenine + PRPP → adenylate + PPi

        hypoxanthine guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT):

                hypoxanthine + PRPP → inosinate + PPi 

                guanine + PRPP → guanylate + PPi

        

        HGPRT의 결핍은 레쉬-니한 증후군 (Lesch-Nyhan syndrome)이라 불리는 선천성 대사이상 질환을 야기시킨다. 이 질환은 HGPRT 효소가 거의 존재하지 않는 선천적 대사이상 질환으로 purine 생합성의 과잉에 의하여 uric acid의 축적된다.  

        HGPRT의 활성은 다른 조직보다 뇌에서 높다. 반면 퓨린의 신생합성에 관여하는 amidophosphoribosyl transferase는 뇌에서 낮게 나타난다. 뇌는 IMP와 GMP의 합성을 재활용경로에 보다 의존하고 있는지 모른다.

 

 

B. Pyrimidine

  Uracil to UMP:

        uracil + ribose-1-P → uridine + Pi  : uridine phosphorylase

        uridine(or cytidine) + ATP → UMP + ADP : uridine kinase

 

  Thymine to dTMP:

        thymine + deoxyribose-1-P → thymidine + Pi : thymine phosphorylase

        thymidine + ATP → dTMP + ADP : thymidine kinase

 

  Deoxycytidine kinase

        deoxycytidine + ATP → dCMP + ADP

 

UTP의 amination에 의한 CTP 합성이 이루어진다. UTP의 C-4 carbonyl oxygen이 amino group으로 치환된다. 포유동물에서는 glutamine이 amino donor로 작용하고 대장균에서는 암모니아가 이용된다.

 

 

4. Nucleotide의 분해

A. Purine 류: purine은 uric acid로 여타 생물체에서는 추가적인 대사과정으로 암모니아까지

        Nucleotide들은 가수분해효소에 의해 nucleoside로 가수분해되고, nucleoside는 자유 염기와 ribose-1-P로 가인산분해된다. Ribose-1-P는 phosphoribomutase에 의하여 ribose-5-P로 이성질화되고, 자유염기 중 일부는 회수경로에 이용된다.

        AMP의 분해경로는 IMP로의 탈아미노화 반응을 거친 후 가인산분해가 일어나 hypoxanthine과 ribose-1-P로 분해된다. Hypoxanthine은 xanthine oxidase에 의해 xanthine, 그리고 이어서 urate로 산화된다.  Guanine도 xanthine을 거쳐 urate로 산화된다.

        AMP는 또한 가수분해에 의해 인산이 떨어져 나오면서 adenosine으로 전환되고, 이것은 adenosine deaminase에 의해 inosine으로 전환된다. 이 효소가 결핍되면 lymphocyte가 적절히 작용하지 못하는 심각한 면역질환에 걸리게 된다. 최근 유전자 치료의 첫 번째 대상이 되었다.

        Urate는 영장류에서 purine 분해의 최종생성물이며 오줌으로 배설된다. 다른 생물종에서는 urate는 더 분해되어, 영장류 이외의 포유동물은 allantoin, 견골어류는 allantoate, 양서류와 대부분의 어류에서는 urea, 그리고 몇몇 수중 무척추동물에서는 암모니아로 분해되어 배설된다.

        파충류와 조류는 아미노기를 urate로 배설하는데 이는 과잉의 아미노기를 퓨린류로 전환시킨 후 urate로 분해하는 과정을 거쳐 이루어진다. 그 이유는 urea는 물에 용해도가 높은데 반하여 urate는 산성 pH에서 낮은 용해도를 가지기 때문에 물이 없이도 분비가 가능하기 때문이다.

 

B. Pyrimidine 류: pyrimidine은 methylmalonyl semialdehyde로 분해되어 methylmalonyl CoA, 다시 succinyl CoA로 대사된다.

        Thymine의 경우는 dihydrothymine을 거쳐, N-carbamoylisobutyrate, β-aminoisobutyrate, methylmalonate semialdehyde, 그리고 methylmalonyl CoA로 전환된다.   Methylmalonyl CoA는 succinyl CoA를 거쳐 citric acid cycle로 들어간다.  질소원자들은 ureaa의 형태로 배설된다. 다른 pyrimidine류도 동일한 과정을 밟는다.

 

 

5. 누클레오티드의 생합성에 대한 약제: 세포생장 억제 효과

        Azaserine, acivicin: glutamine amidotransferase의 저해제로서 glutamine의 유사체

        Fluorouracil: DHFR의 저해제 (자살저해제)

        MTX (methotrexate), aminopterin: thymidylate synthase의 저해제

 

통풍질환과 urate의 관계

        통풍에 대한 생화학적 설명은 아직 미흡하다. 통풍은 다양한 선천적 대사이상으로 비롯된다고 생각되는데, 공통되는 발견은 urate가 대량으로 발견된다는 것이다. 그러나 urate 수준의 증가는 필요조건이기는 하나 충분조건은 아니다. 어떤 환자는 HGPRT 효소가 부분적으로 결핍되어 있는데, 이것의 결핍은 회수경로에 의한 GMP와 IMP의 합성을 감소시켜 PRPP의 농도를 증가시킨다. 따라서 신생합성에 의한 Purine의 생합성이 급격히 증가하여 urate의 증가를 야기시킨다.    어떤 환자는 PRPP synthetase의 수준이 비정상적으로 높다. 이것은 효소의 다른자리입체적 조절이 손상되어 일어나는데 그 결과로 PRPP가 과량으로 생성되고 purine 신생합성이 증가된다.

        Allopurinol은 통풍을 치료하는데 이용된다.  Allopurinol은 7번과 8번 위치의 N, C가 서로 바뀐 hypoxanthine의 유도체로서 xanthine oxidase의 자살저해제로 작용하여 uric acid 대신 hypoxanthine과 xanthine이 분비되도록 한다 (이것들은 uric acid 보다 용해도가 좋아 배설이 쉽다).  

        그러면 urate는 사람에서 어떤 기능을 가지고 있는가? 사람에서 urate의 평균혈청 농도는 용해도 한계에 가깝다. 이와는 달리 다른 영장류는 10배 정도 낮은 수준을 유지하고 있다.  Urate는 ascorbate와 거의 같은 효력을 가지는 산화방지제로 작용한다.  이것의 작용이 다른 영장류에 비하여 긴 사람의  수명을 설명하여 주는지 모른다.