리불로스 5-인산 3-에피머화효소

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리불로스 5-인산 3-에피머화효소
프란시셀라 툴라렌시스(Francisella tularensis)의 D-리불로스 5-인산 3-에피머화효소 12량체
식별자
EC 번호5.1.3.1
CAS 번호9024-20-8
데이터베이스
IntEnzIntEnz view
BRENDABRENDA entry
ExPASyNiceZyme view
KEGGKEGG entry
MetaCycmetabolic pathway
PRIAMprofile
PDB 구조RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum
유전자 온톨로지AmiGO / QuickGO
리불로스 5-인산 3-에피머화효소 패밀리
식별자
상징Ribul_P_3_epim
PfamPF00834
InterProIPR000056
PROSITEPDOC00833
SCOP1rpx
SUPERFAMILY1rpx

리불로스 5-인산 3-에피머화효소(영어: ribulose 5-phosphate 3-epimerase) (EC 5.1.3.1)는 RPE 유전자에 의해 암호화되어 있으며 다음과 같이 D-리불로스 5-인산과 D-자일룰로스 5-인산 간의 상호전환을 촉매하는 금속단백질이다.[1] 리불로스 인산 3-에피머화효소(영어: ribulose-phosphate 3-epimerase), 포스포펜토스 에피머화효소(영어: phosphopentose epimerase)라고도 한다.

D-리불로스 5-인산 ⇄ D-자일룰로스 5-인산

이러한 가역적 전환은 식물의 탄소 고정 반응(캘빈 회로)과 오탄당 인산 경로의 비산화적 단계에 필요하다.[2][3] 이 효소는 또한 추가적인 오탄당과 글루쿠론산의 상호전환과 관련이 있다.

쿠프리아비두스 메탈리두란스(Cupriavidus metallidurans)에서 리불로스 5-인산 3-에피머화효소를 암호화하는 유전자의 두 개의 사본이 알려져 있다.[4] 하나는 염색체에 있는 P40117이고, 다른 하나는 플라스미드에 있는 Q04539이다. 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 세균, 고세균, 균류, 식물에서 광범위하게 발견되었다. 모든 단백질들은 209~241개의 아미노산 잔기를 가지고 있다. 리보스 5-인산 3-에피머화효소는 TIM 배럴 구조를 가지고 있다.

명명법[편집]

리불로스 5-인산 3-에피머화효소의 계통명은 D-리불로스 5-인산 3-에피머화효소(영어: D-ribulose-5-phosphate 3-epimerase)이다. 다음은 일반적으로 사용되는 다른 이름들이다.

  • 포스포리불로스 에피머화효소,
  • 에리트로스 4-인산 이성질화효소,
  • 포스포케토펜토스 3-에피머화효소,
  • 자일룰로스 인산 3-에피머화효소,
  • 포스포케토펜토스 에피머화효소,
  • 리불로스 5-인산 3-에피머화효소,
  • D-리불로스 인산 3-에피머화효소,
  • D-리불로스 5-인산 에피머화효소,
  • D-리불로스 5-P 3-에피머화효소,
  • D-자일룰로스 5-인산 3-에피머화효소,
  • 펜토스 5-인산 3-에피머화효소.

리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 오탄당 인산 경로, 오탄당과 글루콘산 간의 상호전환, 탄소 고정의 3가지 대사 경로에 참여한다.

이 도메인을 포함하는 사람의 단백질은 리불로스 5-인산 3-에피머화효소이다.

패밀리[편집]

리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 상위 계층의 두 가지 단백질 패밀리로 분류할 수 있다. 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 이성질화효소에 속하며, 특히 탄수화물과 그 유도체에 작용하는 라세미화효소와 에피머화효소에 속한다.[1] 또한, 단백질 입체구조 분류 데이터베이스는 이 에피머화효소가 구성원인 "리불로스 인산 결합" 슈퍼패밀리를 정의했다.[1] 이 슈퍼패밀리에 포함된 다른 단백질에는 5'-일인산 탈카복실화효소(OMPDC) 및 3-케토-1-굴론산 6-인산 탈카복실화효소(KGPDC)가 있다.

구조[편집]

2007년을 기준으로 이러한 부류의 효소에 대해 PDB 접근 코드 1H1Y, 1H1Z, 1RPX, 1TQJ의 4가지 구조가 해결되었다.

전체 구조[편집]

결정학적 연구는 리불로스 5-인산 3-에피머화효소의 주효소 구조를 밝히는 데 도움이 되었다. 이러한 연구의 결과는 이 효소가 용액에서 동종이량체로 존재함을 보여주었다.[5][6] 또한 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 루프를 포함하는 (β/α)8 삼탄당 인산 이성질화효소 (TIM) 배럴로 접힌다.[2] 코어 배럴은 중앙의 β-시트를 구성하는 8개의 평행 가닥으로 구성되며 연속 가닥 사이에 나선이 있다. 이 구조의 루프는 기질 특이성을 조절하는 것으로 알려져 있다. 구체적으로, 나선 α6과 가닥 β6을 연결하는 루프는 기질이 결합할 때 활성 부위를 덮는다.[2]

앞서 언급했듯이 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 금속 효소이다. 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 기능을 위한 보조 인자를 필요로 하며, 소단위체당 하나의 2가 금속 양이온과 결합한다.[7] 이 효소는 Co2+ 및 Mn2+와 함께 주로 촉매 작용을 위해 Zn2+를 사용하는 것으로 나타났다.[2] 그러나 RPE 유전자에 의해 암호화되는 사람의 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 주로 촉매 작용에서 Fe2+와 결합한다는 점에서 다르다. Fe2+는 팔면체로 배위되어 있으며 그림에서 관찰된 2,3-엔다이올레이트 반응 중간생성물을 안정화시킨다.[2]

활성 부위[편집]

β6/α6 루프 영역은 기질과 상호작용하고 활성 부위에 대한 접근을 조절한다. 이 영역의 Phe147, Gly148, Ala149는 일단 결합이 일어나면 활성 부위를 덮는다. 또한 Fe2+는 His35, His70, Asp37, Asp175 및 기질의 산소종인 O2와 O3에 배위된다.[2] 철 양이온과 기질의 원자의 결합은 촉매 작용 동안 복합체를 안정화시키는 데 도움이 된다. 돌연변이 유발 연구에 따르면 두 개의 아스파르트산이 활성 부위에 위치하며 1,1-양성자 전달 반응을 통한 촉매 작용을 매개하는 데 도움을 주는 것으로 나타났다.[1] 아스파르트산은 산/염기 촉매이다. 마지막으로 리간드가 활성 부위에 부착되면 일련의 메티오닌(Met39, Met72, Met141)이 수축을 통해 추가적인 이동을 제한한다.[8]

메커니즘[편집]

리불로스 5-인산이 리불로스 5-인산 3-에피머화효소에 의해 자일룰로스 5-인산으로 전환되는 메커니즘. 중간생성물로 2,3-트랜스-엔다이올레이트가 생성된다.

리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 산/염기 유형의 촉매 메커니즘을 사용한다. 반응은 트랜스-2,3-엔다이올 인산이 중간생성물인 방식으로 진행된다.[9][10] 위에서 언급한 두 개의 아스파르트산은 양성자 공여체와 양성자 수용체로 역할을 한다. Asp37과 Asp175는 모두 활성 부위에서 철 양이온과 수소 결합되어 있다.[2] Asp37이 탈양성자화되면 중간생성물을 형성하는 D-리불로스 5-인산의 세 번째 탄소에 있는 양성자를 공격한다.[11] 협력 단계에서 Asp37이 양성자를 잡을 때 기질의 카보닐 결합은 Asp175에서 두 번째 양성자를 잡아 하이드록실기를 형성한다. 철 착물은 추가적인 전하를 안정화하는 데 도움을 준다. D-리불로스 5-인산의 3번 탄소(C3)에서 이러한 에피머화를 거쳐 D-자일룰로스 5-인산이 생성된다.[8] 이러한 메커니즘은 그림에서처럼 명확하게 증명되었다.

기능[편집]

캘빈 회로[편집]

식물에 대한 전자현미경 관찰 실험은 리불로스 5-인산 3-에피머화효소가 엽록체의 틸라코이드 막에 국한되어 있는 것으로 나타났다.[12] 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 리불로스 1,5-이중인산의 재생을 포함하는 캘빈 회로의 세 번째 단계에 참여한다. 리불로스 1,5-이중인산(RuBP)는 캘빈 회로의 첫 번째 단계에서 이산화 탄소(CO2)의 수용체이며, 이는 리불로스 5-인산 3-에피머화효소가 캘빈 회로를 통한 대사 흐름을 조절함을 시사한다. 리불로스 1,5-이중인산이 재생되지 않으면 캘빈 회로를 계속해서 돌릴 수 없다. 따라서 자일룰로스 5-인산은 리불로스 5-인산 3-에피머화효소에 의해 리불로스 5-인산으로 가역적으로 전환된다. 이어서 포스포리불로키네이스는 리불로스 5-인산을 리불로스 1,5-이중인산으로 전환시킨다.[11]

오탄당 인산 경로[편집]

오탄당 인산 경로(PPP)의 반응은 세포질에서 일어난다. 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 다양한 당류와 전구체의 생산을 포함하는 경로의 비산화적 부분에 특히 영향을 미친다.[2] 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 리불로스 5-인산을 트랜스케톨레이스가 촉매하는 반응에 적합한 에피머인 자일룰로스 5-인산으로 전환시킨다.[11] 따라서 오탄당 인산 경로에서 일어나는 반응은 정확히 캘빈 회로에서 일어나는 반응의 역반응이다. 메커니즘은 동일하게 유지되며 엔다이올레이트 중간생성물의 형성을 포함한다.

오탄당 인산 경로에 관여하기 때문에 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 산화 스트레스에 대한 세포 반응에 중요한 효소이다.[2] 오탄당 인산 경로에 의한 NADPH의 생성은 활성 산소로부터 세포를 보호하는 데 도움이 된다. NADPH는 과산화 수소(H2O2)로부터 물을 생성하여 신체를 해독하는 글루타티온을 환원시킬 수 있다.[2] 따라서 리불로스 5-인산 3-에피미화효소는 오탄당 인산 경로를 통한 대사 경로를 변경할 뿐만 아니라 과산화물의 축적을 방해한다.

진화[편집]

많은 리불로스 5-인산 3-에피머화효소 유사체들의 구조는 결정학 연구를 통해 발견되었다.[13][14] 캘빈 회로와 오탄당 인산 경로에서의 역할로 인해 전체 구조가 보존되어 있다. 진화적으로 유연 관계가 먼 생물들의 서열을 비교했을 때 50% 이상의 유사성이 관찰되었다.[15] 그러나 많은 분자 간 상호작용에 관여하는 이량체 계면에 위치한 아미노산이 반드시 보존되는 것은 아니다. "리불로스 인산 결합" 슈퍼패밀리의 구성원은 조상의 (β/α)8 배럴로부터 발산 진화의 결과라는 점에 주목하는 것이 중요하다.[1]

약물 표적화 및 말라리아[편집]

원생동물인 플라스모디움 팔시파룸(Plasmodium falciparum)은 말라리아의 주된 원인이 되는 병원체이다. 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 말라리아 전파에 필수적인 경로인 시킴산 경로와 관련이 있다.[16] 리불로스 5-인산은 리불로스 5-인산 3-에피머화효소에 의해 자일룰로스 5-인산으로 전환된다. 자일룰로스 5-인산과 리보스 5-인산은 트랜스케톨레이스에 의해 글리세르알데하이드 3-인산과 세도헵툴로스 7-인산으로 전환되며, 이어서 트랜스알돌레이스에 의해 에리트로스 4-인산과 과당 6-인산으로 전환된다. 시킴산 경로에서 에리트로스 4-인산은 코리슴산으로 전환된다.[16] 플라스모디움 팔시파룸(Plasmodium falciparum)에서 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 에리트로스 4-인산을 기질로 사용한다. 시킴산 경로에서 관여하기 때문에 리불로스 5-인산 3-에피머화효소는 항말라리아제 개발의 잠재적 약물 표적이 된다.

같이 보기[편집]

각주[편집]

  1. ↑ 가 나 다 라 마 Akana J, Fedorov AA, Fedorov E, Novak WR, Babbitt PC, Almo SC, Gerlt JA (Feb 2006). “D-Ribulose 5-phosphate 3-epimerase: functional and structural relationships to members of the ribulose-phosphate binding (beta/alpha)8-barrel superfamily”. 《Biochemistry》 45 (8): 2493–503. doi:10.1021/bi052474m. PMID 16489742. 
  2. ↑ 가 나 다 라 마 바 사 아 자 차 Liang W, Ouyang S, Shaw N, Joachimiak A, Zhang R, Liu ZJ (Feb 2011). “Conversion of D-ribulose 5-phosphate to D-xylulose 5-phosphate: new insights from structural and biochemical studies on human RPE”. 《FASEB Journal》 25 (2): 497–504. doi:10.1096/fj.10-171207. PMC 6188353. PMID 20923965. 
  3. ↑ Mendz, George; Stuart Hazell (1991). “Evidence for a pentose phosphate pathway in Helicobacter pylori”. 《FEMS Microbiology Letters》 84 (3): 331–336. doi:10.1111/j.1574-6968.1991.tb04619.x. 
  4. ↑ Kusian B, Yoo JG, Bednarski R, Bowien B (Nov 1992). “The Calvin cycle enzyme pentose-5-phosphate 3-epimerase is encoded within the cfx operons of the chemoautotroph Alcaligenes eutrophus”. 《Journal of Bacteriology》 174 (22): 7337–44. doi:10.1128/jb.174.22.7337-7344.1992. PMC 207429. PMID 1429456. 
  5. ↑ Chen YR, Hartman FC, Lu TY, Larimer FW (Sep 1998). “D-Ribulose-5-phosphate 3-epimerase: cloning and heterologous expression of the spinach gene, and purification and characterization of the recombinant enzyme”. 《Plant Physiology》 118 (1): 199–207. doi:10.1104/pp.118.1.199. PMC 34857. PMID 9733539. 
  6. ↑ Karmali A, Drake AF, Spencer N (Jun 1983). “Purification, properties and assay of D-ribulose 5-phosphate 3-epimerase from human erythrocytes”. 《The Biochemical Journal》 211 (3): 617–23. doi:10.1042/bj2110617. PMC 1154406. PMID 6882362. 
  7. ↑ “Ribulose-phosphate 3-epimerase”. 《UniProt》. 2013년 3월 6일에 확인함. 
  8. ↑ 가 나 Jelakovic S, Kopriva S, Süss KH, Schulz GE (Feb 2003). “Structure and catalytic mechanism of the cytosolic D-ribulose-5-phosphate 3-epimerase from rice”. 《Journal of Molecular Biology》 326 (1): 127–35. doi:10.1016/S0022-2836(02)01374-8. PMID 12547196. 
  9. ↑ Das, Debajoyti (1978). 《Biochemistry》. Academic Publishers. 454–460쪽. 
  10. ↑ Davis L, Lee N, Glaser L (Sep 1972). “On the mechanism of the pentose phosphate epimerases”. 《The Journal of Biological Chemistry》 247 (18): 5862–6. doi:10.1016/S0021-9258(19)44837-0. PMID 4560420. 
  11. ↑ 가 나 다 Berg, Jeremy (2006). 《Biochemistry》. WH Freeman and Company. 570–580쪽. ISBN 978-0-7167-8724-2. 
  12. ↑ Chen YR, Larimer FW, Serpersu EH, Hartman FC (Jan 1999). “Identification of a catalytic aspartyl residue of D-ribulose 5-phosphate 3-epimerase by site-directed mutagenesis”. 《The Journal of Biological Chemistry》 274 (4): 2132–6. doi:10.1074/jbc.274.4.2132. PMID 9890975. 
  13. ↑ Nowitzki U, Wyrich R, Westhoff P, Henze K, Schnarrenberger C, Martin W (Dec 1995). “Cloning of the amphibolic Calvin cycle/OPPP enzyme D-ribulose-5-phosphate 3-epimerase (EC 5.1.3.1) from spinach chloroplasts: functional and evolutionary aspects”. 《Plant Molecular Biology》 29 (6): 1279–91. doi:10.1007/bf00020468. PMID 8616224. S2CID 4215318. 
  14. ↑ Wise EL, Akana J, Gerlt JA, Rayment I (Sep 2004). “Structure of D-ribulose 5-phosphate 3-epimerase from Synechocystis to 1.6 A resolution”. 《Acta Crystallographica Section D》 60 (Pt 9): 1687–90. doi:10.1107/S0907444904015896. PMID 15333955. 
  15. ↑ Teige M, Kopriva S, Bauwe H, Süss KH (Dec 1995). “Chloroplast pentose-5-phosphate 3-epimerase from potato: cloning, cDNA sequence, and tissue-specific enzyme accumulation”. 《FEBS Letters》 377 (3): 349–52. doi:10.1016/0014-5793(95)01373-3. PMID 8549753. S2CID 34359563. 
  16. ↑ 가 나 Caruthers J, Bosch J, Buckner F, Van Voorhis W, Myler P, Worthey E, Mehlin C, Boni E, DeTitta G, Luft J, Lauricella A, Kalyuzhniy O, Anderson L, Zucker F, Soltis M, Hol WG (Feb 2006). “Structure of a ribulose 5-phosphate 3-epimerase from Plasmodium falciparum”. 《Proteins》 62 (2): 338–42. doi:10.1002/prot.20764. PMID 16304640. S2CID 9256275. 

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