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리보스 5-인산

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1. 개요

리보스 5-인산은 5탄당인 리보스의 5번 탄소에 인산기가 결합된 구조를 가지는 당의 일종이다. 세포 생장, NADPH, 리보스 5-인산, ATP의 필요에 따라 오탄당 인산 경로 및 해당과정을 통해 생합성된다. 리보스 5-인산은 DNA, RNA, ATP, 조효소 A 등 다양한 생체 분자의 전구체로 작용하며, 뉴클레오타이드 및 히스티딘 생합성에 관여한다. 리보스 5-인산의 불균형은 암, 리보스 5-인산 이성질화효소 결핍증, 통풍, 레쉬-니한 증후군 등 여러 질병과 관련이 있다.

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리보스 5-인산 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
IUPAC 명칭5-O-포스포노-D-리보스
기타 명칭리보스 5-인산
식별자
CAS 등록번호4300-28-1
UNII4B2428FLTO
펍켐(PubChem)77982
켐스파이더(ChemSpider) ID70368
스마일즈(SMILES)C([C@H]([C@H]([C@H](C=O)O)O)O)OP(=O)(O)O
인치(InChI)1/C5H11O8P/c6-1-3(7)5(9)4(8)2-13-14(10,11)12/h1,3-5,7-9H,2H2,(H2,10,11,12)/t3-,4+,5-/m0/s1
표준 인치 키(StdInChIKey)PPQRONHOSHZGFQ-LMVFSUKVSA-N
ChEBI58273
MeSH 명칭리보스-5-인산
속성
화학식C5H11O8P
몰 질량230.110
외형해당 없음
밀도해당 없음
녹는점해당 없음
끓는점해당 없음
위험성
주요 위험해당 없음
인화점해당 없음
자연 발화점해당 없음

2. 구조

리보스 5-인산은 5탄당인 리보스의 5번 탄소에 인산기가 결합되어 있는 화합물이다. 리보스 5-인산은 선형 또는 푸라노스 고리 형태로 존재할 수 있으며, 주로 푸라노스 형태로 존재한다.[18]

대장균에서 리보스 5-인산 이성질화 효소와 리보스 5-인산 복합체의 결정 구조


리보스 5-인산은 5개의 탄소로 이루어진 리보스와 5번 탄소 위치에 있는 인산기로 구성된다. 리보스 5-인산은 열린 사슬 형태 또는 푸라노스 형태로 존재할 수 있으며, 푸라노스 형태가 가장 일반적이다.[1]

3. 생합성

리보스 5-인산(R5P)의 합성은 세포 생장, 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 인산(NADPH), 리보스 5-인산, 아데노신 삼인산(ATP)의 필요에 따라 크게 달라진다. 각 분자의 생성은 오탄당 인산 경로해당과정 두 가지 대사 경로에서 포도당 6-인산(G6P)의 흐름에 의해 조절된다. 이 두 경로 사이의 관계는 다양한 대사 상황을 통해 확인할 수 있다.[19]

리보스 5-인산의 열린 사슬 형태에서 푸라노스 형태로의 전환

3. 1. 오탄당 인산 경로

리보스 5-인산은 모든 생물에서 오탄당 인산 경로에서 생성된다.[19] 오탄당 인산 경로는 해당과정과 병행해서 진행되는 대사 경로이다. 오탄당 인산 경로는 환원성 생합성[20](예: 지방산 합성)에 대한 NADPH 및 오탄당의 중요한 공급처이다. 오탄당 인산 경로는 NADPH를 생성하는 산화적 단계와 당의 상호전환을 포함하는 비산화적 단계의 두 가지 단계로 구성된다. 오탄당 인산 경로의 산화적 단계에서 포도당 6-인산(G6P)을 리불로스 5-인산(RuBP)으로 전환시키는 과정을 통해 2분자의 NADP+를 2분자의 NADPH로 환원시킨다. 오탄당 인산 경로의 비산화적 단계에서, 리불로스 5-인산은 리보스 5-인산 이성질화효소의 촉매 작용을 통해 리보스 5-인산으로 전환될 수 있다.[21]

리불로스 5-인산과 리보스 5-인산 간의 이성질화.


NADPH 및 리보스 5-인산에 대한 수요가 균형을 이루면 포도당 6-인산은 오탄당 인산 경로를 통해 한 분자의 리불로스 5-인산을 형성하여 두 분자의 NADPH와 한 분자의 리보스 5-인산을 생성한다.[19]

리보스-5-인산 이성질화 효소에 의해 리불로스-5-인산으로부터 생성되며, 트랜스케톨레이스에 의해 세도헵툴로스-7-인산과 글리세르알데히드-3-인산, 과당-6-인산으로 전환된다. 이 중 글리세르알데히드-3-인산과 과당-6-인산은 해당 과정의 중간 생성물이기도 하다. 또한, 리보스 인산 디포스포키나아제에 의해 포스포리보실 피로인산으로 전환된다.

3. 2. 해당과정

NADPH보다 더 많은 리보스 5-인산이 필요할 때, 리보스 5-인산은 해당과정대사 중간생성물을 통해 생성될 수 있다. 포도당 6-인산은 해당과정동안 과당 6-인산글리세르알데하이드 3-인산으로 전환될 수 있다. 트랜스케톨레이스트랜스알돌레이스는 2분자의 과당 6-인산과 1분자의 글리세르알데하이드 3-인산을 3분자의 리보스 5-인산으로 전환시킨다.[19] 빠른 세포 생장 동안 뉴클레오타이드 및 지방산 합성을 위해 더 많은 양의 리보스 5-인산 및 NADPH가 필요하다. 해당과정의 대사 중간생성물은 피루브산 키네이스 동질효소에 대한 유전자 발현에 의해 오탄당 인산 경로의 비산화적 단계로 유입될 수 있다. 피루브산 키네이스 동질효소는 해당과정에서 병목 현상을 일으켜 오탄당 인산 경로가 해당과정의 대사 중간생성물들을 사용하여 NADPH와 리보스 5-인산을 합성할 수 있도록 한다. 이러한 과정은 피루브산 키네이스 동질효소의 기질인 포스포엔올피루브산에 의한 삼탄당 인산 이성질화효소의 저해에 의해 더욱 활성화된다.[19]

글리세르알데하이드 3-인산과 과당 6-인산은 해당과정의 중간 생성물이기도 하다.

4. 기능

리보스 5-인산 및 그 유도체들은 DNA, RNA, ATP, 조효소 A, FAD, 히스티딘을 비롯한 많은 생체분자들의 전구체로 역할을 한다.[22][5] 리보스-5-인산 이성질화 효소에 의해 리불로스-5-인산으로부터 생성되며, 트랜스케톨레이스에 의해 세도헵툴로스-7-인산, 글리세르알데히드-3-인산, 과당-6-인산으로 전환된다. 글리세르알데히드-3-인산과 과당-6-인산은 해당 과정의 중간 생성물이기도 하다. 또한, 리보스 인산 디포스포키나아제에 의해 포스포리보실 피로인산으로 전환된다.[5]

4. 1. 뉴클레오타이드 생합성

뉴클레오타이드핵산(DNARNA)의 단위체로 역할을 한다.[23] 뉴클레오타이드핵염기, 5탄당, 적어도 하나 이상의 인산기로 구성된다. 뉴클레오타이드는 퓨린 계열의 염기 또는 피리미딘 계열의 염기를 가지고 있다. 퓨린 뉴클레오타이드 합성에서 모든 대사 중간생성물들은 리보스 5-인산을 포함하고 있으며,[24] 리보스 5-인산은 피리미딘 뉴클레오타이드 합성에서 중요한 전구체로도 작용한다.

뉴클레오타이드 생합성 과정 동안, 리보스 5-인산(R5P)은 리보스-인산 다이포스포키네이스(PRPS1)에 의해 포스포리보실 피로인산(PRPP)으로 전환된다. 포스포리보실 피로인산의 생성은 퓨린의 신생합성 경로 및 퓨린의 회수 경로에 필수적이다.[25] 신생합성 경로는 포스포리보실 피로인산의 리보스 5-인산 부분의 활성화로부터 시작되며, 이어서 뉴클레오타이드의 전구체인 포스포리보실아민으로 전환된다. 퓨린의 회수 경로에서[26] 포스포리보실트랜스퍼레이스는 포스포리보실 피로인산을 염기에 첨가한다.[27]

리보스-인산 다이포스포키네이스(PRPS1)에 의한 리보스 5-인산(R5P)의 포스포리보실 피로인산(PRPP)으로의 전환 과정.


포스포리보실 피로인산은 또한 피리미딘 뉴클레오타이드 합성에서 중요한 역할을 한다. 피리미딘 뉴클레오타이드 합성의 5번째 단계에서 포스포리보실 피로인산(PRPP)의 리보스 부분의 1번 탄소는 오로트산공유 결합으로 연결된다. 이 반응은 오로트산 포스포리보실트랜스퍼레이스(PRPP 트랜스퍼레이스)에 의해 촉매되어, 오로티딘 일인산(OMP)을 생성한다.[25]

4. 2. 히스티딘 생합성

히스티딘은 사람에서 새롭게 합성되지 않는 필수 아미노산이다. 뉴클레오타이드처럼 히스티딘 생합성은 리보스 5-인산이 포스포리보실 피로인산(PRPP)으로 전환되면서 시작된다. 히스티딘 생합성의 속도 결정 단계는 ATP 포스포리보실트랜스퍼레이스에 의한 포스포리보실 피로인산과 ATP의 축합 반응이다. 히스티딘 생합성은 피드백 억제에 의해 조절된다.[28][11]

4. 3. 기타 기능

리보스 5-인산은 리보스 5-인산 아데닐릴트랜스퍼레이스에 의해 아데노신 이인산 리보스로 전환될 수 있으며,[29] 아데노신 이인산 리보스는 TRPM2 이온 통로에 결합하여 이를 활성화시킨다.[12]

리보스 5-인산(R5P)와 그 유도체는 DNA, RNA, ATP, 코엔자임 A, FAD (플라빈 아데닌 디뉴클레오타이드), 그리고 히스티딘을 포함한 많은 생체 분자의 전구체로 작용한다.[5]

또한, 리보스 5-인산은 리보스 인산 디포스포키나아제에 의해 포스포리보실 피로인산으로 전환된다.

5. 질병 관련성

세포 내 리보스 5-인산(R5P)의 불균형은 여러 질병과 관련이 있다. 과 종양은 DNARNA 합성 증가와 관련되어 리보스 5-인산 생성이 조절되는 경향을 보인다.[19]

리보스 5-인산 이성질화효소 결핍증은 리보스 5-인산 불균형과 관련된 질환이다.[30][31]

통풍포도당 6-인산 양이 증가하여 해당과정 대사 중간생성물들이 축적되고, 이것이 리보스 5-인산 생성으로 전환되면서 발생한다. 리보스 5-인산은 포스포리보실 피로인산(PRPP)으로 전환되어 퓨린의 과잉 생산을 유발하고, 이는 요산 축적을 야기한다.[25] 리보스-인산 다이포스포키네이스(PRPS1)의 과다활성은 통풍뿐만 아니라 신경발달 장애 및 감각신경성 난청과도 관련이 있다.[34]

레쉬-니한 증후군은 포스포리보실 피로인산(PRPP) 축적으로 인해 발생한다.[33] 이는 하이포잔틴-구아닌 포스포리보실트랜스퍼레이스(HGPRT) 결핍으로 발생하며, 뉴클레오타이드 합성을 감소시키고 요산 생성을 증가시킨다.

5. 1. 암

암과 종양은 RNADNA 합성이 증가함에 따라 R5P 생성이 증가하는 경향을 보인다.[2] 세계에서 가장 희귀한 질병인 리보스 5-인산 이성질체 결핍증[13][14] 또한 R5P 불균형과 관련이 있다. 이 질병의 분자 병리학은 잘 알려져 있지 않지만, RNA 합성이 감소하는 것이 가설로 제기되었다.

R5P와 관련된 또 다른 질병은 통풍이다.[15] G6P의 높은 수치는 해당 과정 중간체의 축적으로 이어지고, 이는 R5P 생성으로 전환된다. R5P는 PRPP로 전환되고, 이는 퓨린의 과잉 생산을 유발하여 요산이 축적된다.[8]

PRPP 축적은 레쉬-니한 증후군에서 발견된다.[16] 이러한 축적은 효소 HGPRT의 결핍으로 인해 발생하며, 이는 뉴클레오타이드 합성을 감소시키고 요산 생성을 증가시킨다.

R5P를 PRPP로 촉매하는 효소인 PRPS1의 과잉 활성 또한 통풍뿐만 아니라 신경 발달 장애 및 감각 신경성 난청과 관련이 있다.[17]

5. 2. 리보스 5-인산 이성질화효소 결핍증

리보스 5-인산 이성질화효소 결핍증은 세포의 리보스 5-인산 불균형과 관련된, 세계에서 가장 드문 질환이다.[30][31] 이 질병의 분자병리학은 아직 잘 알려져 있지 않지만, RNA 합성 감소가 원인으로 제시되었다.

5. 3. 통풍

포도당 6-인산의 양이 증가하면 해당과정의 대사 중간생성물들이 축적되어 리보스 5-인산의 생성으로 전환된다. 리보스 5-인산은 포스포리보실 피로인산(PRPP)으로 전환되어 퓨린의 과잉 생산을 야기하고 이로 인해 요산이 축적된다.[25] 리보스-인산 다이포스포키네이스(PRPS1)의 과다활성은 신경발달 장애 및 감각신경성 난청 뿐만 아니라 통풍과 관련이 있다.[34]

5. 4. 레쉬-니한 증후군

레쉬-니한 증후군에서는 포스포리보실 피로인산(PRPP)이 축적된다.[33] 이러한 축적은 하이포잔틴-구아닌 포스포리보실트랜스퍼레이스(HGPRT) 효소의 결핍으로 인해 발생하며, 이는 뉴클레오타이드 합성을 감소시키고 요산 생성을 증가시킨다.

5. 5. 기타 질환

세포의 리보스 5-인산 불균형은 여러 질병과 관련이 있다. 암과 종양은 DNA와 RNA의 합성 증가와 관련하여 리보스 5-인산의 조절된 생성을 보여준다.[19] 세계에서 가장 드문 질환인 리보스 5-인산 이성질화효소 결핍증은 리보스 5-인산의 불균형과 관련이 있다.[30][31] 리보스 5-인산 이성질화효소 결핍증의 분자병리학은 아직 이해되지 않고 있지만, RNA 합성 감소가 가설로 제시되었다. 리보스 5-인산과 관련된 또 다른 질병은 통풍이다.[32] 포도당 6-인산의 양이 증가하면 해당과정의 대사 중간생성물들이 축적되어 리보스 5-인산의 생성으로 전환된다. 리보스 5-인산은 포스포리보실 피로인산(PRPP)으로 전환되어 퓨린의 과잉 생산을 야기하고 이로 인해 요산이 축적된다.[25]

포스포리보실 피로인산의 축적은 레쉬-니한 증후군에서 발견된다.[33] 이는 하이포잔틴-구아닌 포스포리보실트랜스퍼레이스(HGPRT)의 결핍으로 인해 발생하며, 뉴클레오타이드 합성을 감소시키고 요산 생성을 증가시킨다.

리보스 5-인산(R5P)을 포스포리보실 피로인산(PRPP)으로 전환시키는 반응을 촉매하는 효소인 리보스-인산 다이포스포키네이스(PRPS1)의 과다활성은 신경발달 장애 및 감각신경성 난청 뿐만 아니라 통풍과도 관련이 있다.[34]

참조

[1] 논문 The Synthesis of Ribose-5-Phosphoric Acid http://www.jbc.org/c[...] 1934-02
[2] 서적 Biochemistry W.H. Freeman
[3] 논문 The oxidative pentose phosphate pathway: structure and organisation 2003-06
[4] 논문 Structure of Escherichia coli ribose-5-phosphate isomerase: a ubiquitous enzyme of the pentose phosphate pathway and the Calvin cycle 2003-01
[5] 서적 X ''Pharm'': The Comprehensive Pharmacology Reference
[6] 서적 IUPAC Compendium of Chemical Terminology International Union of Pure and Applied Chemistry
[7] 서적 Textbook of Veterinary Physiological Chemistry 2015
[8] 서적 Elsevier's Integrated Review Biochemistry 2011
[9] 서적 Textbook of Veterinary Physiological Chemistry 2015
[10] 서적 Phosphoribosyltransferase Mechanisms and Roles in Nucleic Acid Metabolism
[11] 논문 Histidine biosynthesis 2011-01
[12] 논문 Phosphorolysis of adenosine diphosphoribose 1966-01
[13] 논문 The difference between rare and exceptionally rare: molecular characterization of ribose 5-phosphate isomerase deficiency https://research.vum[...] 2010-09
[14] 논문 Ribose-5-phosphate isomerase deficiency: new inborn error in the pentose phosphate pathway associated with a slowly progressive leukoencephalopathy 2004-04
[15] 서적 Gout & Other Crystal Arthropathies 2012
[16] 서적 Genetic Diseases of the Kidney 2009
[17] 서적 Movement Disorders in Childhood 2010
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[30] 저널 The difference between rare and exceptionally rare: molecular characterization of ribose 5-phosphate isomerase deficiency 2010-09
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[34] 서적 Movement Disorders in Childhood https://archive.org/[...] 2010



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