플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드 document_id A220623193353

플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(flavin adenine dinucleotide, FAD)는 생화학에서 산화환원반응의 조효소이며, 보다 구체적으로 단백질의 보결분자단으로 물질대사에 있어서 몇 가지 중요한 효소 반응에 관여한다. 플라보단백질은 플라빈기를 함유하고 있는 단백질이며, 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(FAD) 또는 플라빈 모노뉴클레오타이드(FMN)의 형태일 수 있다. 석신산 탈수소효소 복합체의 구성 성분 외에도 α-케토글루타르산 탈수소효소 및 피루브산 탈수소효소 복합체의 구성 성분을 포함하는 많은 플라보단백질들이 있다. FAD는 플라빈-N(5)-옥사이드, 퀴논, 세미퀴논, 하이드로퀴논의 4가지 서로 다른 산화환원상태로 존재할 수 있다. FAD는 전자를 주거나 받아들임으로써 이들 상태들 사이에서 전환될 수 있다. FAD는 완전히 산화된 형태 또는 퀴논 형태에서 두 개의 전자와 두 개의 양성자를 받아서 FADH2(하이드로퀴논 형태)가 된다. 세미퀴논(FADH·)은 한 개의 전자와 한 개의 양성자를 각각 주거나 받아들임으로써 FADH2의 산화 또는 FAD의 환원에 의해 형성될 수 있다. 그러나 일부 단백질은 플라빈 보조 인자의 초과산화 형태인 플라빈-N(5)-옥사이드를 생성하고 유지한다. 역사 플라보단백질은 1879년에 우유의 성분을 분리함으로써 처음 발견되었다. 처음에는 우유에서 기원했고, 노란색 색소였기 때문에 락토크롬(lactochrome)이라고 불렸다. 1938년에 바르부르크와 크리스티안은 비슷한 실험을 통해 FAD가 D-아미노산 산화효소의 보조 인자라는 것을 발견했다. 니코틴아마이드와 수소화물의 전달을 연결시키고 플라빈을 발견한 바르부르크의 연구는 1940년대와 1950년대에 많은 과학자들이 수많은 생화학에서의 산화환원반응들을 발견하고, 이들을 시트르산 회로와 ATP 합성과 같은 대사 경로에서 함께 연결시키는 길을 열었다. 특성 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(FAD)는 아데닌 뉴클레오타이드(아데노신 일인산, AMP)와 인산기를 통해 함께 결합된 플라빈 모노뉴클레오타이드(FMN)라는 두 가지 주요 부분으로 구성된다. 아데닌은 고리형 리보스의 1' 탄소에서 결합하고, 인산은 리보스의 5' 탄소에서 결합하여 아데닌 뉴클레오타이드를 형성한다. 리보플라빈은 아이소알록사진과 리비톨 사이의 탄소-질소(C-N) 결합에 의해 형성된다. 그 후에 인산기는 말단의 리비톨 탄소 상에 결합하여 FMN을 형성한다. 아이소알록사진과 리비톨 사이의 결합은 글리코사이드 결합으로 간주되지 않기 때문에 플라빈 모노뉴클레오타이드는 엄격한 의미로 뉴클레오타이드가 아니다. 그래서 다이뉴클레오타이드라는 이름은 오해의 소지가 있지만, 플라빈 모노뉴클레오타이드는 구조 및 화학적 특성에서 여전히 뉴클레오타이드에 매우 가깝다. FAD는 2 H+ 및 2 e−를 얻어서 FADH2로 환원될 수 있다. 또한 FADH2는 1 H+ 와 1 e−를 잃어 버려서 FADH로 산화될 수 있다. FADH가 1 H+ 와 1 e−를 추가로 소실하면 FAD로 산화될 수 있다. 또한 FAD의 형성은 플라빈-N(5)-옥사이드의 환원 및 탈수를 통해 일어날 수 있다. 산화 상태에 기초하여 플라빈은 수용액에 있을 때 특정 색상을 취한다. 플라빈-N(5)-옥사이드(초과산화된)는 노란-오렌지색, FAD(완전히 산화된)는 노란색, FADH(반쯤 환원된)는 pH를 기준으로 파란색 또는 빨간색, 완전히 환원된 형태는 무색이다. 산화환원 형태를 바꾸는 것은 다른 화학적 특성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 완전히 산화된 형태인 FAD는 친핵성 공격의 대상이고, 완전히 환원된 형태인 FADH2는 높은 분극률을 가지고, 반쯤 환원된 형태는 수용액에서 불안정하다. FAD는 방향족 고리 시스템이지만, FADH2는 그렇지 않다. 이것은 FADH2가 방향족 구조가 제공하는 공명을 통한 안정화 없이 에너지가 상당히 높다는 것을 의미한다. FADH2는 일단 산화되면 방향족성을 회복하고 이러한 안정화에 의해 나타나는 에너지를 방출하기 때문에 에너지 운반 분자이다. FAD 및 그 변이체의 분광학적 특성은 자외선 가시광선 분광법 및 형광 분광법을 사용해 반응 모니터링을 수행해 조사할 수 있다. FAD의 각기 다른 형태는 흡광도 스펙트럼이 다르므로, 산화 상태의 변화를 쉽게 관찰할 수 있다. 플라빈은 일반적으로 결합하지 않을 때 형광 활성을 갖는다(플라빈 핵산 유도체와 결합한 단백질을 플라보단백질이라 한다). 이러한 특성은 결합 상태에 놓였을 때 형광 활성의 소실을 관찰함으로써 단백질 결합 검사시 사용할 수 있다. 그러므로 사람은 비타민 B2로도 알려진 리보플라빈을 음식물에서 섭취해야 한다. FAD 잔기의 이온화와 변형의 다양성은 아이소알록사진 고리 시스템과 플라빈 아데닌 다이뉴클레오타이드(FAD)를 포함하여 결합시 플라빈의 반응속도 매개변수를 크게 교란시키는 플라보단백질의 능력에 기인할 수 있다. 게놈(플라보프로테옴)에서 플라빈 의존성 단백질을 암호화하고 있는 유전자의 수는 생물 종에 따라 다르며, 0.1%~3.5%의 범위일 수 있으며, 사람은 90개의 플라보단백질을 암호화하고 있는 유전자를 가지고 있다. FAD는 플라빈의 보다 복잡하고 풍부한 형태이며, 전체 플라보프로테옴의 75% 포유류의 다양한 배양 세포주에서 유리 플라빈 또는 비공유결합 플라빈의 세포 내 농도가 FAD(2.2~17.0 amol/세포), FMN(0.46~3.4 amol/세포)로 보고되었다. FAD는 NAD+보다 더 플러스인 환원전위를 가지며, 매우 강력한 산화제이다. 세포는 C-C 결합을 알켄으로 탈수소화하는 것과 같은 에너지적으로 어려운 많은 산화반응에 이를 이용한다. FAD-의존성 단백질은 전자전달, DNA 복구, 뉴클레오타이드 생합성, 지방산의 베타 산화, 아미노산의 이화작용, CoA, CoQ, 헴기와 같은 보조 인자의 합성을 포함한 다양한 대사 경로에서 기능을 한다. 잘 알려진 반응 중 하나는 시트르산 회로의 일부이다. 석신산 탈수소효소(전자전달계의 복합체 II)는 유비퀴논을 유비퀴놀로 환원시키는 것과 석신산을 푸마르산으로 산화시키는 것을 짝지어 촉매하기 위해 효소에 공유결합된 FAD를 필요로 한다. 또한 지방산의 베타 산화 및 류신(아이소발레릴-CoA 탈수소효소), 아이소류신(짧은/가지사슬 아실-CoA 탈수소효소), 발린(아이소뷰티릴-CoA 탈수소효소), 리신(글루타릴-CoA 탈수소효소)과 같은 아미노산의 분해와 관련이 있는 아실-CoA 탈수소효소와 같이 FAD와 비공유결합을 하는 플라보단백질도 존재한다. 물질대사를 조절하는 FAD-의존성 효소의 또 다른 예로는 글리세롤 3-인산 탈수소효소와 퓨린 뉴클레오타이드의 분해에 관여하는 잔틴 산화효소가 있다. FAD의 다른 비촉매적 역할로는 플라보단백질에서 구조적 역할을 수행하거나, 생물 발광을 하는 세균에서 생체 시계, 성장, 빛의 발생을 조절하는 청색광 수용체와 관련된 역할도 있다. 사람에는 90 종의 플라보단백질이 있다. 이 중 약 84%는 FAD를 필요로 하고, 약 16%는 FMN을 필요로 하며, 5가지 단백질은 FAD와 FMN 둘 다를 필요로 한다. 탄소-산소 글루코스 산화효소(GOX)는 효소 결합 플라빈의 환원과 함께 β-D-글루코스의 D-글루코노--δ-락톤으로의 산화를 촉매한다. 글루코스 산화효소는 각각의 소단위체가 하나의 FAD-분자와 결합하고 있는 호모다이머(homodimer)로 존재한다. 결정 구조는 FAD가 이량체 경계면 근처의 효소의 깊은 곳에 결합한다는 것을 보여준다. 연구에 따르면 FAD를 8-하이드록시-5-카바-5-데자 FAD(8-hydroxy-5-carba-5-deaza FAD)로 대체했을 때 반응의 입체화학은 플라빈의 전면과 반응하여 결정된다고 나왔다. 회전하는 동안 라디칼 메커니즘을 나타내는 중성 및 음이온 세미퀴논이 관찰된다. 아드레노독신 환원효소는 NADP-결합 도메인에서 NADPH와 결합한다. 아드레노독신 환원효소의 구조는 효율적인 전자전달을 위해 전자공여체인 NADPH와 전자수용체인 FAD의 정렬을 정확하게 유지하는 것으로 보아 확실하게 보존된다. 산화환원반응 ''p''-하이드록시벤조에이트 하이드록실레이스(PHBH)는 ''p''-하이드록시벤조에이트(''p''OHB)의 3,4-다이하이드록시벤조에이트(3,4-diOHB)로의 산소첨가 반응을 촉매한다. FAD, NADPH 및 산소 분자는 모두 산소첨가 반응에 필요하다. NADPH는 먼저 FAD로 하이드라이드를 전달하여 FADH−를 생성한 다음, NADP+는 효소로부터 분리된다. 환원된 ''p''-하이드록시벤조에이트 하이드록실레이스는 산소 분자와 반응하여 플라빈-C(4a)-하이드로퍼옥사이드를 생성한다. 플라빈 하이드로퍼옥사이드는 ''p''-하이드록시벤조에이트를 빠르게 하이드록실화 한 다음, 물을 제거하여 산화된 플라빈을 재생한다. 1억 5천만 달러~5억 달러 규모의 이 시장은 의료용 뿐만 아니라 농업에서 동물 사료 보충제 및 식품 착색제로 사용된다. 이미 과학자들은 FAD가 보통 한 번 묶인다고 가정하는 2개의 구조를 결정했는데, 분자가 본질적으로 반으로 접혀서 아데닌과 아이소알록사진 고리가 쌓이는 것을 야기하는 확장 입체구조와 나비형 입체 구조가 그것이다. 유사한 방식으로 결합할 수 있지만 단백질 기능을 허용하지 않는 FAD 유사 모방 분자는 세균의 감염을 억제하는 유용한 메커니즘이 될 수 있다.