核糖核苷酸還原酶（英文：Ribonucleotide 還原酶, RNR，別稱為核糖核苷二磷酸還原酶）是一種酶，廣泛存在于各種生物中，負責催化4種核糖核酸還原，生成相應的脫氧核糖核苷酸，這些脫氧核糖核苷酸是脫氧核糖核酸合成的必需前體。在生物體內，這一反應受到嚴格的調控。
結構
核糖核苷酸還原酶是一個鐵離子依賴型的酶，其在DNA合成中扮演著不可或缺的角色。第一型的核糖核苷酸還原酶由較大的RNR1亞基和較小的RNR2亞基組成，形成異二聚體四聚體結構。在人體中，RNR1亞基由RRM1基因編碼，而其異構型態RNR2由RRM2基因和RRM2B基因編碼。RNR1單體包含三個區域：含有220個N-端殘基的主要尾旋結構、包含480個殘基的十股α/β結構，以及包含70個殘基的較小五股α/β結構。RNR2含有一個硫酸亞鐵中心和一個穩定的酪氨自由基。在大腸桿菌中，酪氨酰自由基位于Y122，而在埃及斑蚊體中位于Y184。這些自由基通常位于蛋白質的疏水環境中，緊鄰穩定酪氨酰自由基的鐵離子中心。2μ-氧聯鐵桿的結構由鐵結合位點的配體提供，包括4個氨基酸（天門冬氨酸D146、谷氨酸E177、E240和E274）以及兩個組氨酸的生物合成（H180和H277）。酶的活性依賴于RNR1和RNR2亞基的結合。活化中心包含來自亞鐵中心（RNR1）的活化雙硫醇基團和來自RNR2亞基的酪氨酰自由基。其他殘基如天冬氨酸D273、色氨酸W48和酪氨酸Y356有助于穩定活化中心的酪氨酰自由基，進行電子轉移。電子的轉移從RNR2的酪氨酸Y122開始，經過色氨酸W48，最終由RNR1的酪氨酸Y731分離。在活化位中，電子由RNR1轉移到RNR2，經過酪氨酸Y356至Y731，再透過酪氨酸Y730到半胱氨酸C439。RNR1的關鍵氨基酸殘基，如天門冬氨酸D64和纈氨酸V292或V284，在異位調節中非常重要；L-脯氨酸P210和P610、亮氨酸L453和L473以及甲硫氨酸M603殘基位于活化位的疏水部分；半胱氨酸C225、C436和C451殘基參與去除氫原子和轉移自由基電子；半胱氨酸C225和C436、天門冬酰胺N434和谷氨酸E441殘基與核糖基質結合；酪氨酸Y723和Y743殘基決定自由基的轉移；半胱氨酸C838和C841殘基在活化位用于再生雙硫醇基團。
功能
核糖核苷酸還原酶（RNR）從頭催化dNTPs的合成。它催化核糖核苷5'-二磷酸（NDPs）的2號碳的環原反應，形成2'-脫氧衍生物，還原為2'-脫氧核糖核苷5'-二磷酸（dNDPs）。這個反應在產生自由基時啟動，需要硫氧還原蛋白的雙硫醇基團提供的電子。當輔酶I磷（NADPH）提供兩個氫原子來還原硫氧還原蛋白的二硫化物基團時，硫氧還原蛋白會再生。三種類型的RNR都有類似的機制來還原NDPs，不同之處在于產生自由基的方式。第一型的還原酶使用亞鐵離子中心和三價鐵轉化為游離的酪氨酰自由基，通常在有氧條件下還原NDP基質。第一型的還原酶分為IA和IB兩種類型，分別具有不同的調節作用。IA型通常分布在真核生物、真細菌、噬菌體和病毒中，而IB型則發現于真細菌中。IB型還原酶可以通過雙核錳中心穩定地產生自由基。
調節
第一型RNR包含RNR1和RNR2兩個亞基，與形成異源二聚體的四聚體有關。RNR1包含變構位點，具有調節基質特異性和活性的功能。4種核糖核苷酸中的一個結合到活性位，取決于變構的配置。RNR的調節是為了維持dNTPs的量。當atp結合到異構活化位時會激活RNR，而當dATP結合到異構活化位時，RNR會失去活性。這種異位調節機制除了控制活性外，還可以調節基質的專一性并確保酶所制造的dNTP是等量的。所有類型在異構位上結合ATP或dATP都會誘導CDP和UDP的還原；2'-脫氧鳥苷5'-三磷酸誘導ADP的還原；2'-脫氧胸腺嘧啶核苷5'-三磷酸（dTTP）誘導GDP的還原。IB型的還原酶不會被dATP抑制，因為它們在異構活化位上缺乏約50個N端的氨基酸。真核生物的IA型還原酶具有附加的調控機制，當dNTPs濃度過高時，會關閉其合成機制，以保護細胞不會因dNTP過剩而導致的細胞毒性或突變效應造成細胞死亡或脫氧核糖核酸損害。RNR可以使用異位調節的morpheein模型進行調節。
RNR1和RNR2抑制劑
針對類型I的RNR抑制劑可以分為三類：轉譯抑制劑，阻止酶的合成；二聚化抑制劑，預防兩個RNR亞基（R1和R2）的關聯；催化抑制劑，使R1亞基或R2亞基失活。第一型和第二型RNR的C端相似，都可以被肽類抑制劑抑制。
相關介紹
核糖核苷酸還原酶的基質包括由嘌呤堿或嘧啶堿基、核糖或脫氧核糖以及磷酸三種物質組成的化合物，又稱核酸。戊糖與有機堿合成核苷，核苷與磷酸合成核苷酸，4種核苷酸組成核酸。核苷酸主要參與構成核酸，許多單核苷酸也具有多種重要的生物學功能，如與能量代謝有關的三磷酸腺苷（ATP）、脫氫輔酶等。某些核苷酸的類似物能干擾核苷酸代謝，可作為抗癌藥物。根據糖的不同，核苷酸有核糖核苷酸及脫氧核糖核苷酸兩類。根據堿基的不同，又有6-氨基嘌呤核苷酸（腺苷酸，AMP）、鳥嘌呤核苷酸（鳥苷酸，GMP）、胞嘧啶核苷酸（胞苷酸，CMP）、尿嘧啶核苷酸（尿苷酸,UMP）、胸腺嘧啶核苷酸（胸苷酸，TMP）及次黃嘌呤核苷酸（肌苷酸，IMP）等。核苷酸中的磷酸又有一分子、兩分子及三分子幾種形式。此外，核苷酸分子內部還可脫水縮合成為環核苷酸。
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