Phase I reaction
(Cytochrome P450 dependent)
지난 시간에
Biotransformation과 bioactivation을 구분할 수 있다.
물질의 특성에 따라 ADME가 달라짐을 알고 있다.
독성과 극성의 관계를 알고 있다. 또한 극성과 대사와의 관계를 알고 있다.
Xenobiotics가 biotransformation되는 곳을 알고 있다.
Biotransformation의 두 단계를 알고 있다.
Phase 1과 phase 2를 구분할 수 있다.
Microsome과 S9 fraction의 개념을 알고 있다.
Electrophiles의 공격력과 대사 기전을 알고 있다.
Principles of toxicology
Organic xenobiotics
Direct –acting Chemicals
(minor pathway)
Indirect –acting Chemicals
(major pathway)
Parent compound Natural
decomposition
Biotransformation
Phase I Phase II
CYP450
Dependent
(80%) Independent (20%)
Active forms (electrophilic)
Reactive intermediats
-electrophilic (80%) -Redox-active
-carbon-centered radicals
Interacts with macromolecules
Lipid, Protein
Carbohydrate DNA
Reversible &
Irreversible toxicity
Irreversible toxicity
Principles of toxicology
독성학의 분자－생화학적 원리에 있어서 Central dogma: 유기독성물질 은 생체전환 유무에 따라 직접－작용 독성물질(direct－acting toxicants) 과 간접－작용 독성물질(indirectacting toxicants)로 구분되며 직접－작 용 독성물질은 자연분해 유무에 따라 원물질(parent compound)과 활성 형물질(active form)로 구분된다. 간접－작용 독성물질은 대부분 제1상 반응의 생체전환(biotransformation)을 통해 독성을 유발하는 활성중간 대사체(reactive intermediates)로 전환된다. 결국 이들 질들은 체내 4대 거대분자인 당, 단백질, 지질 등과 상호작용을 통해 가역적 독성 비가 역적 독성을 유발한다. 체내에 독성을 나타내는 모든 외인성물질의 80%
이상은 생체전환(biotransformation)을 통해 전환되는 간접－작용물질에 기인한다. 또한 독성을 유발하는 활성중간대사체 중 80% 이상은
cytochrome P450 효소에 의해 생성되며 친전자성대사체 (electrophilic metabolites)이다. 따라서 유기성 외인성물질의 체내 동태학적 측면에서 직접－작용 독성물질 경로는 ‘minor pathway’이고 간접－작용 독성물질 은 ‘major pathway’이다. 물론 최종독성물질과 4대 거대분자와의 상호작 용을 통한 가역적 또는 비가역적 독성이 반드시 이와 같이 거대분자의 종류에 따라 구분되어 나타나지는 않지만 발암화의 가능성 때문에 DNA 와 상호작용은 비가역적 독성으로 분류되었다.
영희는 커피를 한 잔만 마셔도 앞에 앉은 철수를 좋아하나 착각할 정도로 심장이 두근거리고, 밤 에는 잠을 이루지 못하는데…. 반면 철수는 하루 에 대여섯 잔을 마셔도 잠만 잘 잡니다. 심지어 독성학 같이 재미있는 수업을 들을 때도 말이지 요.
왜 이런 차이가 있을 까요?
일반적으로 계속 마시다 보면 몇 잔 마셔도 괜찮 아 지는 이유는 무엇인가요?
마실 시도도 해보기 힘든 사람은 왜 그럴까요?
Cytochrome p450?
CYP 450
1. Cytochrome P450의 발견과 분류
Cytochrome P450에서 P는 색소, 450 (nm)은 최 대흡광도를 나타낸다.
P450의 분류는 효소의 염기서열 또는 아미노산 서열의 동일성을 기준으로 이루어지며 현재까지 276 family의 약 5,500여 종이 확인되었다.
<그림 2－1> Cytochrome P450의 분광광도 분석 (spectrophotometric analysis):
P450 의 발현 유도물질인 phenobarbital와 3－methylcholanthrene 처리 후 미크로 좀 분획에서 활성이 증가되는 파장 450 또는 448 nm에서 증가되는 것을 확인할 수 있다(참고: Hasler).
Cytochrome P450의 분광광도 분석 (spectrophotometric analysis
Cytochrome P450의 명명법
사람의 P450의 분류
기타 CYP4,5,7,8,11, …- 51 등 57개의 유전자
사람의 P450 유전자는 57개인 반면 동 물의 P450 유전자는 101개라고 한다.
동물이 인간보다 P450 유전자를 더 많 이 가지고 있는 이유는?
동물이 P450의 기질이 되는 다양한 외인성 물질을 포함하고 있는 더 많은 종류의 식물 성 먹이를 취하기 때문일 것으로 추정된다.
육식동물은?
Hungry like the wolf!
염소, 사슴 사람 개, 고양이 사슴이 먹는 풀과 도토리를 우리 인간이 먹 어도 문제가 없을까?
몸에 좋은 샐러드를 개나 고양이에게 먹인 다면?
독성물질에 대한 P450의 유전자의 종류, 발현조절, 및 기능에 차이 (사람과 동물 또 는 동물과 동물 상호간의 차이)가 있다.
이러한 차이는 독성물질에 대해 종에 따라 감수성이 달라지는 주요 요인이 된다.
동물실험에서 얻은 결과를 인간에게 외삽 (extrapolation)하는데 어려움이 있다.
약물대사효소의 유전자가 많이 다르니 독 성실험결과도 다르다는 점…
2. Cytochrome P450의 구조와 기질특이성
2. Cytochrome P450의 구조와 기질특이성
Cytochrome P450의 구조와 기질특이성<그림 2－2> CYP3A4의 X－ray
crystallography을 이용한 구조: Helix 구조는 청색, sheet 구조는 갈색, 코일형 구조는 회색 그리고 heme의 붉은색 막대형으로 표시되었다. Helix와 sheet는 영 문대문자와 β로 표기되었다(참고: Yano).
P450의 active sites
<그림 2－3> P450의 heme prosthetic group(햄－보결분자단): 햄－보결 분자단은 P450의 활성부위이며 3가철이온(FeIII)－protoporphyrin－IX가 단백질 내부의 인접한 cysteine 리간드의 S와 공유결합으로 연결되어 있다.
P450의 Substrate Recognition Sequence(SRS)
6개의 SRS가 기질 특이성을 결정한다.
11 channels in P450
각 채널을 통해 기질의 촉매반응 부위가 활성부 위로 접근하고 생성물이 방출된다.
11 channels in P450
채널의 다양성과 유연성으로 인해 P450의 광 범위한 기질을 촉매할 수 있는 기전으로 추정 된다.
<그림 2－7> 여러 P450 효소의 다양한 용매채널(Solvent channel): (A) 세균의 P450BM3의 물이 통과하는 좁은 용매채널, (B)는 두 개의 가지(branch)를 지닌 포유 류 CYP2C5의 용매채널이며 물분자 통과, (C)는 포유류 CYP2D6의 용매채널로 비교 적 넓고 기질과 생성물의 이출입이 이루어진다(참고: Cojocaru).
일반적인 효소와 약물대사효소의 기질 특이성의 차이를 설명하시오.
효소가 하는 일은 무엇인가요?
효소는 무엇으로 구성되어 있나요?
왜 그럴까요?
효소의 기질 특이성을 설명해 보세요?
그런 기질특이성을 갖는 이유는 무엇인가요?
약물대사효소의 기질 특이성은 일반적인 효 소와 어떻게 다를까요?
왜 그럴까요?
효소가 하는 일은 무엇인가요?
효소는 화학반응을 촉매 합니다.
Activation energy를 낮추어 자연상태에서는 잘 일어나지 않는 반응을 촉매 하여 substrate 를 다른 물질인 product로 바꾸어 줍니다.
효소는 무엇으로 구성되어 있나요?
효소는 주로 단백질로 구성되어 있고, 비타민 이 조효소로 같이 구성되는 경우도 있고,
Ribozyme처럼 RNA 효소도 있습니다.
왜 주로 단백질로 구성될까요?
다양한 3차 구조를 만들 수 있기 때문입니다.
효소의 기질 특이성을 lock and key model로 설 명해 보세요?
효소와 기질은 마치 자물쇠와 열쇠처럼 서로 맞 는 구조를 가지고 있을 때 결합하므로 효소의 기 질특이성이 큽니다.
Lock and key model로 설명되지 않는 부분은?
Induced pit model?
Lock and key model로는 효소가 기질의
transition state를 안정화시키는 것이 설명 되지 않아, 기질이 결합할 때 효소의 구조가 변형되어 정확한 position을 찾아간다는 induced pit
model로 함께 설명하고 있습니다
효소가 높은 기질특이성을 갖는 이유는 무엇 인가요?
일반적인 효소는 생명체의 항상성 유지에 필 요한 물질을 신속하고 다량으로 공급해야 하 고 조절할 수 있어야 합니다. 따라서 기질마다 촉매 하는 효소가 따로 있는 것, 즉 효소의 기 질 특이성이 큰 것이 생명체의 항상성 유지에 유리합니다.
약물대사효소의 기질 특이성은 일반적인 효 소와 어떻게 다를까요?
약물대사효소는 일반적인 효소보다 기질특이 성이 낮습니다.
왜 그럴까요?
약물대사효소는 일반적인 효소와 달리 외부 에서 무수히 많은 종류의 화합물에 대하여 일 일이 다른 약물대사효소를 이용하여 대사시 키는 것이 불가능하므로 기질특이성을 낮추 어 다양한 기질을 촉매 합니다. (약물대사효 소는 특이적인 생성물을 만들지 않고 다만 수 용성을 증가시키면 되기 때문이기도 합니다.)
잠깐 쉽시다!
3. P450의 분포 조직, 세포 그리고 세포 내 소기관
P450은 대부분 간에만 있어야 할 것 같지만 신장, 폐, 부신, 생식선, 뇌 등 다양한 조직에 서 발현되고 있다.
P450은 xenobiotics의 대사뿐만 아니라 생리 활성물질의 동화작용에도 관여하기 때문에 기관, 조직과 세포 등에 특이적으로 분포한다.
P450의 주요기능
외인성물질의 생체전환뿐 아니라 P450은 생체의 항상성 유지에 대한 기능으로는 호르몬 합성과 대사, 지방산 대사, 담즙산 합성 그리고 thromboxane 합성 등 중요한 역할을 한다.
왜 P450은 외인성물질뿐 아니라 내인성물질 대사에도 관 여할까요?
P450의 기능에 따른 분류와 분포
기능도 다양하고 분포도 다양하다. 참고용
P450의 기능에 따른 분류와 분포
Xenobiotics를 대사시키는 P450는 대부분 간 (70%)의 소포체에 존재한다.
Microsomal membrane (80%):
xenobiotics biotransformation
Innermitochondrial membrane. (20%):
steroid, vitD3 biosynthesis
내인성 물질 대사와 관련된 P450
<그림 2－9> 내인성물질의 대사에 관련된 P450의 종류: 미토콘드리 아 P450은 오렌지색, 미크로좀 또는 소포체 P450은 노란색, P450에 의한 주요 생성물은 보라색으로 표시되었다. Linoleic acid 와 retinoic acid는 사람에게 있어서 필수지방산인데 식물에서만 생성된다(참고:
Seliskara).
내인성 물질 대사와 관련된 P450
4. Catalytic cycles of cytochrome P450
P450은 기질에 산소원자를 첨가하며 이에 필 요한 전자를 NADPH로 부터 얻는다.
P450 catalytic cycle: 9 steps
5. Representative catalytic reaction
5-1: Hydroxylation은 P450에 의한 대표적 인 촉매반응이다.
hydrogen abstraction, oxygen rebound
<그림 2－14> CYP2E1에 의한 에탄올 수산화: CYP2E1에 의한 수소발췌로 카르보닐이 생성된 후 카르복실산 생성을 통해 에탄올의 탄소수산화가 이루 어진다(참고: Guengerich).
5. Representative catalytic reaction
5-2: Epoxidation은 xenobiotics의 독성을 유발하는 중요한 biotransformation 이다.
그림 2－20> Heterocyclic compound의 P450에 의한 epoxide 생성:
Furan계 3－Methylfuran가 P450에 의해 산화되어 산소원자가 결합하 고 H2O의 도움으로 전자재배열(→)을 통해 epoxide 구조가 형성된다.
6. Enzyme induction
Inducible enzyme과 constitutive enzyme 의 차이는 무엇인가?
유도물질에 의해 유전자의 발현이 현저히 증가되는 효소, 간헐적으로 들어오는
xenobiotics를 대사시키기 위함
유도물질 존재와 상관없이 일정한 활성을 나타내는 효소, endogenous substrate가 항상 존재하고 생명을 유지하는데 생리활 성이 필요하다.
6. Enzyme induction
P450는 Inducible enzyme인가 constitutive enzyme인가?
P450는 xenobiotics뿐 아니라 endogous substrate의 대사에도 관여하여 생명체의 항상성을 조절하므로 유도효소이면서 구성 효소의 특성을 함께 가지고 있다.
Enzyme induction mechanism
<그림 2－28> CYP 유전자의 전사에 있어서 핵수용체－매개 기전: Ligand는 외 인성물질이며 NR(nuclear receptor: 핵수용체)이 리간드와 결합하여
복합체를 형성하여 핵으로 이동한다. 복합체는 핵에서 coactivator(보조 활성자)와 이종이합체(heterodimer) 또는 동종이합체(homodimer)를 형 성하여 P450 유전자의 프로모터의 수용체－반응 element에 결합을 통 해 유전자 전사를 유도한다. P450의 계열에 따라 핵수용체 종류가 다르 며 또한 프로모터 내의 조절부위도 다르다(참고: Janosek).
Enzyme induction mechanism
P450 2E1과 같이 기질이 단백질의 stability를 증가 시키는 경우도 있다.
7. P450s in extrahepatic tissues
소장상피
CYP3A4 (70%), CYP2C9(15%)
CYP3A4는 first-pass metabolism에 매우 중요 한 역할을 수행한다.
예를 들어 장기이식 후 면역억제에 사용되는 cyclosporin은 CYP3A4에 의해 대사된다. 자몽 중의 어떤 성분은 CYP3A4의 활성을 억제한다.
하루 한 개의 자몽 섭취로 cyclosporin의 혈중 농도를 수 배 올릴 수 있다. 부작용으로 신독 성이 나올 수 있다.
7. P450s in extrahepatic tissues
폐와 호흡기
폐로 들어오는 xenobiotics를 대사시키기 위함 흡연의 경우 약 4,000개 정도의 화학물질이 생 성된다고 합니다. 이런…
그외 kidney, skin, brain등에서 발현된다.
정리하면
Xenobiotics의 대사 경로를 알고 있다.
cytochrome P450의 이름을 알고 있다.
약물대사효소의 indivisual, species variation을 알고 있다.
P450 system의 구조적 특성을 알고 있다.
P450의 기질특이성을 결정하는 SRS를 알고 있다.
P450의 기질의 다양성을 결정하는 채널을 알고 있다.
일반적인 효소와 P450의 기질특이성의 차이를 알고 있다.
P450의 분포조직과 localization을 알고 있다.
P450의 주요기능을 알고 있다.
P450의 내인성물질 생성 기능을 알고 있다.
P450이 전자를 전달하는 다른 효소의 존재를 알고 있다.
P450의 여러 촉매반응 중 대표적인 두 가지를 제시할 수 있다.
P450의 enzyme induction을 설명할 수 있다.
Enzyme induction mechanism 두 가지를 설명할 수 있다.
