주목되는 지방산들의 생체전환
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 김 재 원 (jwk5002@reseat.re.kr)
1. 서 론
○ 중간 내지 긴 사슬의 지방산 아실 유도체(Fatty acyl derivatives)들의 여러 가지 생체전환들은 그들의 높은 선택성과 메커니즘 때문에 최근 주목되고 있다.
– 또한 최근 떠오르는 리포도믹스(Lipodomics; bioactive lipids)로 알려 진 연구 분야에서도 핵심적인 것으로 관심을 모으고 있다.
– 이 반응들은 크게 다음 4가지로 분류될 수 있다.
․ 에폭시화 또는 수소화의 이성화반응, 수산화반응, C-메틸화반응에 관련된 불활성 이중결합에의 부가반응.
․ 카복실기 말단에서 한 개의 탄소사슬을 축소시키는 반응.
․ 유황화, 탈수소화, 및 수산화 등의 반응에 기인한 불활성 C-H결합 에의 공격적 반응.
․ 과산화수소 중간체 과정을 거치는 불포화지방산 유도체들의 추가 적산화반응.
○ 이 반응들은 대부분 탄소 라디칼 또는 탄소양이온 같은 탈 전자 반응의 중간체 과정을 거친다. 이 반응성이 높은 중간체들이, 그 반응효소의 활 성내부에서 어떻게 수소 없이 반응이 일어나며 정교한 선택성을 갖는 화합물로 전환되는지를 밝히는 것이 매우 가치 있는 연구목적이 된다.
○ 주목을 끄는 사례로, 폐결핵과 나병을 야기시키는 미코세균(Mycobacte- ria)의 생체 내에서 일어나는 C-메틸화 반응 메커니즘을 규명하는 연구 는 매우 유효한 치료법을 찾는 데 본질적인 것으로 주목되고 있다. 본 고에서는 지방산들의 생화학적 전환의 메커니즘 관점에서 그 반응과정 을 중점적으로 서술하였다.
2. 올레핀 부가반응(Olefin addition)
○ 불포화지방산 아실 유도체들은 세포지질의 주된 성분으로, 산소에 의한 탈 포화 반응으로 형성된다. 여러 미생물에서 올레핀계 지방산들은 혐 기적으로 지방산 생합성효소의 촉매작용으로 형성된다. 이 올레핀계 지 방산의 탄소이중결합은 다음 기술한 여러 부가반응들에 의해 전환된다.
○ C-methylation반응
– 일반적인 올레핀 부가반응은 S.A.M.(S-adenosyl methionine)에 의한 탄소메틸화반응이다. 이 반응 메커니즘은 S.A.M.으로부터 메틸기가 전이되면서, 탄소양이온중간체를 형성하여 지방산올레핀에 부가된다.
– 반응경로의 선택은 각각의 메틸전이효소 활성부위에서 양자수용체의 위치에 따라 결정되는 것으로 추정하고 있다.
○ Cyclopropane 합성효소
– 불포화지방산으로부터 합성효소에 의해 Cyclopropane ring을 갖는 지방산의 생성현상은, 여러 미생물 및 식물 종자유에서 발견되고 있 다. 자연적으로 생성되는 Cyclopropyl 지방산유도체들로는, Lactobacillic acid(여러 세균에 존재하는 Monocyclopropyl 지방산), U-106305(Strepto- myces균에서의 Oligocyclopropanated 항균성대사산물), Mycolic acid (Mycobacteria) 등이다.
–
S.A.M.에 의한 Cyclopropane ring형성에 관한 메커니즘은 초기
S.A.M.으로부터 메틸그룹이 이전되어 치환되는데, 올레인지방산에서 는 9,10 탄소위치에서, cis-vaccenate 지방산에서는 11,12 위치에서 메틸화반응이 일어난다. 이후 순차적으로 양자이탈반응이 일어나고, Cyclopropane ring 형성반응이 진행된다.○ Tuberculostearic acid 생합성
– Tuberculostearic acid(T.S.A.; R-10-methyloctadecanoic acid)는 폐결핵
원인균인 Mycobacterium tuberculosis가 인체 내에서 생존하는 데 필 요한 세포벽 구성성분이다. 한편 폐결핵 진단지시제의 역할도 한다.
– T.S.A.의 형성 메커니즘 경로는 24-Methylsterols의 형성과정과 유사하 다. 즉 1,2-hydride 전이와 양자이탈로 메틸기가 올레핀에 전환된다.
○ Sphingolipid C-methylation
– 올레핀지방산유도체의 C-methylation은 효모 Pichia pastoris에서 일어 나는 Glucosylceramide 생합성에서도 확인된다. 이 화합물은 식물과 병원균의 상호작용에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려지고 있다.
– Pichia효모의 메틸전이효소의 서열분석으로, 이 효소 단백질이 S.A.M.
에 연결된 methylases효소 계열에 속한다는 것과, 또한 식물체와 세 균의 Cyclopropane 지방산합성 효소들이 매우 유사한 서열을 갖는다 는 것이 밝혀졌다.
– Pichia에서의 C-methylation 메커니즘은, 탄소양이온중간체의 9번 탄 소위치에서 양자이탈이 일어나, 메틸기가 올레핀으로 전환된다.
○ Mycolic acid 생합성 : Mycobacteria에서 mycolic acid 생합성에 관한 연구는 새로운 항결핵제 개발 목적으로 열성적으로 수행되어지고 있으 나, 실험실적으로 활성을 얻기가 쉽지 않기 때문에 이 분야에 대한 연 구가 진척되지 못하고 있다. 현재 cyclopropane ring 형성과정에 관여 하는 효소결정구조가 규명된 상태에 있다.
○ Hydration반응 : 위치 및 입체선택성 효소의 촉매작용으로 올레인산의 수화반응은 주목할 만하다. Pseudomonas균에서 올레인산 수화반응 과 정이 동위원소 표지실험으로 밝혀졌는데, 양자 부가반응 단계에 의해 시작된다. C11위치의 양자이탈로 이중결합의 가역적 전이가 일어나는 일부경로만 확인되었으며, 전체 반응시스템은 아직 규명되지 않았다.
○ Cis-trans 이성화반응 : 불포화지방산을 그에 대응하는 이성체로 전환하 는 것은, 불안정한 배양조건 하에서 세포지질구조의 유동성을 낮추기
위해, Pseudomonas균에 의해 사용된 전략이다. 이 경우는 생물학적 환 경전환과 생체촉매 합성과 같은 응용에서 자주 일어난다. 이성화반응은 혐기적이고, 철(Fe)관련 산화환원반응 메커니즘이다.
○ Hydrogenation반응 : Butyrivibrio 같은 반추미생물에서 일어나는 올레 핀지방산유도체의 생체 내 수소화 반응은 전형적으로 지방산탈포화반 응의 역반응이다. Tove연구팀에 의한, 9.10-올레핀 결합을 선택적으로 환원시키는 Octadecadienoate환원효소에 관한 연구 이후, 이 시스템에 관한 세부적 연구는 아직 수행된 바 없다.
3. Ladderanes(사다리형 Cyclobutylfatty acids)
○ 최근 네덜란드 해양연구소 연구팀에 의해, 암모니아를 산화시키는 세균 (Anammox microbe)에서 Ladderanes의 발견과 그 구조해석은 세포막 생화학분야에 매우 뛰어난 연구 성과 중 하나이다.
○ 이 화합물은 선상으로 결합된 Cyclobutyl units가 불포화 지질전구체의 환화(Cyclization)반응에 의해 생합성 되며, 사다리형을 구성하는 데 있 어, S.A.M. 라디칼 효소들의 개입가능성이 최근 유전자 연구로부터 추 정되고 있다.
4. 탄화수소의 생합성(Hydrocarbon biosynthesis)
○ 지방산유도체에서의 탄화수소의 생합성은, 식물체에서의 표피왁스형성, 곤충에서의 페로몬 생합성, Falcarindiol과 같은 Allelo화합물의 생성 등 에 매우 중요한 역할을 한다.
– 또한 Botryococcus braunii 같은 조류에서 많은 양의 탄화수소를 축 적하는데, 이는 C1말단기가 알데히드를 거쳐 카복실산 환원물질이 생성 된다. 카보닐기의 분열 메커니즘은 중수소표지연구 결과로 곤충 류의 탈카보닐효소(Decarbonylase)에서 밝혀졌다.
5. 유황화반응(Thiolation)
○ 리포산(Lipoic acid)과 비오틴(Biotin)의 생합성과정에서 최종“유황삽입”
반응단계는, 최근 S.A.M과 유화철 클러스터의 개입으로 인해 일어나는 것으로 밝혀졌다. 효소에 결합된 유화철 클러스터에 의해, S.A.M의 전 자 환원으로 반응성이 높은 아데노실 라디칼이 형성된다. 이들은 기질 로부터 한 개의 수소를 이탈시키면서 탄소중심부 라디칼이 제2의 유화 철 클러스터에 있는 유황과 결합한다.
○ 리포산합성효소(Lipoate synthase) : 대장균 E. coli를 이용한 리포산생 합성 실험으로 Octanoic acid의 6번과 8번 탄소위치에서 불포화전구체 없이 유황화반응이 일어나는 것이 규명되었다.
○ 비오틴합성효소(Biotin synthase) : 비오틴생합성 미생물로 Aspergill- us niger를 이용한 배양실험에서, 유화수소 부가반응 및 탈수소화반응은 유화비오틴이 비오틴으로 전환되는 과정에 관여하지 않는 것으로 나타 났다. 이는 리포산 생합성 경우와 같이 직접적 유황삽입 메커니즘으로 유황화반응이 일어나는 것이지만, 리포산의 경우와 다른 것은 6번 위치 탄소에서 유황삽입 과정이 사슬배열을 그대로 유지하면서 일어난다.
6. 산소에 의한 C-H 활성화 반응
○ 지방산의 수산화반응 및 탈수소화반응은 산소와 NAD(P)H에 의해 진 행된다.
H+ + NAD(P)H + O
2+ RCH
2.CH
2R → NAD(P)+ + H
2O + RCH(OH).CH
2R (1) H+ + NAD(P)H + O
2+ RCH
2.CH
2R → NAD(P)+ + 2 H
2O + R.CH=CHR (2)
– 이 산화반응에 촉매역할을 하는 효소의 보결분자단(Prosthetic group) 은 그 특성에 따라 다음과 같이 분류된다.
․ 시토크롬P450효소에서 발견되는 헴(Heme)에 연결된 철(Fe)
․ 수용성 탈포화효소의 카복실기에 연결된 비 헴(Non-heme)형 두 개의 철(Fe)
․ 세포막에 연결된 효소에서의 멀티히스티딘에 연결된 비 헴 형 두 개 의 철(Fe) 클러스터
○ 수산화효소(ω-Hydroxylase) : 지방산유도체의 중간사슬 알칸(Alkanes)은
알칸산화효소(AlkB ; Alkane monooxygenase)에 의해 메틸그룹 말단기 에서 수산화반응이 일어난다. 이는 탄화수소대사를 일으키는 Pseudomonas oleovorans 세균에서 처음 발견되었다. AlkB효소가 중요한 의미를 갖는 이유는 분광분석학적으로 비 헴 형 두 개의 철(Fe)구조를 갖는 유일한 효소이기 때문이다.
○ 시토크롬P450BM-3 : 대부분의 시토크롬P450 효소에 관한 연구는, 어떻 게 세포막에 결합된 동질효소가, 선형탄화수소인 지질호기성의 생체이 물을 대사물질로 전환시키는가를 규명하는 것이다. 최근 이 효소의 결 정구조가 밝혀지면서, P450효소의 구조와 물질대사 작용과의 관계가 명 확하게 되었다. 한편 단순한 탄화수소 기질에서 유용한 산화반응을 일 으키는 촉매로서의 역할도 규명되었는데, 지방산의 메틸그룹보다는 메 틸 말단기에 가까이 위치한 메틸렌그룹에서 산화반응이 일어난다.
○ 지방산탈포화효소 : 처음 피마자에서 분리한 수용성 탈포화효소를 이용 하여 그 구조와 세부적인 생화학적 연구가 수행 되었다. 또한 포유류에 서의 스테아로일계 탈포화효소가 대사신드롬과 관련된 질병에 관여되 어 있다는 것이 밝혀졌고, Mycobacteria의 세포막형 탈포화효소는 폐결 핵치료제의 지질기본물질로 사용될 수 있는 가능성이 밝혀졌다.
○ 폴리아세틸렌 생체발생(Polyacetylene biogenesis) : 폴리아세틸렌 지방 산 및 그 유도체들은 넓은 생물학적 활성범위를 갖는 천연물의 중요한 요소로 존재한다. 눈에 띄는 사례로는 Falcarindiol, Panaxytriol, Echinac- ea diyne, Wyerone, Obtusallene 등이다. Falcarindiol은 생화학적으 로 여러 산화과정을 거쳐 Panaxytriol을 생성하거나, Bromoallecia화합물 (Obtusallene)의 전구체인 Laurediol을 생성한다.
7. 옥시리핀(Oxylipin) 생합성
○ Lipoxygenase 효소에 의한 폴리불포화지방산의 과산화수소반응으로, 포 유동물계에서 Eicosanoids를, 비포유류 미생물에서 Oxylipins를 생성하 는 흥미로운 반응이 단계적으로 이루어진다. 이 발견은 탈포화효소와 메틸전이효소에 결합된 지방산을 모델로 사용하여 입증될 수 있었다.
○ 식물체에서 시토크롬P450계열 효소는 Divinylether와 Allene oxide를 생성하는 매우 특이한 전이반응에 촉매역할을 한다. Allene oxide 중간 체는 결국 Jasmonic acid로 전이되는데, Jasmonic acids는 식물화학적 억제반응에서 매우 중요한 신호제(Signaling agent)역할을 한다.
○ 최근 할로겐화반응에 의한 천연생성물에 큰 관심이 모이고 있는데, 이 는 해양규조류인 Stephanopyrix turris에서 "Lipoxygenase-hydroper- oxide halolyase" 효소의 반응경로가 발견되면서부터이다. 이 전이반응 의 메커니즘은 염소이온에 의해 입체적 특이성 해소로 탄소양이온 중 간체를 거쳐 진행되는 것으로 추정되고 있다.
8. 결 론
○ 메틸전이효소, 탈포화효소, 수산화효소 및 유황화효소(Thiolating enzyme) 들의 극적인 구조생물학적 진전은 결국, 생체 내에서의 접근법을 이용 하여 그 반응 메커니즘을 규명하게 되었다. 이는 C-H 활성화반응 및 기타 생합성적으로 중요한 전환반응 연구에 응용될 것이다.
– 그러나 cis-trans이성화, 수소화, 탈탄소화(Decarbonylation)에서의 효 소반응 메커니즘은 아직 분명하게 규명되지 않고 있다.
○ Ladderanes와 cyclopropenyl fatty acids와 같은 지질들의 생화학적 합성 메커니즘을 규명하는 연구는 생화학자들이 새롭게 도전해 볼 만하다.
출처 : Peter H. Buist, "Exotic biomodification of fatty acids", Natural product reports, 24, 2007, pp.1110~1127
◁전문가 제언▷
○ 생체 내에서 지방산유도체들의 전환반응메커니즘에 관한 생화학적 연 구는, 유전자 연구로부터 각종 식물 종자유에서의 Cyclopropene rings, Chiral allenic units, 및 Polyacetylenes와 같은 귀중한 기능성 물질을 밝혀내는 연구에까지 관여되고 있다.
○ 식물 종자유 연구의 또 다른 중요성은, 많은 식물지질(Phytolipids)들이 살생적(Biocidal) 특성을 갖고 있기 때문인데, 일례로 아열대 식물 종자 유에서 분리된 Sterculic acids와 같은 Cyclopropene을 함유하는 지방산 은 포유류의 탈포화효소(Desaturases)단백질의 저해제로 작용한다.
○ 본 연구에 관련하여, 부가가치가 높은 물질들을 생성시키는 활성효소 개발은 녹색공장(Green factories)을 꿈꾸는 식물생체 공학자들의 주된 연구목적이 되며, 새로운 에너지원으로서의 바이오연료 생산기술에도 관여된다. 또한 본 연구는, 여러 가지 질병현상에 연관된 리포돔(Lipodome) 의 특성을 규명하는 연구에 새로운 자극제가 되고 있다.
○ 지방산유도체들의 생화학적 전환에 관한연구는, 다른 제3의 연구부분으 로 미생물들을 환경적 스트레스(저산소, 극단의 온도, 낮은 ㏗, 톡신의 존재 등)에 적응시키는 연구에 관련되어 중요한 역할을 차지한다. 한편, 본 연구의 반응메커니즘을 완전히 이해하려면, 효소의 화학적 선택성과 생체생성물이 원하는 특성을 갖도록 조율하는 단백질 조작기술을 파악 하여야 한다.
○ 아울러 본 연구는, 세포막결합 및 지질전환효소들의 구조생물학과, Polyacetylenes와 Oxylipins와 같은 생체활성을 갖는 지방산 유도체들 의 생물화학 연구 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
