기억나시나요?

기억나시나요?

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 SRS 를 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.

Phase II (제2상 반응)에

의한 생체전환

제 2상 반응은 제1상 반응 후 생성된 극

성대사체 및 친전자성대사체 등 모든 대

사체의 체외배출을 위해 친수성으로 전환

시키는 포합반응이다.

제 2상 반응은 어떤 특성을 가지고 있어야 할 까요?

1. cytosol

2. Conjugation donor가 nucleophilic or electrophilic?

3. 기질특이성 낮아야 4. 효소유도?

지금까지 배운 지식으로

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.

Xenobiotics의 화학적 특성변화

제1상반응의 결과 생성되는 대사체는 극성대사체

(polar metabolite)와 친전자성대사체 (electrophile)로 나눌 수 있다.

친핵성대사체인 경우에는 sulfate, acetyl, glucuronyl – conjugation등에 의해 친수성으로 전환되어 체외배출된 다.

독성 대사체인 친전자성대사체의 경우에는 glutathione 포합(conjugation)을 통해 체외배출을 유도한다.

Elctrophile역시 극성을 가지고 있을 수 있으나, 전자가

부족하여 극성에 의한 결합보다 세포 내 네 가지 거대분

자의 친핵성부위에 대한 결합강도가 더 강하여 독성을

유발한다.

제2상 반응의 6가지 주요 효소 비율

<그림 4－2> 제2상반응에 관련하는 효소의 활성 비율:

제2상반응 중 UGT에 의한 포합반응이 가장 많고 외인 성물질의 친전자성대사체를 포합하는 GST의 활성이 다 음으로 높다. GST: glutathione－S－transferase,

NAT: N－acetyltransferase, SULT: sulfotransferase, TPMT: thiopurine methyltransferase, UGT, UDP－

glucuronosyltransferase (참고: Gonzalez).

해독과정에 가장

중요한 효소는?

Xenobiotics의 화학적 특성변화

그림 4－1> 생체전환의 제1상반응과 제2상반응을 통한 외인성물 질의 화학적 특성 변화: 제2상반응은 친핵성대사체인 경우에는 친 수성으로 전환하여 체외배출을 원활히 하며 독성 대사체인 친전자 성대사체의 경우에는 glutathione 포합(conjugation)을 통해 체외 배출을 유도한다. SG: glutathione의 cysteine－SH기.

제2상 반응의 6가지 주요 효소

제2상 반응의 6가지 주요 효소

제2상 반응의 6가지 주요 효소의 기 질 특이성은?

broad-specificity

Conjugation donor의 특성은?

1. Solubility

2. Availablility

1. Glucuronic acid conjugation

글루쿠론산 포합반응은 외인성물질의 생

체전환에 있어서 대표적인 제2상반응이다.

Glucuronic acid conjugation 의 예

Morphine-6-glucuronide, a major metabolite of morphine

Miquelianin (quercetin 3- O - glucuronide) is a flavonol

glucuronide, a type of phenolic

compound present in wine

O-Glucuronidation

N-Glucuronidation

S-Glucuronidation

C-Glucuronidation

2. Sulfate conjugation

^SO ₃ ^{- 를 –OH, -NH} ₂ ^{에 포합}

<그림 4－9> 황산포합의 과정: 최종적으로 생성된 황산보조인자

(sulfation cofactor)인 PAPS의 황산 이온이 기질의 －OH에 전달되어 황산포합체(conjugate)가 생성된다. APS: adenosine－5'－

phosphosulfate, PAPS: 3'－Phospho－adenosine－5'－phosphosulfate.

3. Acetylation conjugation

<그림 4－11> Acetyl－CoA로부터 기질의 아세틸화: 아세틸화 포합반 응은 N－acetyltransferase이Acetyl－CoA로부터 분리된 acetyl group 이 기질 전이에 전이되어 이루어진다. CoAS－COCH3: Acetyl－CoA.

다른 포합반응에 비해 친수성이 낮아 체외배출에 효율적이지 않다.

4. Methylation

<그림 4－13> 외인성물질의 메틸화 포합반응: Methionine으로부터 메 틸기(CH3) 공여체인 Sadenosylmethione (SAM)이 합성되어

methyltransferase에 의해 외인성물질 HX－R에 메틸기가 전달된다. Ad:

adenine. 다른 포합반응에 비해 친수성이 낮다. 오히려 친지질성을 높

여 독성을 증가시키는 경우도 있다.

5. Amino acid conjugation

<그림 4－18> 대표적인 포합아미노산인 glycine과 glutamine: 사람의 아미노산포합반응이며 대표적인 아미노산은 glycine과 glutamate이다.

여기서 잠깐1

살펴본 바와 같이 제2상반응에 관여하는 5가지 효소는 Xenobiotics의 carboxyl (-COOH),

hydroxyl (-OH), amino (NH ₂ ), and sulfhydryl (- SH) groups. 에 주로 작용합니다.

그런데 이들 부위는 세포 내 거대분자에 매우 많

이 있죠? 제2상 반응 효소가 세포 내 극성부위를

포합시키면 문제가 심각할 텐데요….

Xenobiotics가 Phase I reaction을 거친 후 독성이 생길 수 있는 것 처럼, phase II를 거친 후에도 독 성이 생길 수 있나요?

별로 없습니다.

반응성이 강한 부위가 포합되고 분자량이 커지면 서 반응성이 약해지며, 또한 친수성이 생겨 빠르 게 배출됩니다.

하지만, 예외적인 상황이 생길 수 있습니다.

여기서 잠깐2

예를들면

담배나 가열로 연소된 식이에서 생성되는

어떤 물질 {2-amino-3methyl-9H-pyridol[2,3-

b]indole(MeAaC)}은 포합된 후 자연분해에 의해 이탈되어 포합대사체가 nitrenium ion이나

carbenium ion을 지닌 electrophile로 전환될 수

있다.

쉽시다!

6. GSH conjugation

다른 포합반응과 달리 제1상반응에서 생 성된 친전자성대사체의 포합을 유도하는 유일한 방법이라는 것이다.

외인성물질 노출에 의해 발생하는 독성 의 무독화를 유도하는 가장 중요한 기전 이다.

이렇게 중요한 과정에 관여하는 효소가

왜 한가지 밖에 없어요?

Glutathione-S-transferase

GSH 포합반응은 광범위한 기질특이성을 가 진 GST에 의해 수행된다.

대부분 세포질에 존재한다.

전체 세포질 단백질 중 3-5%를 차지한다.

Electrophile을 포합시키는 유일한 효소이며,

매우 많은 양이 세포 내에 존재하여 해독작용

에 중요한 역할을 수행한다.

Glutathione

<그림 4－20> GSH의 구조: GSH(glutathione 또는 γ－

glutamylcysteinyl glycine)은 3개 아미노산인 glutamate, cysteine 과 glycine으로 구성되어 있으며 cysteine의 SH가 포합반응에 있 어서 중요한 전자공여체이다.

cysteinyl

Glutathione

GSH는 세포질에 약 90% 미토콘드리아에 약 10%, 그 외 소량이 소포체에 존재한다.

성인체내에 1-10 mM,농도로 가장 많이 존재하

는 비단백질 thiol함유 유기황화합물이다.

Radical sink hypothesis

<그림 4－29> 유기라디칼대사체의 연쇄반응을 통해 생성된 수많은 라디칼이 마치 싱크대에서 오물을 청소하듯이 GSH를 비롯하여

SOD(superoxide dismutase)에 의해 청소되는 현상을 Radical sink hypothesis이라고 한다(참고: Winterbourn).

ROS에 대한 GSH의 항산화 기전

<그림 4－31> ROS에 대한 GSH의 항산화적 기전: 호흡을 통해 생성된 H2O2가 세 포질과 미토콘드리아에서 GSH peroxidase의 촉매로 GSH에 의해 물로 전

환된다. 세포질에서는 catalase가 H2O2 제거에 참여하지만 미토콘드리아에서 는 GSH만 H202 제거에 참여한다. 두 분자의 GSH에 의해 산화된 GSSG

(disulfide)는 GSSG reductase에 의해 다시 GSH로 환원된다. ROS의 과잉 생성과 GSH의 고갈로 세포 내 산화－환원 평형에 영향을 주게 되면 GSSG 는 단백질의 SH와 결합하여 혼합형 disulfide(mixed disulfide)를 형성하거나 세포 밖으로 배출되면서 산화－환원 균형을 조절한다. GSH는 또한 ROS와 불포화 지방산과 반응하여 생성된 organic peroxide(ROOH)를 알코올 유도 체인 ROH 등으로 전환시킨다(참고: Lu).

GSH로 환원

GSSG는 NADPH를 조효소로 하여 GSH reductase,에 의해 정상적인 생리적 조건하에서 GSH의 형태로 약 98% 정도 환원된다.

나머지 GSSG는 단백질의 SH와 결합한 형태인 혼합형 disulfide, 또는 GSSG자체로 존재한다.

산화적 스트레스가 심한 경우 GSH로 환원할 수 있는 세

포의 능력한계로 GSH가 고갈될 수 있다.

세포 내 GSH 고갈

산화적 스트레스가 심한 경우 GSH로 환원할 수 있는 세포의 능력한계로 GSH가 고갈될 수 있다.

GSH는 세포질에 약 90% 미토콘드리아에 약10%

존재한다. 미토콘드리아에서 ROS를 과잉 생산하 면, GSH가 고갈될 수 있다.

GSH가 고갈되면 ROS에 의한 미토콘드리아 손상 이 유발될 수 있다.

세포 내 GSH 고갈

Xenobiotics 대사로 인해 electrophile이 많이 생 성되는 경우 GSH가 고갈될 수 있다.

GSH가 고갈되면 electrophile에 의한 손상이 유 발될 수 있다.

예) 타이레놀 독성

세포 내 GSH 고갈에 의한 타이레놀 독성1

타이레놀 Acetaminophen, (N-acetyl p-amino phenol)

은 극성부위 (OH)가 있어 sulfate 또는

glucuronide conjugation에 의해 수용성이

증가되어 배설된다.

세포 내 GSH 고갈에 의한 타이레놀 독성2

타이레놀의 섭취가 많아 지면, CYP2E1등에 의해 독성대사체 (electrophile) 가 생성된다.

생성된 electrophile은 GSH conjugation된다.

 nontoxic

세포 내 GSH 고갈에 의한 타이레놀 독성3

독성대사체 (electrophile) 가 과잉생성되면 GSH가 고갈된다.

Electrophile은

macromolecule의

nucleophile을 공격하여 비가역적 독성을 유발한 다.

 Cell death

Induction of Phase II enzyme

제 2상 반응의 경우에도 P450효소처럼 효소 유도가 필요합니다. 어떤 기전으로 유도되면 좋을까요?

1. Phase1의 기질이 phase II enzyme induction 시킨다.

2. Phase1에 의해 생성된 phase II 의 기질이

phase II enzyme induction 시킨다.

Gene-coordinate regulation

‘Receptor-gene battery’는 특정 수용체에 반 응하는 제1상반응 및 제2상반응의 모든 유전 자가 동시에 발현되는 gene-coordinate

regulation 의 일종이다.

제1상반응에 의해 친전자성대사체가 생성되

는 경우 제2상반응의 신속한 대응이 매우 중

요하다.

AhR-gene battery

The aryl hydrocarbon receptor (AhR or AHR) is a protein that in humans is encoded by the AHR gene. The aryl hydrocarbon receptor is a ligand-activated transcription factor involved in the regulation of biological responses to planar aromatic hydrocarbons. This receptor has been shown to regulate xenobiotic-metabolizing

enzymes such as cytochrome P450 and GST.

AHR binds several exogenous ligands such as natural plant flavonoids, polyphenolics and

indoles, as well as synthetic polycyclic aromatic

hydrocarbons and dioxin-like compounds

AhR-gene battery

AhR is a cytosolic transcription factor that is normally inactive,

bound to several co-chaperones. Upon ligand binding to chemicals such as 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-

p -dioxin (TCDD), the chaperones dissociate resulting in AhR translocating into the nucleus and

dimerizing with ARNT ( AhR nuclear translocator ), leading to

XRE: xenobiotic response element, CYP1A1, NQO1: NAD(P)H dehydrogenase1 (Quinone 1), GSTA2

CYP1A1

CYP1A2

CYP1B1

NQO1

GSTA2

ALDH3A1

UGT1A1

UGT1A6

Nrf2

정리하면

Phase II reaction의 의미를 알고 있다.

Phase II에 관여하는 6가지 효소를 알고 있다.

Phase I 에 의해 생성되는 대사체의 화학적 특성을 구분할 수 있다.

각 대사체의 포합반응을 알고 있다.

Glucuronic acid conjugation의 conjugate donor를 알고 있다.

Sulfate conjugation의 conjugate donor를 알고 있다.

Acetyl conjugation의 conjugate donor를 알고 있다.

Methyl conjugation의 conjugate donor를 알고 있다.

Amino acid conjugation의 conjugate donor를 알고 있다.

GSH conjugation의 conjugate donor를 알고 있다.

GSH 포합의 의미를 알고 있다.

GSH 환원 사이클을 설명할 수 있다.

GSH의 고갈에 대하여 설명할 수 있다.

AhR-gene battery를 이용하여 gene-coordinate regulation을 설명 할 수 있다.

밥 먹고 합시다!