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서겸 호
5 years ago
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1 기억나시나요? Xenobiotics 의대사경로를알고있다. cytochrome P450 의이름을알고있다. 약물대사효소의 indivisual, species variation 을알고있다. P450 system 의구조적특성을알고있다. P450 의기질특이성을결정하는 SRS 를알고있다. P450 의기질의다양성을결정하는채널을알고있다. 일반적인효소와 P450 의기질특이성의차이를알고있다. P450 의분포조직과 localization 을알고있다. P450 의주요기능을알고있다. P450 의내인성물질생성기능을알고있다. P450 이전자를전달하는다른효소의존재를알고있다. P450 의여러촉매반응중대표적인두가지를제시할수있다. P450 의 enzyme induction 을설명할수있다. Enzyme induction mechanism 두가지를설명할수있다.

2 Phase II ( 제 2 상반응 ) 에 의한생체전환

3 제 2 상반응은제 1 상반응후생성된극성대사체및친전자성대사체등모든대사체의체외배출을위해친수성으로전환시키는포합반응이다.

4 지금까지배운지식으로 제 2 상반응은어떤특성을가지고있어야할까요? 1. cytosol 2. Conjugation donor 가 nucleophilic or electrophilic? 3. 기질특이성낮아야 4. 효소유도?

5 Principles of toxicology Organic xenobiotics Direct acting Chemicals (minor pathway) Parent compound Natural decomposition Phase II Active forms (electrophilic) Interacts with macromolecules Indirect acting Chemicals (major pathway) Biotransformation Reactive intermediats -electrophilic (80%) -Redox-active -carbon-centered radicals Phase I CYP450 Lipid, Protein Carbohydrate DNA Dependent (80%) Independent (20%) Reversible & Irreversible toxicity Irreversible toxicity

6 Principles of toxicology 독성학의분자 - 생화학적원리에있어서 Central dogma: 유기독성물질은생체전환유무에따라직접 - 작용독성물질 (direct-acting toxicants) 과간접 - 작용독성물질 (indirectacting toxicants) 로구분되며직접 - 작용독성물질은자연분해유무에따라원물질 (parent compound) 과활성형물질 (active form) 로구분된다. 간접 - 작용독성물질은대부분제 1 상반응의생체전환 (biotransformation) 을통해독성을유발하는활성중간대사체 (reactive intermediates) 로전환된다. 결국이들질들은체내 4 대거대분자인당, 단백질, 지질등과상호작용을통해가역적독성비가역적독성을유발한다. 체내에독성을나타내는모든외인성물질의 80% 이상은생체전환 (biotransformation) 을통해전환되는간접 - 작용물질에기인한다. 또한독성을유발하는활성중간대사체중 80% 이상은 cytochrome P450 효소에의해생성되며친전자성대사체 (electrophilic metabolites) 이다. 따라서유기성외인성물질의체내동태학적측면에서직접 - 작용독성물질경로는 minor pathway 이고간접 - 작용독성물질은 major pathway 이다. 물론최종독성물질과 4 대거대분자와의상호작용을통한가역적또는비가역적독성이반드시이와같이거대분자의종류에따라구분되어나타나지는않지만발암화의가능성때문에 DNA 와상호작용은비가역적독성으로분류되었다.

7 Xenobiotics 의화학적특성변화 제 1 상반응의결과생성되는대사체는극성대사체 (polar metabolite) 와친전자성대사체 (electrophile) 로나눌수있다. 친핵성대사체인경우에는 sulfate, acetyl, glucuronyl conjugation 등에의해친수성으로전환되어체외배출된다. 독성대사체인친전자성대사체의경우에는 glutathione 포합 (conjugation) 을통해체외배출을유도한다. Elctrophile 역시극성을가지고있을수있으나, 전자가부족하여극성에의한결합보다세포내네가지거대분자의친핵성부위에대한결합강도가더강하여독성을유발한다.

8 제 2 상반응의 6 가지주요효소비율 해독과정에가장중요한효소는? < 그림 4-2> 제 2 상반응에관련하는효소의활성비율 : 제 2 상반응중 UGT 에의한포합반응이가장많고외인성물질의친전자성대사체를포합하는 GST 의활성이다음으로높다. GST: glutathione-s-transferase, NAT: N-acetyltransferase, SULT: sulfotransferase, TPMT: thiopurine methyltransferase, UGT, UDPglucuronosyltransferase ( 참고 : Gonzalez).

9 Xenobiotics 의화학적특성변화 그림 4-1> 생체전환의제 1 상반응과제 2 상반응을통한외인성물질의화학적특성변화 : 제 2 상반응은친핵성대사체인경우에는친수성으로전환하여체외배출을원활히하며독성대사체인친전자성대사체의경우에는 glutathione 포합 (conjugation) 을통해체외배출을유도한다. SG: glutathione 의 cysteine-sh 기.

10 제 2 상반응의 6 가지주요효소

11 제 2 상반응의 6 가지주요효소

12 제 2 상반응의 6 가지주요효소의기질특이성은? broad-specificity Conjugation donor 의특성은? 1. Solubility 2. Availablility

13 1. Glucuronic acid conjugation 글루쿠론산포합반응은외인성물질의생체전환에있어서대표적인제 2 상반응이다.

14 Glucuronic acid conjugation 의예 Morphine-6-glucuronide, a major metabolite of morphine Miquelianin (quercetin 3-Oglucuronide) is a flavonol glucuronide, a type of phenolic compound present in wine

15 O-Glucuronidation

16 N-Glucuronidation

17 S-Glucuronidation

18 C-Glucuronidation

19 2. Sulfate conjugation SO 3 - 를 OH, -NH 2 에포합 < 그림 4-9> 황산포합의과정 : 최종적으로생성된황산보조인자 (sulfation cofactor) 인 PAPS 의황산이온이기질의 -OH 에전달되어황산포합체 (conjugate) 가생성된다. APS: adenosine-5'- phosphosulfate, PAPS: 3'-Phospho-adenosine-5'-phosphosulfate.

20 3. Acetylation conjugation < 그림 4-11> Acetyl-CoA 로부터기질의아세틸화 : 아세틸화포합반응은 N-acetyltransferase 이 Acetyl-CoA 로부터분리된 acetyl group 이기질전이에전이되어이루어진다. CoAS-COCH3: Acetyl-CoA. 다른포합반응에비해친수성이낮아체외배출에효율적이지않다.

21 4. Methylation < 그림 4-13> 외인성물질의메틸화포합반응 : Methionine 으로부터메틸기 (CH3) 공여체인 Sadenosylmethione (SAM) 이합성되어 methyltransferase 에의해외인성물질 HX-R 에메틸기가전달된다. Ad: adenine. 다른포합반응에비해친수성이낮다. 오히려친지질성을높여독성을증가시키는경우도있다.

22 5. Amino acid conjugation < 그림 4-18> 대표적인포합아미노산인 glycine 과 glutamine: 사람의아미노산포합반응이며대표적인아미노산은 glycine 과 glutamate 이다.

23 여기서잠깐 1 살펴본바와같이제 2 상반응에관여하는 5 가지효소는 Xenobiotics 의 carboxyl (-COOH), hydroxyl (-OH), amino (NH 2 ), and sulfhydryl (- SH) groups. 에주로작용합니다. 그런데이들부위는세포내거대분자에매우많이있죠? 제 2 상반응효소가세포내극성부위를포합시키면문제가심각할텐데요.

24 여기서잠깐 2 Xenobiotics 가 Phase I reaction 을거친후독성이생길수있는것처럼, phase II 를거친후에도독성이생길수있나요? 별로없습니다. 반응성이강한부위가포합되고분자량이커지면서반응성이약해지며, 또한친수성이생겨빠르게배출됩니다. 하지만, 예외적인상황이생길수있습니다.

25 예를들면 담배나가열로연소된식이에서생성되는어떤물질 {2-amino-3methyl-9H-pyridol[2,3- b]indole(meaac)} 은포합된후자연분해에의해이탈되어포합대사체가 nitrenium ion 이나 carbenium ion 을지닌 electrophile 로전환될수있다.

26 쉽시다!

27 6. GSH conjugation 다른포합반응과달리제 1 상반응에서생성된친전자성대사체의포합을유도하는유일한방법이라는것이다. 외인성물질노출에의해발생하는독성의무독화를유도하는가장중요한기전이다. 이렇게중요한과정에관여하는효소가왜한가지밖에없어요?

28 Glutathione-S-transferase GSH 포합반응은광범위한기질특이성을가진 GST 에의해수행된다. 대부분세포질에존재한다. 전체세포질단백질중 3-5% 를차지한다. Electrophile 을포합시키는유일한효소이며, 매우많은양이세포내에존재하여해독작용에중요한역할을수행한다.

29 Glutathione cysteinyl < 그림 4-20> GSH 의구조 : GSH(glutathione 또는 γ- glutamylcysteinyl glycine) 은 3 개아미노산인 glutamate, cysteine 과 glycine 으로구성되어있으며 cysteine 의 SH 가포합반응에있어서중요한전자공여체이다.

30 Glutathione GSH 는세포질에약 90% 미토콘드리아에약 10%, 그외소량이소포체에존재한다. 성인체내에 1-10 mm, 농도로가장많이존재하는비단백질 thiol 함유유기황화합물이다.

31 Radical sink hypothesis < 그림 4-29> 유기라디칼대사체의연쇄반응을통해생성된수많은라디칼이마치싱크대에서오물을청소하듯이 GSH 를비롯하여 SOD(superoxide dismutase) 에의해청소되는현상을 Radical sink hypothesis 이라고한다 ( 참고 : Winterbourn).

32 ROS 에대한 GSH 의항산화기전 < 그림 4-31> ROS 에대한 GSH 의항산화적기전 : 호흡을통해생성된 H2O2 가세포질과미토콘드리아에서 GSH peroxidase 의촉매로 GSH 에의해물로전환된다. 세포질에서는 catalase 가 H2O2 제거에참여하지만미토콘드리아에서는 GSH 만 H202 제거에참여한다. 두분자의 GSH 에의해산화된 GSSG (disulfide) 는 GSSG reductase 에의해다시 GSH 로환원된다. ROS 의과잉생성과 GSH 의고갈로세포내산화 - 환원평형에영향을주게되면 GSSG 는단백질의 SH 와결합하여혼합형 disulfide(mixed disulfide) 를형성하거나세포밖으로배출되면서산화 - 환원균형을조절한다. GSH 는또한 ROS 와불포화지방산과반응하여생성된 organic peroxide(rooh) 를알코올유도체인 ROH 등으로전환시킨다 ( 참고 : Lu).

33 GSH 로환원 GSSG 는 NADPH 를조효소로하여 GSH reductase, 에의해정상적인생리적조건하에서 GSH 의형태로약 98% 정도환원된다. 나머지 GSSG 는단백질의 SH 와결합한형태인혼합형 disulfide, 또는 GSSG 자체로존재한다. 산화적스트레스가심한경우 GSH 로환원할수있는세포의능력한계로 GSH 가고갈될수있다.

34 세포내 GSH 고갈 산화적스트레스가심한경우 GSH 로환원할수있는세포의능력한계로 GSH 가고갈될수있다. GSH 는세포질에약 90% 미토콘드리아에약 10% 존재한다. 미토콘드리아에서 ROS 를과잉생산하면, GSH 가고갈될수있다. GSH 가고갈되면 ROS 에의한미토콘드리아손상이유발될수있다.

35 세포내 GSH 고갈 Xenobiotics 대사로인해 electrophile 이많이생성되는경우 GSH 가고갈될수있다. GSH 가고갈되면 electrophile 에의한손상이유발될수있다. 예 ) 타이레놀독성

36 세포내 GSH 고갈에의한타이레놀독성 1 타이레놀 Acetaminophen, (N-acetyl p-amino phenol) 은극성부위 (OH) 가있어 sulfate 또는 glucuronide conjugation 에의해수용성이증가되어배설된다.

37 세포내 GSH 고갈에의한타이레놀독성 2 타이레놀의섭취가많아지면, CYP2E1 등에의해독성대사체 (electrophile) 가생성된다. 생성된 electrophile 은 GSH conjugation 된다. nontoxic

38 세포내 GSH 고갈에의한타이레놀독성 3 독성대사체 (electrophile) 가과잉생성되면 GSH 가고갈된다. Electrophile 은 macromolecule 의 nucleophile 을공격하여비가역적독성을유발한다. Cell death

39 Induction of Phase II enzyme 제 2 상반응의경우에도 P450 효소처럼효소유도가필요합니다. 어떤기전으로유도되면좋을까요? 1. Phase1 의기질이 phase II enzyme induction 시킨다. 2. Phase1 에의해생성된 phase II 의기질이 phase II enzyme induction 시킨다.

40 Gene-coordinate regulation Receptor-gene battery 는특정수용체에반응하는제 1 상반응및제 2 상반응의모든유전자가동시에발현되는 gene-coordinate regulation 의일종이다. 제 1 상반응에의해친전자성대사체가생성되는경우제 2 상반응의신속한대응이매우중요하다.

41 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 CYP1A1 CYP1A2 CYP1B1 NQO1 GSTA2 ALDH3A1 UGT1A1 UGT1A6 Nrf2 AhR is a cytosolic transcription factor that is normally inactive, bound to several co-chaperones.

42 AhR-gene battery CYP1A1 CYP1A2 CYP1B1 NQO1 GSTA2 ALDH3A1 UGT1A1 UGT1A6 Nrf2 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 changes in gene transcription. XRE: xenobiotic response element, CYP1A1, NQO1: NAD(P)H dehydrogenase1 (Quinone 1), GSTA2

43 정리하면 Phase II reaction 의의미를알고있다. Phase II 에관여하는 6 가지효소를알고있다. Phase I 에의해생성되는대사체의화학적특성을구분할수있다. 각대사체의포합반응을알고있다. Glucuronic acid conjugation 의 conjugate donor 를알고있다. Sulfate conjugation 의 conjugate donor 를알고있다. Acetyl conjugation 의 conjugate donor 를알고있다. Methyl conjugation 의 conjugate donor 를알고있다. Amino acid conjugation 의 conjugate donor 를알고있다. GSH conjugation 의 conjugate donor 를알고있다. GSH 포합의의미를알고있다. GSH 환원사이클을설명할수있다. GSH 의고갈에대하여설명할수있다. AhR-gene battery 를이용하여 gene-coordinate regulation 을설명할수있다.

44 밥먹고합시다!

Journal of Life Science 2011, Vol. 21. No μ μ

Journal of Life Science 2011 Vol. 21. No. 8. 1120~1126 ISSN : 1225-9918 DOI : http://dx.doi.org/10.5352/jls.2011.21.8.1120 μ μ μ α β Journal of Life Science 2011, Vol. 21. No. 8 1121 μ μ 1122 생명과학회지 2011,