[생화학] 21.2 : 아미노산 유도체의 생합성 - 1

 

 

이번 포스트부터는 아미노산 유도체들의 생합성 과정에 대해 알아보자.

 

 

amino acid들로부터 heme의 구성성분인 porphyrin ring, phosphocreatine, glutathione, 각종 neurotransmitters, signaling molecules, cell-wall constituent들이 derive될 수 있음.

 

 

porphyrin synthesis

 

 

 

porphyrin ring은 위 그림 왼쪽과 같이 생겼음. 이 때 C와 N이 포함된 4개의 작은 ring들이 모여 큰 ring을 형성하고 있음.

 

 

higher eukaryote에서는 glycine과 succinyl-CoA로부터 porpyrin ring이 만들어질 수 있고, plant와 bacteria에서는 glutamate로부터 porphyrin ring이 만들어질 수 있음. 이 때 이 두 pathway 모두에서 공통적으로 중요한 intermediate가 바로 δ-aminolevulinate임.

 

 

 

 

 

 

위 그림상에 higher eukaryote(a), plant, bacteria(b)에서 각각 어떤 식으로 δ-aminolevulinate가 합성되는지의 기작이 나타나 있음. 하나하나 살펴보자.

 

 

우선 higher eukaryote에서는 succinyl-CoA의 CoA 자리에 glycine이 치환되고, 이어서 CO2가 빠져나가면서 δ-aminolevulinate가 형성됨. 한편 plant와 bacteria에서는 ATP의 energy를 이용해 glutamate가 tRNA에 charging되어서 glutamyl-tRNA가 형성되고, 이어서 NADPH 한 분자가 소모되며 tRNA가 다시 release되는 과정에서 glutamate 1-semialdehyde가 만들어짐. 이후 이 분자 내의 amino group이 aminomutase에 의해 이동하면서 결과적으로 δ-aminolevulinate가 형성됨.

 

 

 

 

 

이후, 이렇게 형성된 δ-aminolevulinate는 위 그림과 같이 2개가 모여서 porphobilinogen이 됨. 이 과정에서 2개의 δ-aminolevulinate가 서로 C 1개만큼 엇갈리게 condensation되고, 이 과정에서 물이 한 분자 빠져나가면서 condensation이 되게 됨.

 

 

 

 

 

이렇게 만들어진 porphobilinogen은 위 그림 왼쪽 위에 나타나 있는 것처럼 enzyme의 S와 결합되게 되고, 이어서 또 다른 porphobilinogen이 하나 더 들어오면서 2개가 연결됨. 이어서 4개의 porphobilinogen이 더 들어와 연결되고, 결국 6개가 서로 연결된 형태가 됨. 이 형태하에서, 4개의 porphobilinogen이 연결된 구조가 enzyme으로부터 release되게 됨. (이 때의 구조가 hydroxymethylbilane임)

 

 

 

 

 

방금 설명한 과정의 결과 위 그림상에서 preuroporphyrinogen이 형성됨. 이후 여기서 최종적으로 물 한분자가 빠져나가면서 탈수축합반응이 일어나게 되면 위 그림 맨 오른쪽에 나타나 있는 것과 같은 ring structure가 형성됨.

 

 

 

 

위 그림에는 앞서의 과정을 포함해 δ-aminolevulinate로부터 heme이 형성되는 전체의 과정이 묘사되어 있음. 보면 일단 8개의 δ-aminolevulinate가 모여 4개의 porphobilinogen이 만들어지고, 이들이 모여 preuroporphyrionogen이 만들어짐. 이후 이 녀석이 탈수축합되면서 ring 형태의 uroporphyrinogen III이 만들어짐.

 

 

그 다음에 4개의 Acetyl group에서 4개의 CO2가 빠져나가면서 coproporphyrinogen III가 형성됨. 이어서 Pr group으로부터 2개의 CO2가 더 빠져나가면서 protoporphyrinogen이 만들어짐. 이어서 추가적인 N의 oxidation이 일어나고, 최종적으로 ferrochelatase의 도움을 받아 Fe2+가 중간에 coordination되면서 heme이 형성됨.

 

 

 

대부분의 animal들은 자신의 heme을 합성함. 그런데 만약 heme biosynthesis 과정에 관여하는 enzyme에 mutation이 일어나거나 misregulation되는 경우 porphyria(포르피린증)가 발생할 수 있음. 그럴 시 uroporphyrinogen I과 같은 precursor가 red blood cell, body fluid, liver 등에 accumulation될 수 있음. 그 결과 urine의 색이 pink, 혹은 dark purpish한 색으로 바뀌거나, UV를 비출 시 이빨이 붉게 빛나거나, UV light에 대해 skin이 매우 예민해지거나, heme에 대한 갈증(즉, 피에 대한 갈증)을 느끼게 되는 증상이 관찰됨.

 

 

 

 

위 그림에는 porphyria 환자와 관련된 자료들이 나타나 있음. 이 때 이들 환자들의 특징 때문에 아마 vampire에 대한 myth가 탄생하지 않았을까 추정되고 있음. (이 때문에 porphyria를 vampire disease로도 부름)

 

 

한편 heme은 bile pigment의 source임. 구체적으로, erythrocyte(적혈구) 내의 heme이 degradation된 결과 bilirubin이 만들어질 수 있는데, 우선 Heme oxygenase에 의해 heme이 biliverdin으로 linearize되고, 이어서 biliverdin reductase에 의해 biliverdin이 bilirubin이 됨.

 

 

이 때 biliverdin은 초록색, bilirubin은 노란색을 띄며, 어딘가에 세게 부딪힌 후 상처부위에 초록색의 멍이 관찰되는 것이 biliverdin의 색깔 때문임. 한편 bilirubin은 serum albumin과 결합된채로 혈관을 돌아다니게 되며, 그러다가 urobilin으로 분해되어 urine에 포함되어 배출되기도(이 때 이 녀석에 의해 urine의 색이 노랗게 보이는 것) 하고 혹은 intestinal microbiota에 의해 sterocobilin으로 추가적으로 degradation되기도 함.

 

 

 

 

 

위 그림에 이와 관련된 구체적인 pathway가 나타나 있음. 보면 Heme이 우선 heme oxygenase에 의해 biliverdin으로 바뀌고, 이어서 biliverdin reductase의 도움 하에 NADPH 한 분자가 소모되면서 bilirubin이 형성됨. 이 bilirubin은 liver로 간 뒤 liver 내부에 있는 glucuronylbilirubin transferase에 의해 bilirubin diglucoronide로 변환된 뒤 bile salt 내에 포함된 채로 intestine으로 분비되기도 하고, serum albumin과 bilirubin이 결합한 상태로 bile로 바로 전달되기도 함.

 

 

이어서 bilirubin은 urobilinogen으로 변환되고, 이 urobilinogen은 gut microbiota에 의해서 stercobilin으로 바뀌어 배출되기도 하고 장에서 다시 재흡수되어 kidney로 이동한 뒤 urobilin으로 전환된 후 urine 내에 포함되어서 배출되기도 함.

 

 

그런데 liver cancer, hepatitis(간염) 등에 의해 liver가 고장나거나, gallstone(담석), pancreatic cancer 등에 의해서 bile secretion이 block되거나, glucouronyl bilirubin transferase activity가 충분하지 않은 경우(주로 아기)에는 Jaundice(활달)가 유발될 수 있음. 그럴 시 skin이 yellowish해질 수 있으며 눈이 하얗게 변하는 등의 증상이 관찰됨. 참고로 아기에게서 관찰되는 Jaundice의 경우, 주로 아기를 UV box에 넣어서 bilirubin의 photochemical breakdown을 유발시키는 식으로 치료하게 됨.

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.