제1상 반응 (1단계 효소 반응)

독성물질이 인체에 유입되었을 때, 생체 내에서 어떤 대사 과정을 거쳐 변화하고 작용하는지를 이해하는 것은 환경독성과 의약독성학에서 매우 중요한 영역입니다. 그 중에서도 제1상 반응(Phase I Reaction) 은 생체 내 대사의 첫 번째 단계로서, 유해 화학물질을 보다 수용성이고 배설하기 쉬운 형태로 전환시키는 역할을 담당합니다.

제1상 반응에는 여러 효소가 관여하지만, 환경 분야 및 독성학 분야에서는 대표적으로 Cytochrome P-450(P-450) 과 FMO(Flavin-containing Monooxygenase) 가 주목됩니다. P-450은 일반적으로 MFO(Mixed-function Monooxygenase) 라고도 불리며, 이 효소는 NADPH(Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate) 와 산소(O₂)를 이용하여 화학물질에 산소를 도입하고, 극성과 수용성을 증가시키는 작용을 합니다.

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1. Cytochrome P-450의 구조와 기능

P-450은 CO(일산화탄소)와 결합하는 특성을 지닌 heme 단백질을 포함한 효소로서, 거의 모든 세포에 존재하지만 특히 간(간세포 소포체) 에 풍부하게 존재합니다. 간은 대사를 총괄하는 주요 장기로, P-450 외에도 에스터라제(esterase), 아미다제(amidase) 와 같은 효소들이 존재하여 다양한 화학물질의 분해 및 변환을 수행합니다.

P-450은 주로 활면소포체(smooth endoplasmic reticulum) 에 존재합니다. 소포체는 세포 내 지질단백질로 구성된 네트워크 구조물로, 거친 소포체(rough ER) 와 활면 소포체(smooth ER) 로 나뉘는데, P-450은 주로 후자에 다량 분포합니다.

‘P-450’이라는 명칭은 이 효소가 환원된 상태에서 CO와 결합할 때 450nm 파장의 빛을 가장 강하게 흡수하는 특성에서 유래되었습니다.

이 효소는 다음과 같은 특징적인 성질을 가지고 있습니다:

• 포르피린 링 구조의 철 이온을 포함한 동질효소(isozyme) 로 구성됨
• 다양한 화학물질에 의해 유도 또는 억제될 수 있음
• 입체 특이성(stereoselectivity) 과 기질 특이성(substrate specificity) 을 갖지만, 기질 특이성은 다소 낮음

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2. P-450에 의한 제1상 반응의 메커니즘

P-450에 의한 산화 반응은 P-450 Reductase 라는 효소의 협력 하에 진행됩니다. 이 효소는 NADPH로부터 전자를 받아 P-450에 전달함으로써 반응을 촉진합니다.

전달된 전자는 포르피린 고리에 철 이온이 결합된 보결분자단을 통해 화학물질 내에 산소를 삽입합니다.
이때 FMN(Flavin Mononucleotide) 과 FAD(Flavin Adenine Dinucleotide) 가 반응에 참여하며, 세미퀴논(Semiquinone) 형태의 자유라디칼 중간체를 거쳐 전자가 이동됩니다.

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3. 제1상 반응의 대표적 유형

P-450이 수행하는 대표적인 제1상 반응은 다음과 같습니다.

1. 에폭시화(Epoxidation)
   • 고리형 분자에 산소를 첨가하여 epoxide 중간체를 생성하는 반응으로, benzene, vinyl chloride 등이 이에 포함됨. 이 반응은 매우 반응성이 높은 중간체를 생성하기 때문에 발암물질 대사에서 중요하게 다뤄집니다.
2. 탈알킬화(Dealkylation)
   • 산소, 질소, 황에 결합된 알킬기를 제거하는 반응
3. 산화(Oxidation)
   • 화합물 내 질소, 인, 황 등에 산소를 삽입하는 반응
4. 수산화(Hydroxylation)
   • 방향족 또는 지방족 화합물에 하이드록시기(–OH) 를 부가하여 알코올로 전환
5. 환원(Reduction)
   • 일반적이지는 않지만, 니트로기(nitro), 디아조기(diazo), 알켄기(alkene) 등을 포함하는 물질은 환원 반응을 통해 대사될 수 있음. 특히 방향족 아민은 환경 내 미생물에 의해 쉽게 환원됩니다.

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4.  FMO에 의한 제1상 반응

FMO는 microsome 분획 내에 존재하며, 주로 sulfides, thiols, 그리고 2차 및 3차 아민류의 대사에 관여합니다. FMO는 P-450과 무관하게 trimethylamine 과 같은 물질을 산화시키며, 대표적인 예로 nicotine 의 대사 과정이 있습니다.

Nicotine의 대사 경로:

• epoxidation: FMO 관여
• cotinine 전환: P-450 및 Aldehyde Dehydrogenase 관여

어떤 화학물질이 FMO 또는 P-450에 의해 대사되는지는 화학물질의 성질에 따라 결정되며, 경우에 따라 두 효소 모두에 의해 동시에 대사되기도 합니다.

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5.  제1상 반응에서 생성되는 중간 대사체의 위험성

생체 내에 유입된 화학물질은 제1상 반응을 거쳐 epoxide 와 같은 불안정하고 반응성 높은 중간대사체를 생성할 수 있습니다. 이러한 epoxide는 세포 내 DNA, RNA, 단백질과 결합하여 유전자 돌연변이, 발암, 효소 불활성화 등을 유발할 수 있습니다.

특히, epoxide의 체류 시간과 안정성이 독성 발현에 큰 영향을 미칩니다.

• 반감기가 짧은 epoxide → 빠르게 분해되어 큰 독성 유발 없음
• 안정한 epoxide → DNA와 서서히 반응하여 잠재적 독성 유발 가능

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6. Epoxide 분해 메커니즘

1. 효소 반응

• Epoxide Hydrolase: epoxide → trans-diol 전환
• Glutathione-S-transferase: Glutathione과 반응 → mercapturic acid 형태로 배설

2. 비효소 반응

• SN2형 반응: 물 첨가로 trans-diol 생성
• NIH 재배열 반응: epoxide 구조를 페놀 또는 아레놀로 전환

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7. 결론

제1상 반응은 체내 유해화학물질의 해독(detoxification) 혹은 반대로 활성화(bioactivation) 될 수 있는 중요한 생화학적 과정입니다. Cytochrome P-450과 FMO는 이러한 반응의 핵심 효소군으로, 환경독성학 및 약물동태학에서 매우 중요한 역할을 합니다. 제1상 반응의 산물은 종종 **2상 반응(포합 반응)**을 통해 배설되므로, 전체 생체내 대사 과정을 이해하는 것이 독성평가에 결정적입니다.