생체 내 변환 효소의 활성 변화

생체 내 화학물질의 대사 경로에서 중심적인 역할을 수행하는 P-450 효소는 동일한 대사 기능을 수행하고 유사한 기질을 사용하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 엄밀히 말하면 P-450 효소군은 각 효소마다 기질 특이성, 분자량, 전기 이동성, 그리고 유도제 및 억제제에 대한 반응성에서 차이를 보입니다. 이와 같은 특성은 약물 대사, 독성 예측, 환경오염물질 평가에서 중요한 정보를 제공합니다.

효소 유도란?

**효소 유도(enzyme induction)**는 특정 화학물질에 의해 세포 내에서 특정 효소의 발현이 증가하는 생화학적 현상입니다. 유도 과정은 세포질 내 수용체와 유도물질이 결합하여 복합체를 형성하고, 이 복합체가 유전자에 작용하여 효소 합성을 촉진합니다.

이 현상은 처음으로 흰쥐의 간에서 아미노아조염료의 N-탈메틸화 반응을 연구하는 과정에서 발견되었습니다. 연구자들은 화학물질을 흰쥐에게 투여했을 때, 간에서의 효소 활성이 증가하며 염료의 탈메틸화 반응이 촉진되는 것을 확인했습니다.

---

1. 유도제와 P-450 동질효소

Haugen 등의 연구에 따르면, 토끼 간 마이크로솜에서 P-450 효소를 분리했을 때 **최소 4종 이상의 동질효소(isozyme)**가 존재하는 것으로 나타났습니다. 이 효소들은 겔 전기영동을 통해 LM2, LM4 등으로 명명되며, 각기 다른 특성과 반응을 나타냅니다.

• LM²: PB (phenobarbital)에 의해 유도되며, 분자량은 약 50,000입니다.
• LM4: B-naphthoflavone에 의해 유도되고, 분자량은 약 54,000입니다.
• LM4는 **3-MC(3-methylcholanthrene)**로도 유도되며, 방향족 탄화수소에 특이적으로 작용하는 **AHH(aromatic hydrocarbon hydroxylase)**로 알려져 있습니다.

이 중 LM4는 광 흡수 특성이 독특하여 일반 P-450이 450nm에서 최대 흡광도를 보이는 것과 달리, 448nm에서 최대 흡광도를 나타냅니다.

또한, 유도제에 따라 간의 반응이 다르게 나타납니다.

• PB를 투여한 동물은 평활소포체의 현저한 증식과 간 무게 증가가 관찰됩니다.
• 반면, 3-MC를 투여한 경우에는 간 무게 증가는 나타나지 않으며 소포체의 약간의 증식만 발생합니다.

이 결과는 PB는 간 내 P-450만을 유도하지만, 3-MC는 간 외의 조직에서도 P-450을 유도할 수 있다는 중요한 사실을 시사합니다.

---

2. 입체 특이성과 Warfarin 수산화 반응

P-450 동질효소는 기질 특이성뿐 아니라 **입체 특이성(stereoselectivity)**도 다릅니다. 대표적인 예는 항응고제 Warfarin의 수산화 반응입니다.

Warfarin은 비대칭 탄소를 포함한 두 가지 입체 이성질체(R형과 S형)를 가지며, 이들 각각은 서로 다른 위치에서 수산화 반응을 나타냅니다. 연구에서는 흰쥐에게 PB 또는 3-MC를 처리하여 유도된 P-450을 통해 수산화 반응을 측정하였고, 기질과 효소 유형에 따라 반응 비율의 차이가 분명히 나타났습니다.

이는 화학물질의 대사에서 입체 구조가 독성과 약리 효과에 영향을 미칠 수 있다는 중요한 사실을 강조합니다. 특히, 발암물질이나 변이원성 물질의 평가에 있어서 효소의 입체 특이성은 반드시 고려되어야 할 요소입니다.

---

3. 억제제: 가역적 억제제 vs 비가역적 억제제

P-450 효소의 활성을 저해하는 억제제는 크게 가역적 억제제와 비가역적 억제제로 나뉩니다.

가역적 억제제 (Reversible Inhibitor)

• 대표적인 예: SKF 525-A (2-diethylaminoethyl 2,2-diphenylvalerate)
• 특징: 효소의 활성 부위에 결합하여 다른 기질의 대사를 지연시킵니다.
• LM2 동질효소에 강하게 결합하며 (Ki=10⁻⁶), 벤젠 고리의 수산화와 질소의 탈알킬화를 느리게 만듭니다.
• 또 다른 예: α-naphthoflavone (억제제), 반면 β-naphthoflavone은 유도제입니다.

비가역적 억제제 (Irreversible Inhibitor)

• 대표적인 예: 사염화탄소(CCl₄)
• 작용 메커니즘: 세포막 지질을 과산화시켜 세포막 파괴 및 P-450 유출 유도
• 효능 측정법: 헥소바비탈(hexobarbital) 수면 지속 시간 측정 (억제 시 수면 연장, 유도 시 수면 단축)

---

4. P-450 효소에 영향을 미치는 대표 환경오염물질

4.1. DDT (1,1,1-trichloro-2,2-bis(p-chlorophenyl)ethane)

• 생쥐에 50mg/kg 투여 시 헥소바비탈 수면시간 단축 → P-450 유도제
• dimethylbenzanthracene에 의한 발암 억제 효과 → P-450 활성 유도 또는 epoxide hydrolase, glutathione-S-transferase 활성을 통한 간접 효과

4.2. 유기염소계 살충제 및 PCBs

• 예: aldrin, dieldrin, hexachlorobenzene, hexachlorocyclohexane
• Monsanto Aroclor PCBs (예: Aroclor 1254, 염소 함량 54%)
• 사용처: 커패시터, 변압기, 가스 터빈 등
• P-450, p-nitrophenol, testosterone glucuronyl transferase 유도
• 간 무게 및 마이크로솜 단백질 증가 유도

4.3. TCDD (2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin)

• 발암성 매우 강한 환경독소
• 소각장, 펄프 표백, 제초제·방부제 제조 시 부산물로 생성
• 3-MC보다 30,000배 강력한 AHH 유도제

---

5. 결론: P-450 효소의 활성 조절은 독성학의 핵심

P-450 효소의 유도 및 억제 메커니즘은 약물 상호작용, 환경오염물질 독성 평가, 발암 가능성 분석 등 다양한 분야에서 매우 중요한 지표가 됩니다. 효소의 기질 특이성, 입체 특이성, 환경오염물질에 대한 반응성은 모두 예측 가능한 독성 평가와 안전한 화학물질 관리에 필수적인 요소입니다.