14장. 보조효소와 비타민

비타민이란 인체에서 합성하지 못하기 때문에 음식물을 통해 보충해야만 하는 필수영양소를 말한다. 비타민은 저분자량의 분자들로서 수용성과 지용성으로 구분되며, 수용성의 경우는 대부분 보조효소 (coenzyme)의 구성성분이거나 그 전구체이다.

비타민이라는 명칭은 1911년 Casimir Funk가 쌀겨에서 각기병을 치유시키는 결정성물질을 얻어 그것이 아민기를 함유하고 있음에 vital amine이라고 명명한데서 비롯되었다.

1. 비타민 B1 : 티아민과 피로인산 티아민

티아민은 보조효소로서 작용하는 피로인산 티아민 (thiamine pyrophosphate, TPP)의 선구물질이다. TPP는 카르보닐 탄소에 대한 결합을 끊거나 만드는 반응에 관여한다.

대표적인 효소반응으로는 피부르산 탈카르복시화 효소, 아세토락트산 생성효소, transketolase, phosphoketolase 등이다.

이들 반응에서는 분해가 일어나는 카르보닐 탄소에 음전하의 축적이 일어나는데 이 음전하를 안정화시키는 것이 TPP의 역할이다. 이 역할은 TPP의 thiazolium 고리에 존재하는 사차질소에 의해 이루어진다. 이 양이온성 질소는 이웃하는 C-2의 산성도를 증가시켜 카르보 음이온을 만들고, 이렇게 생성된 카르보 음이온은 기질의 카르보닐 탄소를 공격하게 된다. 이때 양이온성 이민 질소는 전자붙잡개 (electron sink)로 작용하여 전자의 이동을 야기시킴으로써 반응을 수행한다.

2. 아데닌 누클레오티드 구조를 가진 비타민

플라빈 디누클레오티드, 피리딘 디누클레오티드, 코엔짐 A

이들 보조효소에서 아데닌 누클레오티드는 반응에 직접 관여하지는 않으나 인식에 중요한 역할을 한다. 즉, 보조효소의 진화성과 특이성을 증대시키는 역할을 한다.

가. 니코틴산과 니코틴아미드 보조효소

NAD⁺- NADH, NADP⁺-NADPH (이-전자 운반체)

NAD⁺ + 2H⁺ + 2e^- → NADH + H⁺

이들은 전자운반체로서 여러 가지 효소들 (탈수소효소, dehydrogenase) 산화환원 반응에서 중요한 역할을 한다. 이들은 전자받개나 주개로서 이용되며, 수소음이온의 직접적인 전달이 이루어진다.

피리딘 고리의 C-4는 수소음이온 (H^-)을 주거나 받을 수 있다. 이때 니코틴아미드 고리의 사차질소는 전자붙잡개로 작용하여 수소음이온의 이동을 조장한다.

이들은 선구손대칭성 (pro-chirality)를 가진다. pro-R, pro-S configuration

니코틴과의 관계: 니코틴산과 니코틴 아마이드는 니코틴과는 다르다. 때문에 니코틴산을 니아신 (niacin)으로 사용한다.

나. 리보플라빈 (vit. B2) 과 플라빈 보조효소

리보플라빈은 리비톨과 플라빈의 합성어로서 리보플라빈 5'-인산 (또는 FMN)과 플라빈아데닌 디누클레오티드 (FAD)의 전구물질이다.

플라빈의 핵심적인 구조는 이소알록사진 고리이다. 리비톨은 진정한 오탄당이 아니라 당알코올이고 글루코시드 결합을 이루고 있지도 않기 때문에 진정한 누클레오티드는 아니다. 그럼에도 누클레오티드란 용어로 통용되고 있다.

NAD와 NADP와는 달리 이들은 세가지 산화환원 상태로 존재할 수 있기 때문에 일전자 이동 (one-electron transfer)와 이전자반응 (two-electron transfer)에 참여할 수 있다.

다. 판토테인산 (B3)과 코엔짐 A

판토테인산은 코엔짐 A의 일부를 구성하고 있으며, 아실운반단백질의 구성성분이기도 하다.

판토테인산은 beta-alanine과 가지친 디히드록시산으로 구성되며 3'5'-ADP, beta-MeSH와 결합하여 코엔짐 A를 형성한다.

코엔짐 A는 아실기의 친핵성 공격에 의한 활성화와 양성자 떼기 반응을 위한 아실기에 있는 alpha-수소의 활성화에 관여한다.

이들 반응은 반응성 티올기에 의해 매개된다. 티올기는 아실기와 thioester 결합을 형성하고 있다. 티오에스테르의 가수분해는 산소 에스테르보다 잘 일어난다. 이는 이중결합의 특성이 낮기 때문으로 높은 작용기전달 포텐셜 (즉, 낮은 결합에너지)를 가진다는 것이다. 때문에 친핵체로의 아실기 전달이 산소에스테르보다 용이하다. thioester는 또한 불리한 공명구조를 가지므로 양성자 떼기반응에서 생성된 alpha-카르보 양이온은 엔올음이온 (enolate anion)으로 공명안정화되어 축합반응에서 효과적인 친핵체가 된다.

3. 비타민 B6: 피리독신과 인산피리독살

피리독살-5-인산 (PLP)는 두가지 형태의 토토머로 존재하는 보조효소이다. 이것은 아미노산의 다양한 반응 (아미노기 전달반응, alpha 또는 beta-탈카르복시화 반응, beta 및 gamma-제거반응, 라세미화 반응, 알돌반응 등)의 촉매작용에 참여한다.

이러한 다양성은 PLP가 아미노산의 alpha-아미노기와 안정한 Schiff-염기 첨가 생성물을 형성하고, 반응중간체를 안정화시키는 효과적인 전자붙잡개로 작용할 수 있는 능력에 기인한다.

PLP는 기질이 없을 때 효소의 e-아미노기와 Schiff 염기로 결합되어 있다. 기질이 들어오면 아미노기와 Schiff 염기를 형성한다. 이때 Schiff 염기는 양성자화되어 아미노산의 alpha-탄소의 산성도를 증가시킨다. 이 탄소는 양성자를 잃으면서 카르보음이온이 되고, 이것은 피리독살 고리내의 양성자화된 질소에 의해 안정화된다.

4. 비타민 B12: 시아노코발아민

비타민 B12는 체내에서 5'-deoxyadenosylcobalamin 과 소량의 methylcobalamin으로 전환된다. 이것들은 그 중심에 cobalt 이온을 가진 corrin ring으로 구성되어 있다. 코발트는 코린 고리의 4개의 질소에 배위결합을 이루고 있으며, 축방향으로 dimethylbenzimidazole의 질소, 그리고 반대방향으로 몇가지 원자단 -CN, -CH3, OH-, 또는 5'-deoxyadenosyl 기와 결합하고 있다. cobalt원자는 +1, +2, +3의 산화상태를 가진다. OH-가 결합된 hydroxocobalamin은 +3의 상태이며, 2번의 환원을 거쳐 +1인 상태에서 ATP의 5'-탄소원자를 공격하여 삼인산기를 몰아내고 아데노신과 결합한 5'-deoxyadenosylcobalamin을 형성한다. 이것이 활성인 형태로서 다음 세가지의 반응을 촉매한다. (1)분자내 자리 옮김, (2)메틸화 반응, (3)ribonucleotide의 deoxyribonucleotide로의 환원. 이중 (1)(2)는 포유동물에서 이 조효소에 의해 촉매되는 유일한 반응이다.

Homolytic cleavage에 의한 자유래디칼 형성이 이 보조효소에 의한 반응의 핵심이다: 코발트 원자 주위의 steric crowding 때문에 stronger bond 형성이 방해되어 코발트와 -CH2 사이의 결합은 약하기 때문에 쉽게 절단되면서 래디칼을 형성한다. 일반적인 절단에서는 heterolytic cleavage이다. 왜냐하면 전자를 끌어당기는 정도가 차이가 나기 때문에 공유전자를 모두 가지고 떨어지거나, 아니면 전부 주고 떨어지는 경우가 일반적이다.

5. 비타민 C: 아스코르브산

비타민 C는 D-glucuronic acid로부터 몇단계의 과정을 거쳐 합성된다. 일부 어류를 비롯한 척추동물에서는 L-gulonoxidase의 결핍으로 생합성이 이루어지지 못한다. 비타민 C는 강력한 환원제로서 여러 가지 효소 반응에 관여한다. 콜라겐 합성에서 proline과 lysine의 수산화반응에 필요하며, 뇌에서 tyrosine을 homogentisic acid로 전환시키는 p-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase에도 작용한다. 또한 dopamine을 norepinephrine으로 전환시키는 dopamine-β-hydoxylase 효소에도 필요하다. 비타민 C는 이외에도 여러 가지 생체반응에 이용된다.

6. 비오틴 (biotin): 구조를 확인

비오틴은 다양한 카르복시화 반응에서 카르복시기의 운반체 (CO₂ carrier)로서 작용한다. 비오틴은 카르복시화 효소의 ε-amino 기에 결합된 보결원자단으로 결합되어 있다. 그 결과 비오틴과 리신 곁사슬은 길고 유연한 사슬을 이루게 된다 (사슬은 10개의 원자들로 연결되며 약 1.5 nm의 길이를 가진다). 이러한 구조에 의해 활성자리의 한 부위에 있는 카르복시기를 취하여 다른 자리로 전달하는 일을 한다.

7. 리포산 (lipoic aicd): 구조를 확인

리포산은 비오틴과 같이 효소의 활성자리에 ε-amino 기와 연결된 긴 사슬을 이루고 있다. 리포산은 분자내 이황화결합의 형성에 의해 산화형과 환원형 두가지 형태로 상호전환되며, 아실기 운반체로서 작용한다.

8. 폴산

폴산은 두 번의 환원과정을 거쳐 보조효소인 tetrahydrofolate (THF)로 전환된다. 이것은 CO₂를 제외한 모든 산화상태의 탄소 전달자로서 중요하다. THF는 프테린, p-아미노벤조산, 1-7개의 글루탐산 잔기들로 구성되는 비교적 복잡한 구조이다. 일탄소 단위들은 N⁵ 또는 N¹⁰의 질소에 결합될 수 있다. THF에 일탄소 단위가 전달되는 주경로는 serine hydroxymethyl transferase에 의한 반응으로 serine이 glycine으로 전환되면서 N⁵,N¹⁰-methyleneTHF가 형성된다.