지질 과산화

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1. 개요
2. 반응 메커니즘
3. 항산화제의 역할
4. 의학적 영향
5. 검사
참조

1. 개요

지질 과산화는 지질의 산화적 손상 과정으로, 세포막과 같은 지질이 풍부한 생체 구조에 영향을 미친다. 이 과정은 개시, 전파, 종결의 세 단계로 진행되며, 자유 라디칼, 특히 수산화 라디칼이 다가불포화지방산에서 수소를 추출하면서 시작된다. 전파 단계에서는 지질 라디칼이 산소와 반응하여 하이드로퍼옥실 라디칼을 생성하고, 이 라디칼이 연쇄 반응을 통해 다른 지질을 손상시킨다. 종결 단계는 라디칼이 소모되거나 반응이 멈출 때 발생한다. 항산화제는 이러한 연쇄 반응을 억제하여 지질 과산화를 완화하며, 지질 과산화의 최종 산물은 돌연변이성과 발암성을 가질 수 있다. 지질 과산화는 광선요법으로 인한 적혈구 세포막 파열과 같은 의학적 영향을 미치며, 말론디알데히드(MDA)와 같은 최종 산물을 정량화하는 검사법을 통해 진단할 수 있다.

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지질 과산화
개요
정의	(인지질) 과산화물은 지질 과산화의 주요 생성물이다.
형태	과산화지질 지질 과산화 라디칼
생성 경로	지질 라디칼을 거쳐 산소와 결합하여 생성 지질 라디칼에 직접 산소가 부착하여 생성
화학
화학 구조	지방산 사슬의 탄소에 부착된 하이드로퍼옥시기(-OOH)
반응
반응 메커니즘	라디칼 연쇄 반응으로 진행 지방산의 메틸렌기(-CH2-)에서 수소 라디칼이 제거되어 지질 라디칼 생성 지질 라디칼이 산소와 반응하여 과산화지질 라디칼 생성 과산화지질 라디칼이 다른 지방산에서 수소를 제거하여 과산화지질 생성과 지질 라디칼 재생성
개시	활성산소나 금속 이온 등에 의해 유도 과산화수소나 히드록실 라디칼과 같은 활성 산소 종이 관여
전파	지질 라디칼과 과산화지질 라디칼의 연쇄 반응
종결	라디칼 소거제에 의해 중단
생성 촉진
촉진 요인	높은 농도의 다불포화 지방산 활성산소의 증가 항산화제의 결핍 철과 같은 특정 금속 이온의 존재 방사선이나 자외선 노출
생체 내 영향
독성	세포막 손상 단백질 손상 DNA 손상 세포 사멸 유도
질병 관련성	동맥경화 암 신경퇴행성 질환 (알츠하이머병, 파킨슨병) 염증성 질환 노화
바이오마커	말론디알데히드(MDA) 4-하이드록시-2-노네날(4-HNE)
연구 분야	질병의 병인 규명 신약 개발
분석 방법
방법	크로마토그래피 질량 분석법 형광 분석법 과산화수소 측정법
추가 정보
관련 용어	지질 과산화 라디칼 항산화제

2. 반응 메커니즘

지질 과산화 화학 반응은 개시, 전파, 종결의 세 단계로 구성된다.^[4] 지질 과산화는 라디칼이 비라디칼과 반응하면 다른 라디칼을 계속 생성하는 자가 전파 연쇄 반응으로, 지질 기질이 소모되거나 남은 두 라디칼이 결합하여 반응이 종결될 때까지 진행된다.^[3]

생체 기구는 세포막을 보호하기 위해 프리라디칼을 포획하는 다양한 항산화 물질을 생성한다. 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD), 카탈라아제, 퍼옥시다아제 등이 생체 내에서 생성되는 항산화 물질이다.

비타민 E는 지질 과산화 반응으로 생성된 프리라디칼을 소멸시켜 스스로 비타민 E 라디칼이 되고, 프리라디칼에 의한 지질의 연쇄적 산화를 저지한다. 발생한 비타민 E 라디칼은 비타민 C와 같은 항산화 물질에 의해 비타민 E로 재생된다.^[18]

2. 1. 개시

개시 단계에서, 프로산화제인 수산화 라디칼이 안정적인 지질 기질(주로 다가불포화지방산(PUFA))의 알릴 위치(–CH₂–CH=CH₂) 또는 메틴 브리지에서 수소를 추출하여 지질 라디칼과 물(H₂O)을 형성한다.^[4]

지질 자동산화의 간략화된 경로: 수산기 라디칼에 의해 개시되며, 수소를 떼어내어 펜타디에닐 라디칼(공명 구조 중 하나만 표시됨)을 형성합니다. 이 라디칼은 O₂를 첨가하여 하이드로퍼옥실 라디칼(빨간색)을 생성합니다. 전파 단계에서, 이 하이드로퍼옥실 라디칼은 새로운 디엔으로부터 H⁺ 원자를 떼어내어 새로운 펜타디에닐 라디칼과 하이드로퍼옥사이드(파란색)를 생성합니다.

개시 반응은 지방산 라디칼이 생성되는 반응이다. 생체 세포에서 개시제는 대부분 수소 원자와 결합하여 물과 지방산 라디칼을 생성하는 OH･(하이드록실 라디칼)이나 HO₂(하이드록시퍼옥실)과 같은 활성산소이다.

2. 2. 전파

지질 라디칼(L•)은 산소 분자(O₂)와 반응하여 지질 하이드로퍼옥실 라디칼(LOO•)을 형성한다.^[4] 지질 하이드로퍼옥실 라디칼(LOO•)은 새로운 다가불포화지방산(PUFA)에서 수소를 추출하여 또 다른 지질 라디칼(L•)과 지질 하이드로퍼옥사이드(LOOH)를 형성한다.^[6]

지질 하이드로퍼옥실 라디칼(LOO•)은 다양한 반응을 통해 새로운 라디칼을 생성할 수 있다.

추가적인 지질 라디칼(L•)은 연쇄 반응을 계속하는 반면, 지질 하이드로퍼옥사이드(LOOH)는 주요 최종 생성물이다.^[6] 지질 라디칼의 형성은 동위원소 동위 효과에 민감하다. 막에 있는 강화된 지질은 지질 과산화의 연쇄 반응을 억제할 수 있다.^[7]

지방산 라디칼은 그다지 안정적인 분자가 아니며, 산소 분자와 쉽게 반응하여 과산화지방산 라디칼을 형성한다. 새롭게 생성된 라디칼 또한 불안정하기 때문에, 다른 지방산과 반응하여 새로운 지방산 라디칼과 과산화지질을 생성하거나, 자가반응하는 경우에는 고리형 과산화물을 생성한다. 새로운 지방산 라디칼이 마찬가지로 반응함으로써 이 사이클은 계속 진행된다.

2. 3. 종결

두 개의 지질 하이드로퍼옥실 라디칼이 반응하여 과산화물과 산소(O₂)를 형성할 때 종결이 발생할 수 있다.^[3] 라디칼 종의 농도가 높을 때에도 종결이 발생할 수 있다. 지질 라디칼의 형성은 동위원소 동위 효과에 민감하며, 막에 있는 강화된 지질은 지질 과산화의 연쇄 반응을 억제할 수 있다.^[7]

2. 4. 아라키돈산 기질

아라키돈산이 기질일 때, 하이드로퍼옥시에이코사테트라엔산(HPETEs)과 하이드록시에이코사테트라엔산(HETEs)의 이성질체가 생성된다.

3. 항산화제의 역할

항산화제는 자유 라디칼을 중화하여 라디칼 연쇄 반응을 멈춤으로써 지질 과산화를 완화하는 데 중요한 역할을 한다. 주요 항산화제로는 비타민 C, 비타민 E가 있다.^[8] 슈퍼옥사이드 디스뮤타제, 카탈라제, 퍼옥시다제를 포함한 효소는 산화 반응에 기여하여, 하이드록실 라디칼 (OH|OH•^영어)의 흔한 전구체인 과산화수소의 존재를 감소시킨다.

예를 들어, 비타민 E는 지질 하이드로퍼옥실 라디칼 (LOO|LOO•^영어)에 수소 원자를 기증하여 비타민 E 라디칼을 형성하고, 이는 또 다른 지질 하이드로퍼옥실 라디칼과 반응하여 비라디칼 생성물을 형성한다.^[2] 라디칼이 비라디칼과 반응하면 라디칼은 다른 라디칼을 계속 생성하게 되는데, 이것이 이 과정이 "연쇄 반응 메커니즘"이라고 불리는 이유이다. 라디칼 반응은 두 개의 라디칼이 반응하여 비라디칼 화합물을 생성할 때 정지한다. 이는 라디칼 화합물의 농도가 두 개의 라디칼이 충돌할 확률이 충분히 높을 때 발생한다. 생체 기구는 자유 라디칼을 포획함으로써 신속하게 라디칼 반응을 정지시키고, 따라서 세포막을 보호할 수 있는 다양한 항산화 물질을 생성해 왔다. 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD), 카탈라아제, 퍼옥시다아제를 포함한 다른 항산화 물질이 생체 내에서 생성된다.

비타민 E는 지질 과산화 반응에 의해 생성된 자유 라디칼을 소멸시킴으로써 스스로 비타민 E 라디칼이 되고, 자유 라디칼에 의한 지질의 연쇄적 산화를 저지한다. 발생한 비타민 E 라디칼은 비타민 C와 같은 항산화 물질에 의해 비타민 E로 재생된다.^[18]

4. 의학적 영향

광선요법은 지질 과산화를 유발하여 적혈구 세포막 파열을 일으킬 수 있으며,^[9] 이는 용혈로 이어질 수 있다.^[19]

지질 과산화의 최종 산물은 돌연변이원성 및 발암성을 가질 수 있다.^[13] 예를 들어 최종 산물인 MDA는 DNA의 데옥시아데노신과 데옥시구아노신과 반응하여 주로 M₁G와 같은 DNA 부가체를 형성한다.^[13]^[21]

반응성 알데히드는 아미노산 측쇄의 티올 또는 아민기와 마이클 부가체 또는 쉬프 염기를 형성하여 친전자성 스트레스를 통해 민감한 단백질을 불활성화할 수 있다.^[10]

GPX4(인지질-히드로퍼옥사이드 글루타티온 퍼옥시다제) 유전자 결손 녹아웃 마우스는 배아 발생 8일 이후 생존하지 못하는데,^[11]^[20] 이는 포유류의 생명 유지를 위해 지질 히드로퍼옥사이드 제거가 필수적임을 나타낸다.^[11]^[20]

건강한 인체에는 이러한 위험에 대한 방어 기전이 있기 때문에 식이성 지질 과산화물이 생체 이용률이 있고 질병에 역할을 하는지 여부는 불분명하다.^[12]

5. 검사

지질 과산화의 최종 산물, 특히 말론디알데히드(MDA)를 정량화하는 데 사용되는 진단 검사법들이 있다.^[13] 가장 일반적으로 사용되는 검사는 TBA 반응성 물질 분석법(TBARS Assay, thiobarbituric acid reactive substances assay)이다. 티오바르비투르산은 말론디알데히드와 반응하여 형광 생성물을 생성한다. 그러나 말론디알데히드의 다른 공급원도 있으므로, 이 검사는 지질 과산화에 대해 완전히 특이적이지는 않다.^[14]

참조

_[1] 논문 Aging and Degradation of Printed Materials https://doi.org/10.1[...] Elsevier 2024-03-15
_[2] 논문 Lipid Peroxidation: Production, Metabolism, and Signaling Mechanisms of Malondialdehyde and 4-Hydroxy-2-Nonenal 2014
_[3] 논문 Lipid Peroxidation and Its Toxicological Implications 2011-03-01
_[4] 논문 Mechanisms of free radical oxidation of unsaturated lipids 1995
_[5] 논문 Oxidation of Food Components https://www.scienced[...] Academic Press 2024-03-15
_[6] 논문 Lipid Peroxidation: Production, Metabolism, and Signaling Mechanisms of Malondialdehyde and 4-Hydroxy-2-Nonenal 2014-05-08
_[7] 논문 Small amounts of isotope-reinforced PUFAs suppress lipid autoxidation
_[8] 논문 Effects of vitamin C and vitamin E on in vivo lipid peroxidation: results of a randomized controlled trial September 2002
_[9] 논문 Red Cell Membrane Lipid Peroxidation and Hemolysis Secondary to Phototherapy
_[10] 논문 Generation and Biological Activities of Oxidized Phospholipids 2010
_[11] 논문 Trends in oxidative aging theories 2007
_[12] 논문 Biological Implications of Lipid Oxidation Products https://link.springe[...] 2021-04-13
_[13] 논문 Lipid peroxidation-DNA damage by malondialdehyde March 1999
_[14] 논문 Correlates of Markers of Oxidative Status in the General Population
_[15] 웹사이트 機能分子解析学分野研究概要 : 過酸化脂質の化学構造と分析法 http://www.agri.toho[...] 東北大学大学院農学研究科 2024-08-22
_[16] 웹사이트 疾患に関連した脂質過酸化反応の新しいバイオマーカーを発見 https://www.a.u-toky[...] 2021-05-12
_[17] 웹사이트 脂質過酸化反応における脂質ラジカルと生体内分子の反応産物の検討 https://kaken.nii.ac[...] 科研 2021-05-12
_[18] 간행물 ビタミンEと抗酸化性 https://doi.org/10.5[...] 国立健康・栄養研究所平原文子、栄養学雑誌 Vol.52 No.4 205～206(1994)
_[19] 웹사이트 Red Cell Membrane Lipid Peroxidation and Hemolysis Secondary to Phototherapy http://www.blackwell[...] ENRIQUE M. OSTREA JR.11. Departments of Pediatrics, Wayne State University School of Medicine and Hutzel Hospital, Detroit, Michigan, USA
_[20] 논문 Trends in oxidative aging theories 2007
_[21] 논문 Lipid peroxidation-DNA damage by malondialdehyde. http://www.ncbi.nlm.[...] March 1999
_[22] 논문 Correlates of markers of oxidative status in the general population. http://aje.oxfordjou[...] August 15, 2001

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