초과산화물 불균등화효소

3. 유형

초과산화물 불균등화효소(SOD)는 활성 부위에 어떤 금속 보조 인자를 사용하는지에 따라 크게 세 가지 유형으로 분류된다.^[64] 사용되는 금속 이온으로는 구리(Cu), 아연(Zn), 망가니즈(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni) 등이 있다.

• Cu/Zn-SOD: 구리와 아연을 보조 인자로 사용한다. 주로 진핵생물에서 발견된다.^[65][66][67]
• Fe/Mn-SOD: 철 또는 망가니즈를 보조 인자로 사용한다. 주로 원핵생물, 원생생물, 미토콘드리아 등에서 발견된다.^[68]
• Ni-SOD: 니켈을 보조 인자로 사용한다. 원핵생물에서 발견된다.

3. 1. 일반

• 구리 및 아연 (Cu/Zn) 타입: 구리(Cu)와 아연(Zn)을 모두 보조 인자로 사용하는 형태이다. 진핵생물(인간 포함)에서 가장 일반적으로 발견되며, 거의 모든 진핵 세포의 세포질에 Cu-Zn-SOD가 존재한다. 상업적으로 이용 가능한 Cu-Zn-SOD는 주로 소의 적혈구에서 정제된다. 소의 Cu-Zn 효소는 분자량 32,500의 동종 이량체이며, 1975년에 처음으로 원자 수준의 상세 구조가 밝혀진 SOD이다.^[9] 이 효소는 8개의 가닥으로 이루어진 "그리스 열쇠" 베타 배럴 구조를 가지며, 활성 부위는 배럴과 두 개의 표면 루프 사이에 위치한다. 두 개의 서브유닛은 주로 소수성 상호작용과 일부 정전기적 상호작용을 통해 단단히 결합되어 있다. 구리와 아연 이온은 6개의 히스티딘과 1개의 아스파르트산 측쇄에 의해 결합되며, 이 중 하나의 히스티딘은 두 금속 이온 사이에 공유되어 있다.^[10]

• 철 또는 망가니즈 (Fe/Mn) 타입: 철(Fe) 또는 망가니즈(Mn)를 보조 인자로 사용하는 형태로, 주로 원핵생물과 원생생물, 그리고 세포 내 소기관인 미토콘드리아와 엽록체에서 발견된다.
• 철 (Fe) 타입: 많은 박테리아는 철(Fe-SOD)을 가진 형태를 포함한다. 어떤 박테리아는 Fe-SOD를, 다른 박테리아는 Mn-SOD를 가지며, ''Escherichia coli''와 같이 두 종류를 모두 가진 경우도 있다. Fe-SOD는 식물의 엽록체에서도 발견될 수 있다. 구조적으로 Fe-SOD와 Mn-SOD는 상동성이 있으며, 동일한 알파 나선 배열을 가지고 활성 부위에도 동일한 종류와 배열의 아미노산 측쇄를 포함한다. 일반적으로 이량체 형태이지만, 경우에 따라 사량체로 존재하기도 한다.
• 망가니즈 (Mn) 타입: 거의 모든 미토콘드리아와 많은 박테리아는 망가니즈(Mn-SOD)를 가진 형태를 포함한다. 예를 들어, 인간의 미토콘드리아에서도 Mn-SOD가 발견된다. 망가니즈 이온에 결합하는 리간드는 3개의 히스티딘 측쇄, 1개의 아스파르트산 측쇄, 그리고 망가니즈의 산화 상태(II 또는 III)에 따라 물 분자 또는 히드록시 리간드이다.^[11]

• 니켈 (Ni) 타입: 니켈(Ni)을 보조 인자로 사용하는 형태로, 원핵생물에서 발견된다. 이 효소는 6개의 동일한 서브유닛으로 구성된 육량체 구조를 가지며, 각 서브유닛은 오른손잡이 4-나선 번들로 이루어져 있다. 각 서브유닛의 N-말단에는 니켈 이온을 킬레이트하는 '훅(hook)' 구조가 있다. 이 Ni-훅은 His-Cys-X-X-Pro-Cys-Gly-X-Tyr 모티프를 포함하며, 금속 결합과 촉매 작용에 중요한 역할을 한다.^[12][13]

3. 2. 구조

• 구리 및 아연 (Cu/Zn) SOD: 주로 진핵생물(인간 포함)에서 발견된다. 거의 모든 진핵 세포의 세포질에는 Cu-Zn-SOD 효소가 존재한다.^[65] 상업적으로 이용 가능한 Cu-Zn-SOD는 보통 소의 적혈구에서 정제된다. 소의 Cu-Zn 효소는 분자량 32,500의 동종 이량체(homodimer)이다. 이 효소는 1975년에 원자 수준의 상세 구조가 밝혀진 최초의 SOD이다.^[9][66] 구조적으로 8개의 베타 가닥(β-strand)으로 이루어진 "그리스 키" β 배럴 형태를 가지며, 활성 부위는 배럴과 두 개의 표면 루프 사이에 위치한다. 두 개의 서브유닛은 주로 소수성 상호작용과 일부 정전기적 상호작용을 통해 단단히 결합되어 있다. 구리와 아연 이온은 6개의 히스티딘과 1개의 아스파르트산 측쇄에 의해 결합되며, 하나의 히스티딘 잔기는 두 금속 이온을 연결한다.^[10][67]

• 철 (Fe) 또는 망가니즈 (Mn) SOD: 원핵생물과 원생생물, 그리고 세포 내 소기관인 미토콘드리아와 엽록체에서 주로 사용된다.
• 철 (Fe) SOD: 많은 종류의 박테리아가 철을 포함하는 Fe-SOD를 가지고 있다. 어떤 박테리아는 Fe-SOD만, 다른 박테리아는 Mn-SOD만 가지기도 하며, ''대장균''처럼 두 종류 모두를 가지는 경우도 있다. Fe-SOD는 식물의 엽록체에서도 발견될 수 있다. Fe-SOD와 Mn-SOD는 구조적으로 상동성을 가지며, 3차원 구조에서 동일한 α 나선 배열을 보인다. 또한 활성 부위를 구성하는 아미노산 측쇄의 종류와 배열도 동일하다. 일반적으로 이량체(dimer) 형태를 띠지만, 경우에 따라 사량체(tetramer)로 존재하기도 한다.
• 망가니즈 (Mn) SOD: 거의 모든 미토콘드리아와 다수의 박테리아가 망가니즈를 포함하는 Mn-SOD를 가지고 있다. 인간의 미토콘드리아에서도 Mn-SOD가 발견된다. 망가니즈 이온에 결합하는 리간드는 3개의 히스티딘 측쇄, 1개의 아스파르트산 측쇄, 그리고 물 분자 또는 히드록시 리간드이다. 물 분자가 결합할지 히드록시 리간드가 결합할지는 망가니즈 이온의 산화 상태(Mn(II) 또는 Mn(III))에 따라 달라진다.^[11][68]

• 니켈 (Ni) SOD: 원핵생물에서 발견된다. 이 효소는 6개의 동일한 서브유닛이 모인 육량체(hexamer) 구조를 가진다. 각 서브유닛은 오른손 방향으로 감긴 4개의 나선 다발(4-helix bundle)로 구성되며, N-말단에 위치한 특이한 구조인 '훅(hook)'이 니켈 이온을 킬레이트(chelate)한다. 이 Ni-훅은 His-Cys-X-X-Pro-Cys-Gly-X-Tyr (X는 임의의 아미노산)라는 특징적인 아미노산 서열 모티프를 포함하며, 니켈 이온 결합과 효소의 촉매 작용에 중요한 역할을 한다. 따라서 이 모티프는 Ni-SOD를 식별하는 데 사용될 수 있다.^[12][13]

3. 3. 인간

• SOD1: 세포질에 위치하며, 두 개의 동일한 소단위체로 구성된 이량체이다. 활성 부위에 구리(Cu)와 아연(Zn)을 포함하고 있다. 유전자는 염색체 21번의 21q22.1 위치에 존재한다.^[17]
• SOD2: 미토콘드리아 내부에 존재하며, 네 개의 동일한 소단위체로 이루어진 사량체 구조를 가진다. 활성 중심에 망가니즈(Mn)를 가지고 있는 것이 특징이다. 유전자는 염색체 6번의 6q25.3 위치에 존재한다.^[18]
• SOD3: 세포외 공간에 존재하며, SOD2와 마찬가지로 네 개의 소단위체로 구성된 사량체이다. SOD1처럼 활성 부위에 구리(Cu)와 아연(Zn)을 포함한다. 유전자는 염색체 4번의 4p15.3-p15.1 위치에 존재한다.^[19]

3. 4. 식물

이러한 SOD 효소군은 어윈 프리도비치(Irwin Fridovich)와 조 M. 맥코드(Joe M. McCord)에 의해 처음 발견되었으며, 발견 이전에는 기능이 알려지지 않은 금속 단백질로만 여겨졌다.^[64] 식물에 존재하는 Fe SOD, Mn SOD, Cu-Zn SOD 외에도, 원핵생물 등에서는 니켈(Ni)을 보조 인자로 사용하는 Ni SOD도 발견된다.

3. 5. 세균

4. 생화학

초과산화물 불균등화효소(SOD)는 활성 산소의 일종인 초과산화물(음이온 라디칼, O₂^-)을 산소(O₂)와 과산화 수소(H₂O₂)로 전환하는 불균등화 반응을 촉매하는 효소이다. 이 과정은 다음과 같은 전체 반응식으로 나타낼 수 있다.

2H⁺ + 2O₂^- → O₂ + H₂O₂

이 반응을 통해 세포에 유해한 초과산화물을 상대적으로 덜 해로운 물질로 바꾸어 세포를 보호한다.

SOD의 촉매 작용은 효소 활성 부위에 있는 금속 양이온의 산화 상태가 주기적으로 변하는 과정을 통해 이루어진다. 일반적인 반응 메커니즘은 다음과 같다.

1. M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺-SOD + O₂^- → Mⁿ⁺-SOD + O₂ (금속 이온의 환원, 초과산화물의 산화)

2. Mⁿ⁺-SOD + O₂^- + 2H⁺ → M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺-SOD + H₂O₂ (금속 이온의 산화, 초과산화물의 환원)

여기서 M은 금속 이온을 나타내며, 종류에 따라 산화 상태(n)가 다르다.

• 구리(Cu): n=1 (Cu⁺ ↔ Cu²⁺)
• 망가니즈(Mn): n=2 (Mn²⁺ ↔ Mn³⁺)
• 철(Fe): n=2 (Fe²⁺ ↔ Fe³⁺)
• 니켈(Ni): n=2 (Ni²⁺ ↔ Ni³⁺, 주로 원핵생물에서 발견)

5. 생리학

초과산화물은 세포 내 주요 활성 산소 중 하나로, 이를 제거하는 초과산화물 불균등화효소(SOD)는 핵심적인 항산화 역할을 수행한다. SOD의 생리학적 중요성은 이 효소가 결핍된 유전적으로 조작된 생물에서 나타나는 심각한 병리학적 증상을 통해 알 수 있다.

다양한 생물 종에서 SOD 유전자의 결핍은 다음과 같은 영향을 미친다.

녹아웃 마우스와 같이 SOD 효소가 없는 동물은 파라쿼트나 다이쿼트와 같은 제초제처럼 초과산화물을 생성하는 화합물의 치명적인 영향에 더 민감하다.

초파리의 경우, 신경계와 근육에서 SOD1과 SOD2의 고갈은 수명 감소와 관련이 있으며,^[32] 이는 활성 산소 종(ROS) 축적이 연령 관련 손상에 기여함을 시사한다. 반대로, 미토콘드리아 SOD2를 과발현시키면 성체 초파리의 수명이 연장되는 것으로 나타났다.^[33]

검정개미 사회에서는 여왕개미가 일개미보다 훨씬 긴 수명을 가지는데, 이들 뇌에서 SOD3 유전자가 여왕개미에게서 더 높게 발현되는 것으로 나타났다. 이는 항산화 기능이 수명 조절에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다.^[1][34]

선충 예쁜꼬마선충에서는 SOD 녹다운이 큰 생리적 문제를 일으키지 않지만, 초과산화물/카탈라아제 모방제를 처리하면 수명이 연장되어 산화 스트레스가 노화 속도에 영향을 미침을 보여준다.^[35]

출아 효모 사카로미세스 세레비지애에서 SOD1 또는 SOD2 유전자가 결핍된 돌연변이는 야생형에 비해 노화 과정에서 DNA 손상률이 크게 증가한다.^[36] 이는 SOD가 노화 동안 게놈의 완전성을 보존하는 데 중요한 역할을 함을 의미한다.

원핵생물인 대장균 등에서도 SOD 널 돌연변이가 연구되었으며, 특히 주변질 CuZnSOD의 손실은 독성 감소로 이어져 새로운 항생제 개발의 표적이 될 가능성을 제시한다.

6. 질병에서의 역할

SOD1 유전자의 돌연변이는 가족성 근위축성 측삭 경화증 (ALS)을 유발할 수 있다.^{[38][39][40][41]} ALS는 일종의 운동 신경 질환이다. 미국에서 가장 흔하게 발견되는 돌연변이는 A4V이며, G93A 돌연변이가 가장 많이 연구되었다. 이러한 돌연변이가 ALS를 유발하는 정확한 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않았으며, 효소 활성 손실이나 SOD1 단백질 자체의 안정성 감소 때문은 아닌 것으로 보인다. 여러 증거는 세포 스트레스 상황에서 정상적인(야생형) SOD1 역시 ALS 환자의 다수를 차지하는 산발성 ALS 발병과 관련될 수 있음을 시사한다.^[45] 또한, SOD1의 기능이 억제되면 간세포 암종이 발생할 수 있으며,^[29] 반대로 SOD1이 과도하게 발현되는 것은 다운 증후군에서 나타나는 신경계 질환과 관련이 있는 것으로 여겨진다.^[46]

SOD3 (세포 외 초과산화물 불균등화효소, ecSOD)의 활성이 감소하면 급성 호흡 곤란 증후군 (ARDS)이나 만성 폐쇄성 폐 질환 (COPD)과 같은 폐 질환 발병 위험이 높아진다.^[42][43][44] 생쥐를 이용한 연구에서는 SOD3가 고혈압 발병에 영향을 미치는 것으로 나타났다.^[48][49]

SOD2의 경우, 생쥐 실험에서 이 효소의 기능이 억제되면 출생 전후 시기에 사망률이 높아지는 결과가 관찰되었다.^[28]

초과산화물 불균등화효소는 발생 과정 중인 태아의 신경 능선 세포에서는 발현되지 않는다. 이 때문에 높은 수준의 자유 라디칼이 해당 세포에 손상을 주어 신경관 결손과 같은 이형성 이상을 유발할 가능성이 제기된다.

지중해 빈혈 환자의 경우, 초기에는 보상 작용으로 체내 SOD 수치가 증가하지만, 질병이 만성화되면 산화 스트레스에 대응하기에 부족해지고 오히려 단백질 분해로 인해 감소하는 경향을 보인다.^[47]

7. 의학적 이용

보충적인 초과산화물 불균등화효소는 미숙아로 태어난 영아의 기관지폐 이형성증을 예방하기 위한 치료법으로 제안되었지만, 이 치료법의 효과는 불분명하다.^[50]

초과산화물 불균등화효소(SOD)는 염증성 장 질환과 같은 만성 염증성 질환의 실험적 치료에 사용되어 왔다.^[51][52] SOD는 설치류 연구에서 시스플라틴으로 유도된 신독성을 개선하는 효과를 보였다.^[53] 또한 약리학적으로 활성인 정제된 소 간 SOD인 "Orgotein" 또는 "ontosein"은 사람의 요로 염증성 질환 치료에도 효과적이다.^[54] 한동안 소 간 SOD는 이러한 용도로 여러 유럽 국가에서 규제 승인을 받기도 했지만, 프리온병에 대한 우려로 중단되었다.

초과산화물 불균등화효소 모방체 제제인 TEMPOL은 방사선 방어 및 방사선 유발 피부염 예방을 위한 임상 시험이 현재 진행 중이다.^[55] TEMPOL 및 유사한 SOD 모방체인 니트로사이드(nitroxides)는 산화 스트레스와 관련된 질병에서 다양한 작용을 나타낸다.^[56]

8. 화장품 용도

초과산화물 불균등화효소(SOD)는 피부의 활성 산소로 인한 손상을 줄이는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유방암 방사선 치료 후 발생하는 섬유증을 줄이는 데 도움이 될 수 있다는 연구 결과가 있다. 하지만 이러한 연구들은 무작위 배정, 이중 맹검, 위약 대조군 설정 등이 부족하여 아직 잠정적인 결과로 받아들여진다.^[58] 초과산화물 불균등화효소는 섬유증을 개선하는 효과가 있는 것으로 알려져 있는데, 이는 근섬유아세포가 다시 섬유아세포로 분화하는 과정을 촉진하기 때문일 수 있다.^[59]

9. 상업적 출처

초과산화물 불균등화효소(SOD)는 상업적으로 해양 식물 플랑크톤, 소 간, 서양 고추냉이, 멜론, 특정 박테리아에서 얻을 수 있다. 치료 목적으로 SOD는 일반적으로 국소적으로 주사한다. 보호되지 않은 SOD 또는 SOD가 풍부한 식품의 섭취가 어떠한 생리적 효과를 가질 수 있다는 증거는 없는데, 이는 섭취된 모든 SOD가 분해되어 아미노산으로 변환된 후 흡수되기 때문이다. 그러나 밀 단백질에 결합된 SOD의 섭취는 적어도 이론적으로는 치료 활성을 향상시킬 수 있다.^[60]

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