활성산소

산소(O₂)자체는 강한 산화제(oxidant)가 아니지만, 전자 1개를 받아 환원되면 안정적인 형태인 물(H₂O)분자로 전환될 때까지 추가적으로 산소 분자 1개당 3개의 전자를 더 받아들여야 한다. 이 과정에서 생기는 물질들이 모두 주요한 ROS가 된다. ROS 중 과산화수소(hydrogen peroxide, H₂O₂)는 전자를 얻기 위해 환원된 철(Fe₂⁺)과 펜톤(Fenton) 반응 [Fe₂⁺ + H₂O₂ → [FeO₂⁺] + H⁺ + OH⁻ → Fe₃⁺ + OH⁻ + HO]을 일으키면서 매우 강력한 ROS인 하이드록시래디칼(hydroxyradical)을 만든다.

즉, 산소로 전자가 전달되면서 순차적으로 생성되는 수퍼옥사이드, 과산화수소, 하이드록시래디칼 등을 활성산소(reactive oxygen species, ROS)라고 한다 (그림 1). 한편, 전자의 전달이 없더라도 에너지를 흡수하여 전자의 스핀이 변화하는 경우에도 ROS가 생성되는데, 이러한 ROS는 single oxygen이라고 부르며, 에너지를 흡수하지 않은 산소분자, 즉, triplet oxygen과 구분한다. 이들 ROS는 미생물을 포함한 모든 생물의 세포가 산소에 노출되면 계속적으로 끊임없이 만들어 지며, 세포 내 다양한 효소와 지질, DNA를 손상시킨다.

그림 1. 활성산소의 전자배치와 전자식 (출처: 조유희/차의과학대학교)

목차

호기성(aerobic) 미생물 뿐만이 아니라 혐기성(anaerobic) 미생물들도 모두 산소(O₂)에 노출되면, 세포내에 플라빈 등을 포함하는 전자공여체(electron donor)로 부터 의도적이지 않게 산소에게 전자를 뺏기면서 산소는 슈퍼옥사이드(superoxide, O₂⁻), 과산화수소가 된다. 산소 자체는 전자를 하나만 받는 환원 전위(univalent reduction potential)이 아주 약한 마이너스로(−0.16 V), 첫 번째 외부 전자를 받을 수 있는 결합력이 아주 약하다. 그렇기 때문에 산소 자체는 세포내 많은 거대분자(단백질, DNA, 지질 등)과 반응하지 않지만, 세포내의 플라빈(flavin), 퀴논(quinone), 금속들이 전자 하나를 산소에 잘 제공하는 공여자가 될 수 있으면 전자하나를 받아 수퍼옥사이드가 다시 받으면 과산화수소가 되고, 다음은 래디칼, 이 후에 전자가 모두 4개와 수소이온을 받으면 물(H₂O)이 된다. 플라빈을 포함하는 효소들중 FAD를 조효소로 가지는 NADH dehydrogenase II와 sulfite reductase, lipoamide dehydrogenase, fumarate reductase가 대장균(Escherichia coli)에서 대표적인 ROS를 생산하는 원인 효소들로 알려져있다¹⁾.

활성산소(ROS)는 반응성이 좋아 세포내 많은 효소를 비활성화시키고 환원된 철과 과산화수소에 의한 래디칼은 많은 거대분자를 손상시킨다다. 특히 수퍼옥사이드는 [Fe-S] center를 가지는 효소를 비활성화시킨다(그림 2). 수퍼옥사이드가 철로 부터 전자를 뺏어오면 산화된 철을 가진 [Fe-S]가 불안정화되면 효소로 부터 철이 나오게 된다. 이러한 [Fe-S] center를 가지는 효소들이 주로 dehydratase이고, 이들 효소들이 branched-chain(Leu, Ile, Val)와, aromatic(Tyr, Trp, Phe), 그리고 황을 가진 아미노산(Met, Cys)의 합성과정에 관여하기 때문에 수퍼옥사이드가 세포안에 많이 만들어지면 이러한 아미노산 합성이 저해되어, 세포 외부에서 제공해 주지 않으면 세포는 생장할 수 없게 된다²⁾. 또한 철을 하나만 가진 ribulose-5-phosphate 3-epimerase와 같은 효소들도 비슷한 이유로 비활성화 된다. 수퍼옥사이드와 과산화수소는 DNA를 직접적으로 공격하지 못하지만 과산화수소와 환원된 철이 만들어 내는 하이드록시래디칼은 DNA에 손상을 준다. ROS에 의해 세포내에 자유롭게 잠시 존재하는 철은 DNA에 가서 붙을 수 있으며, 이러한 철은 과산화수소와 래디칼을 만들어 인접한 DNA에 손상을 준다. 손상된 DNA로 인해 돌연변이가 일어나기 때문에 ROS에 의해 돌연변이의 발생이 촉진되는 것이다.

그림 2. Rieske iron-sulfur center (출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Rieske_protein)

활성산소는 미생물 세포내의 다양한 종류의 활성산소 제거 효소(enzyme)에 의하여 제거된다. 이들 효소의 생성은 활성산소를 인식하는 OxyR, PerR, SoxR 등 활성산소 센서인 전사 인자(transcriptional factor)에 의해 유전자 발현이 조절되며, 환경조건, 활성산소의 농도, 생장조건 등에 따라 다르게 발현된다. ROS는 세포내의 superoxide dismutases(SODs), catalase, peroxidase, peroxide reductase 등에 의해 제거된다. 대장균의 경우 세 가지의 superoxide dismutases(SODs)를 가지는데 세포질에 존재하는 iron- 과 manganese을 가지는 효소와(FeSOD, MnSOD), 세포질주변에 copper-zinc를 가지는 효소(CuZnSOD)를 가진다. 대장균의 경우 과산화수소를 제거를 위하여 주요한 세 가지의 효소를 가지며(두 가지의 catalases 와 Ahp peroxidase), thioredoxin(Trx) 시스템과 glutathione-glutaredoxin(Grx) 시스템도 직접 혹은 간접적으로 과산화수소의 제거에 관여한다³⁾.

박우준/고려대학교

이창로/명지대학교

1. Imlay JA.(2015) Transcription Factors That Defend Bacteria Against Reactive Oxygen Species. Annual Review Microbiology.
2. Imlay JA. (2013) The molecular mechanisms and physiological consequences of oxidative stress: lessons from a model bacterium. Nature review microbiology
3. Mishra S, Imlay J. (2012) Why do bacteria use so many enzymes to scavenge hydrogen peroxide? Archives of Biochemistry and Biophysics.