산화질소

산화질소(nitric oxide, ·NO; nitrogen oxide 혹은 nitrogen monoxide라고도 함)은 무색의 가스이며 질소가 산화된 형태의 화합물이다. 기본적으로 산화질소는 자유 라디칼로서 화학구조 내에 짝을 이루지 않은 전자(unpaired electron; ·NO에서 점을 의미함)를 포함한다. 산화질소는 또한 이종핵 이원자 분자(heteronuclear diatomic molecule)이며 화학적 원자결합의 현대 이론을 이끌어 낸 중요한 분자이다. 세포 내에서 아미노산인 아르기닌으로부터 형성되고, 일종의 신호전달 물질로서 면역 작용, 혈관 확장 및 신호 전달 등의 다양한 생리 활성에 관여한다.

목차

산화질소(Nitric oxide)는 최소 단위의 질소 산화물로서 질소 한 분자에 산소 한 분자가 결합된 것으로 화학식은 NO이다.

산화질소는 세포 내에서 아미노산인 아르기닌으로부터 산화질소 합성효소(NOS; nitric oxide synthase)에 의해 생성될 수 있다. 산화질소 합성효소에는 크게 세 종류가 있는데 유도가 가능한 NOS (iNOS, inducible NOS; 제2형 NOS)와 항상 발현되는 NOS [constitutive NOS; eNOS (endothelial NOS; type III NOS)와 nNOS (neuronal NOS; type I NOS)]가 있다. 활성화된 산화질소 합성효소는 아르기닌의 질소 원자를 산화시켜 산화질소와 시튤린(citrulline)을 생성케 한다 (그림 1). 아르기닌은 수소이온과 산소와 NADPH 그리고 합성효소의 촉매작용에 의해 아르기닌의 질소원자를 산화시켜 히드록실 아르기닌을 형성되고, 연이어 산소와 NADPH와 합성효소에 의해 시튤린이 만들어지는데 이때 라디칼인 산화질소가 분출된다 (그림1).

그림 1. 아르기닌으로부터 산화질소의 생성. (출처: 한국분자·세포생물학회)

산화질소 합성효소는 산화질소 뿐만 아니라 NO₂, NO₃^-, N₂O₃ 등과 같은 다른 질소 산화물들을 생성할 수 있다 (그림 2). 생성된 질소 산화물은 외부 미생물의 물질 대사를 억제할 수 있는데, 이는 미생물에서 철이온(Fe)이 들어 있는 헴(heme) 구조의 효소를 산화시켜 기능을 억제함으로써 단백질 합성이나 DNA 증식 등을 막을 수 있기 때문이다.

한편, 산화질소는 라디칼인 O₂^-와 반응하여 ONOO^-를 형성할 수 있고, 이것은 수소이온과 반응하여 매우 유독한 히드록실(^.OH) 라디칼을 형성할 수 있다 (그림 2). 활성화된 대식세포는 이처럼 산화질소와 유독한 활성산소 산물들을 방출함으로써 특이적 또는 비특이적인 기작으로 표적 미생물이나 암세포들을 제거할 수 있다. 다른 한편, 산화질소는 세포내 신호 전달에 중요한 구아닐산고리화효소(guanylate cyclease)에 결합하여 활성을 조절할 수 있다. 이것은 이 효소가 산소가 결합할 수 있는 헴 구조를 지니고 있기 때문이다.

그림 2. 전구물질인 산화질소를 통해 생성되는 여러 가지 산화물질. (출처: 한국분자·세포생물학회)

포유동물 세포에서 산화질소는 다양한 생리적 병리적 반응에 매우 중요한 역할을 하는 신호전달 분자이다. 산화질소의 작용은 매우 광범위하여 인슐린 분비, 기도 확장, 혈압 조절, 조혈 작용과 신경 발달 등에도 기여할 수 있다. 과량이 분비되면 세포의 아폽토시스를 유발하기도 한다.

특히 산화질소는 혈관의 확장을 통한 혈류의 공급을 원활하게 하며 혈압을 낮춘다. 산화질소는 혈관 평활근 수축을 억제하고 혈소판 응집과 백혈구의 혈관 부착 등을 감소시킴으로써 혈관의 항상성 유지에 기여한다. 동맥경화증, 당뇨병, 고혈압 환자들은 산화질소 경로가 손상되어 있다는 보고가 있다. 한편 산화질소는 낮은 혈류 공급에 의한 손상으로부터 조직을 보호하기도 한다.

산화질소는 소화기 계통과 발기 조직의 평활근 질소활성뉴론(nitrergic neurons)에서 중요한 신경전달물질로도 기능한다.

산화질소는 면역계에서도 매우 중요한 방어 기작에 기능하며 면역세포의 다양한 활성을 매개한다. 대식세포는 미생물 침입이나 외부 자극에 노출되면 방어기작으로 산화질소를 합성하는 효소(iNOS)를 활성화하여 산화질소 분비를 촉진한다. 이때 산화질소 생성을 위해서는 인터페론-γ (IFN-γ)와 종양괴사인자(TNF, tumor necrosis factor) 등의 협력이 필요하다. 분비된 산화질소는 자유라디칼로 작용하여 대식세포나 호중구(neutrophil) 내 감염된 세균이나 숙주세포 내 기생균 특히 레쉬마니아(Leishmania)와 말라리아 등에도 방어작용을 나타낸다. 산화질소는 감염된 미생물 뿐 아니라 암세포까지 사멸시킬 수 있다고 보고되었다.

또한 고온에서 질소와 산소가 만나면 생성되는 성질을 이용하여 산화질소는 화학공업에서 중요한 중간생성물로 연소가 필요한 시스템, 예를 들면 피스톤 엔진, 가스 터빈, 보일러 등에 사용되기도 한다.

1992년도 신경과학, 생리학과 면역학 분야에서 산화질소의 중요성이 인정되어 당해년도의 분자('Molecule of the Year')로 선정되었으며 1998년도에는 순환기계 신호전달분자로서의 산화질소 발견에 대한 공로로 노벨생리의학상이 수여되었다. 산화질소의 기능이 발견된지 100여년 만에 의학 연구 분야에서 유기 질산염을 기반으로 하는 제약품들[나이트로글리세린(nitroglycerine)과 아밀 나이트레이트(amyl nitrite)]들이 개발되어 이용되고 있다.

아르기닌(Arginine), 산화질소 합성효소(Nitric oxide synthaese), 질소 산화물(Nitrogen oxide)

Biochemistry (Lubert Stryer저, 6판), Immunology (Tizard저, 4판)