카로티노이드

카로티노이드는 다수의 공액이중결합을 갖는 선형 색소로서 주로 400~500 nm 영역의 빛을 흡수하기 때문에 주황색을 띤다. 산소 유무에 따라서 카로틴과 크산토필로 나뉜다. 광합성 생물에서 광합성 기구를 구성하는 광계1과 2, 그리고 시토크롬 b₆/f 복합체에서 발견된다. 흡수된 빛 에너지를 엽록소로 전달하는 보조색소 기능과 광합성 기구의 광보호 기능을 갖고 있다.

목차

카로티노이드 생합성 경로는 거의 대부분 식물에서 유사하다.¹⁾ 이소프레노이드 일종인 카로티노이드는 색소체의 MEP(2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate) 경로에서 시작한다. MEP 경로는 글리세르알데히드-3-인산과 피르부산 간의 반응으로 시작되며, 이어서 이소펜테닐 이인산(IPP)과 디메틸알릴 이인산(DMAPP)이 생성된다. 세 분자의 IPP와 1분자의 DMPP가 중합되어 20개 탄소 화합물인 제라닐-제라닐 이인산(GGPP)이 생성된다. 이어서 카로티노이드 생합성의 조절단계인 2분자의 GGPP가 파이토엔 합성효소(phytoene synthase, PSY)에 의해서 파이토엔이 생성된다. 파이토엔 불포화효소(phytotene desaturase)와 제타 카로틴 불포화효소(ζ-carotene desaturase)가 관여하는 반응을 통해서 리코펜(lycopene)이 형성된다. 리코펜에서 루테인이나 베타카로틴이 생성되는데, 리코펜 베타-고리화효소(lycopene beta-cyclase)가 리코펜의 양 끝에 베타-고리를 첨가하여 베타카로틴이 생성된다. 이어서 베타 고리에 베타-카로틴 수산화효소(beta-carotene hydroxylase)에 의해서 수산기가 첨가되면서 제아크산틴이 합성된다. 이어서 아스타크산틴, 캔사크산틴, 비올라크산틴이 베타카로틴 케톨라아제나 제아크산틴 에폭시화효소에 의해서 생성된다.

카로티노이드 생합성 및 분해 경로 (출처:한국식물학회)

베타 고리와 엡실론 고리가 리코펜의 양 끝에 도입되면 알파카로틴이 생성되며, 여기에 수산기가 첨가되면 루테인이 만들어진다. 광합성 생물에서 최종 카로티노이드의 종류와 분지 경로는 다양하다. 예를 들어 고등식물에서 제아크산틴은 비올라크산틴과 안테라크산틴과 같이 크산토필 회로를 형성하지만 대부분의 남세균에서는 제아크산틴만이 합성된다. 녹조의 일종인 헤마토코크스에서는 아스타크산틴이 발견되지만 클라미도모나스나 나노클로롭시스에서는 존재하지 않는다.

엽록소와 카로티노이드 비율을 일정하게 유지함으로써 광합성 기구를 유지/보존하기 위해서 카로티노이드는 생합성될 뿐만 아니라 분해도 되어야 한다. 효소 촉매에 의해 카로티노이드가 분해되면 테르페노이드 산물이 형성되는데 이를 아포카로티노이드(apocarotenoid)라 한다. 식물호르몬의 일종인 앱시스산이나 스트리고락톤, 그리고 아로마, 향미 원료물질로 사용되는 기화성 혹은 비기화성 화합물이 여기에 해당된다. 베타-이오논(beta-ionone)은 식물과 곤충의 상호작용에 관여하기도 한다.

애기장대에서 최소 9개의 카로티노이드 분해 효소가 알려져있다.²⁾ 이중 4개는 카로티노이드 절단 다이옥시게나제(carotenoid cleavage dioxygenase, CCD)이고 나머지 5개는 9-시스-에폭시카로티노이드 다이옥시게나제(9-cis-expoxylcarotenoid dioxygenase, NCED)이다. CCD7과 CCD8은 스티고락톤 생합성을, CCD1은 베타-이오논(beta-ionone) 생합성을, 그리고 NCED2/3/5/6/9은 앱시스산 생합성에 관여한다.

카로티노이드는 생합성 후 저장되기도 한다.³⁾ 카로티노이드 생합성은 엽록체에서 일어나는데 틸라코이드막에 엽록소-카로티노이드 단백질 복합체 형태로 축적된다. 광합성의 광수확복합체(LHCs)를 안정화시킬 뿐만 아니라 광계2 조립에 관여한다. 종자에서 발견되는 카로티노이드는 지방을 저장하는 색소체인 엘라이오플라스트(elaioplast, 유립체)에 집적된다. 과일의 잡색체(chromoplasts)에서도 카로티노이드가 막이나 스트로마에서 유체(oil bodies) 혹은 결정형 구조 형태로 다량 축적된다.  

1. Aguila Ruis-Sola M, Rodriguez-Concepcion M (2012) Carotenoid biosynthesis in Arabidopsis: A colorful pathway. The Arabidopsis Book, 10: e0158
2. Nisar N, Li L, Lu S 등 (2015) Carotenoidd metabolism in plants. Mol Plant, 8: 68-82
3. Sun T, Yuan H, Cao H 등 (2018) Carotenoid metabolism in plants: the role of plastids. Mol Plant, 11: 58-74