헴

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헴

[ Heme ]

헴은 포르피린 고리에 철이온이 함유되어 있는 물질이다. 헴은 헤모글로빈(hemoglobin)의 주요 성분으로 알려져 있으며, 많은 금속단백질(metalloprotein)이 헴을 보결단(prosthetic group)으로 가지고 있다. 헴을 보결단으로 가진 단백질을 특히 헴단백질(hemoprotein)이라고 한다. 헤모글로빈 이외에도 헴은 미오글로빈(myoglobin), 시토크롬(cytochrome), 카탈라아제(catalase), 퍼옥시다제(peroxidase) 등 생물학적으로 중요한 효소의 보결단으로 작용한다1)2). 헴의 어원은 혈액을 의미하는 그리스어인 "haima"에서 유래하였다.

목차

  1. 1.기능
  2. 2.헴의 종류
  3. 3.합성
  4. 4.헴과 건강
  5. 5.관련용어
  6. 6.집필
  7. 7.감수
  8. 8.참고문헌

기능

헴단백질은 산화환원반응에서 전자전달, 생체 조직 사이의 산소 전달, 각종 화학반응에서 촉매 역할 등 다양한 생물학적 기능을 가지고 있다. 헴의 철 이온은 전자전달 과정에서 전자 공급원으로 작용한다. 대표적인 헴단백질인 헤모글로빈은 산소의 농도가 높을 경우에는 산소와 더 높은 결합력을 지니고, 반대로 조직에서 산소의 농도가 낮을 경우에는 산소와 결합력이 급격히 낮아지는 특징을 가지고 있다. 이러한 특징은 헤모글로빈의 독특한 4차구조에 기인하며, 산소의 전달에 매우 중요한 특성이다3).

헴의 종류

  • 생물학적으로 중요한 헴에는 A, B, C, O가 있다. 가장 일반적인 형태의 헴은 B형이고, A형 헴은 B형으로부터 합성된다. 시토크롬은 A형 헴을 지니고 있다. 그림은 철-포르피린의 B형 헴 소단위체의 구조이다.
  • B형 헴의 유도체인 I형 헴(heme I)은 락토퍼옥시다아제(lactoperoxidase) 등 다양한 퍼옥시다아제와 공유결합을 한다. 락토퍼오식다아제의 225번 아미노산인 아스파탐산과 375번 아미노산인 글루탐산에 퍼옥사이드(peroxide)가 첨가되면, 헴의 1번과 5번 메틸기와 두 아미노산 잔기 사이에 에스테르 결합이 형성된다4). 락토퍼옥시다아제는 폐에 침입한 병원균을 제거하는 기능이 있다5). 

철-포르피린의 B형 헴 소단위체의 구조 (출처: )

  • 또 다른 B형 헴의 유도체인 M형 헴(heme M)은 포유동물의 호중구에 있는 미엘로퍼옥시다아제(myeloperoxidase)에 존재하며, 미엘로퍼옥시다아제는 세포에 침입한 세균과 바이러스를 분해한다6)7).
  • D형 헴(heme D)과 S형 헴(heme S) 또한 B형 헴의 유도체이며, D형 헴은 세균에서, S형 헴은 해양 연충류의 헤모글로빈에서 발견된다8).
  • 싸이토크롬(시토크롬, cytochrome)은 각각의 싸이토크롬이 지닌 헴의 종류에 따라 명명된다. 즉, A형 헴을 지니고 있으면 싸이토크롬 A, B형 헴을 지닌 싸이토크롬은 싸이토크롬 B라 명명한다. 

합성

헴의 생합성은 포르피린의 생합성 과정과 동일하며, 합성과정의 중간산물인 테트라피롤도 포르피린의 일종이다.

  • 피롤 고리는 글루탐산 경로와 글리신-숙신산 경로 중 하나의 경로에 의해 합성되며, 각 경로는 생물체에 따라 다르다. 글루탐산 경로는 대부분의 세균과 식물에 존재하며, 일반적인 단백질 합성에서와 같이 tRNA에 부착된 글루탐산기로부터 시작한다. 글리신-숙신산 경로는 자색세균(purple bacteria)와 효모 및 동물에 존재한다.
  • 두 경로에서 축합반응과 재배열과정을 통해 5-아미노레불린산(5-aminolevulinic acid, ALA)를 생성하고, 두 분자의 ALA가 포르포빌리노겐(porphobilinogen, PBG) 고리를 형성한다.
  • 4분자의 PBG는 deaminase의 작용으로 탈아민반응을 거쳐 축합되어 히드록시메틸 비란(hydroxymethyl bilane, HMB)을 형성하고, HMB가 가수분해되어 첫 번째 고리형 테트라피롤인 uroporphyrinogen III를 생성한다.
  • Uroporphyrinogen III은 생물학적으로 활성을 가진 테트라피롤(예; 프로토포르피린 IX)를 만드는 기본 골격으로 사용된다. 

테트라피롤의 생합성 (그림: 이한주/서울대)

헴과 건강

  • 헴은 헴 단백질의 헴 주머니(heme pocket)에 삽입되거나 방출되는 방법으로 항상성을 유지한다. 예를 들면, 산화적 스트레스를 받으면 헤모글로빈은 보결단에 있던 헴을 방출한다.
  • 과량의 헴은 단백질과 지질을 산화시키고 DNA를 손상시킬 수 있는 자유라디칼을 형성을 촉진하여 세포에 심각한 독성을 나타낼 수 있다.
  • 소와 돼지 같은 붉은 색 육류에는 닭 등의 흰색 육류에 비해 10배 이상의 헴을 포함하고 있다.

관련용어

자유라디칼(Free radical), 자색세균(purple bacteria), 효모(Yeast)

집필

신광수/대전대학교

감수

하남출/서울대학교

참고문헌

1. Paoli, M., Marles-Wright, J., and Smith, A. 2002. Structure-function relationships in heme-proteins. DNA Cell Biol. 21, 271–280. 
2. Alderton, W.K., Cooper, C.E., and Knowles, R.G. 2001. Nitric oxide synthases: structure, function and inhibition. Biochem. J. 357, 593–615. 
3. Ackers, G.K. and Holt, J.M. 2006. Asymmetric cooperativity in a symmetric tetramer: human hemoglobin. J. Biol. Chem. 281, 11441–11443.
4. Rae, T. and Goff, H. 1998. The heme prosthetic group of lactoperoxidase. Structural characteristics of heme l and heme l-peptides. J. Biol. Chem. 273, 27968–27977.
5. Purdy, M.A., Tenovuo, J., Pruitt, K.M., et al. 1983. Effect of growth phase and cell envelope structure on susceptibility of Salmonella triumphant to the lactoperoxidase-thiocyanate-hydrogen peroxide system. Infect. Immun. 39, 1187–1195. 
6. Ohshima, H., Tatemichi, M., and Sawa, T. 2003. Chemical basis of inflammation-induced carcinogenesis. Arch. Biochem. Biophys. 417, 3–11. 
7. Henderson, J.P., Byun, J., Takeshita, J., et al. 2003. Phagocytes produce 5-chlorouracil and 5-bromouracil, two mutagenic products of myeloperoxidase, in human inflammatory tissue. J. Biol. Chem. 278, 23522. 
8. Belevich, I., Borisov, V.B., Konstantinov, A.A., et al. 2005. Oxygenated complex of cytochrome bd from Escherichia coli: stability and photolability. FEBS Lett. 579, 4567–4570.

동의어

헴, heme, Heme, 헴(heme)