글루타치온

글루타치온(glutathione, GSH)은 글루탐산(glutamate), 시스테인(cysteine), 글리신(glycine) 세 개의 아미노산이 결합된 트리펩티드(tripeptide)이며 γ-L-glutamyl-L-cystenyl-glycine으로도 불린다. 시스테인의 thiol (-SH)기가 산화되어 이황화결합(disulfide bond)를 이루게 되면 산화형 글루타치온(GSSG) 형태로 존재하게 된다. 식물, 동물, 균류 및 일부 박테리아와 고균에서 중요한 항산화 물질로 알려져 있다.

글루타치온(GSH)의 화학구조 (출처: gettyimagesEDGE 147216798)

목차

세균에서 글루타치온의 생합성 경로는 시아노박테리아(cyanobacteria)와 프로테오박테리아(proteobacteria) 등 일부에서만 발견된다. 인간을 포함한 대부분의 진핵생물은 글루타치온을 생합성할 수 있으나 콩과식물, 엔트아메바, 편모충 등에서는 발견되지 않는다. 고균 중에서는 호염성세균(halobacteria)에서만 글루타치온 합성이 알려져 있다. 

세포는 글루타치온을 ATP 의존적인 2단계 반응을 통해 합성한다.

1단계: L-glutamate + cysteine + ATP → γ-glutamylcysteine + ADP (glutamate cysteine ligase, GCL)

2단계: γ-glutamylcysteine + glycine + ATP → glutathione + ADP (glutathione synthetase, GS)

γ-Glutamylcysteine를 생성하는 1단계 반응이 글루타치온 생합성의 속도 결정 단계이다. 동물의 GCL은 이종 2량체 효소로서 글루타메이트 시스테인 리가아제(GCL)는 촉매적 서브 유닛과 조절적 서브 유닛으로 구성된 이종 이량체 효소이다. 촉매 분자와 조절 분자로 나뉘며, 촉매 분자만으로도 효소 활성을 갖지만, 조절 분자가 존재함으로서 효소의 활성을 증가시킨다. 식물의 GCL은 동종 2량체 효소이다. 산화 조건에서 두 분자간에 이황화결합(disulfide bond)이 형성되면 GCL이 활성 상태로 전환되며 글루타치온 자체에 의해 피드백 억제를 받게 된다. 식물의 GCL은 색소체에만 존재하며, GS는 색소체와 세포질 모두에서 발견되므로 글루타치온과 γ-glutamylcysteine은 색소체에서 운반되어 오는 것을 알 수 있다. 

글루타치온 생합성 효소 반응 (그림: 김민규/한국원자력연구원)

글루타치온은 환원(GSH)과 산화(GSSG) 상태 모두 존재한다. 환원 상태에서, 시스테인의 thiol 그룹은 환원 당량(H⁺ + e^-)을 활성산소족에 전달하여 중화시키거나 단백질의 시스테인 잔기를 환원 상태로 유지시킬 수 있다. 전자를 공여함으로서 글루타치온은 반응성을 갖게 되고 다른 반응성 글루타치온과 이황화결합을 통해 산화 상태를 형성하게 된다. GSH는 글루타치온 환원효소(glutathione reductase, GSR)에 의해 GSSG로부터 재생될 수 있다. 건강한 세포와 조직에서 전체 글루타치온의 90% 이상이 환원 상태(GSH)이고 10% 미만이 산화 상태(GSSG)로 존재하기 때문에, GSSG: GSH 비율이 증가한 것은 산화 스트레스의 지표로 간주된다.

글루타치온은 다음과 같은 다양한 기능을 갖고 있다.

- 환원 상태의 glutaredoxin 및 glutathione peroxidase 수준을 유지시킨다.

- 프리라디칼과 활성산소족을 직접 중화시키는 주요 항산화물질로 작용하며 비타민C 또는 E와 같은 외인성 항산화물질을 활성 상태로 유지하는 역할을 한다.

- 산화질소(nitric oxide) 회로의 조절을 위해 citrulline 기능을 강화한다.

- DNA 합성 및 손상 복구, 단백질 합성, 프로스타글란딘(prostaglandin) 합성, 아미노산 수송, 효소활성화 등에 이용되어, 세포 내 다양한 대사에 관여한다.

- 철분 대사에 필수적이며, GSH가 고갈되거나 지나치게 높은 경우 철 결핍과 같은 반응을 보이고 소포체의 접힘을 억제하여 세포가 죽게 된다.

- 세포 사멸을 포함한 세포 주기의 진행에 관여한다. 글루타치온의 농도는 세포 분화 개시에 중요한 핵 단백질의 산화 환원상태를 조절한다.

박테리아, 고균, 시아노박테리아(cyanobacteria), 프로테오박테리아(proteobacteria) 

김민규/한국원자력연구원

이창로/명지대학교

1. Nelson, DL. and Cox, MM. Lehninger Principles of Biochemistry 5th Ed., FREEMAN.

2. Lu, SC. 2013. Glutathione synthesis. Biochimica et Biophysica Acta. 1830, 3143–3153.

3. Pompella, A. et al. 2003. The changing faces of glutathione, a cellular protagonist. Biochem. Pharmacol. 66, 1499–1503.