스쿠알렌

스쿠알렌(squalene)의 체계명은 (E)-2,6,10,15,19,23-hexamethyl-2,6,10,14,18,22-tetracosahexaene이다. 스피나센(spinacene)과 수프라엔(supraene)이라도 불린다. 분자식은 C₃₀H₅₀이고 분자량은 410.72 g/mol이다. 여섯 개의 아이소프렌 단위로 이루어졌고 모든 이중 결합은 트랜스 구조이다.

상어 간에 많이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 올리브 오일, 맥아 오일, 쌀겨 오일과 이스트에도 소량 포함되어 있다. 라노스테롤이나 콜레스테롤의 생합성 중간 물질이다. 밀도는 0.8584 g/mL, 어는점은 -75 ˚C, 끓는점은 0.15 mm Hg 기압에서 205 ˚C이다.

물에는 녹지 않으며, 알코올이나 아세트산에는 조금 녹고, 에터, 석유 에터, 아세톤에는 잘 녹는다. 오일이며 희미하지만 기분 좋은 냄새를 띤다. 산소를 흡수하면 산화되면서 변성되어 끈적거리게 된다. 살균제, 의약품 제조의 중간 물질, 유기 착색 물질, 고무 화학, 향료 그리고 표면 활성제로 사용한다.

목차

스쿠알렌의 생합성과 변환(출처:대한화학회)

이인산 파네실(farnesyl diphosphate), 스쿠알렌(squalene), 라노스테롤(lanosterol), 스테로이드(steroid)의 관계를 구조식으로 나타내었다.

동물과 식물 속에 여러 종류의 스테로이드 화합물들이 아주 소량 존재한다. 대부분의 스테로이드들은 우리 몸 속에서 호르몬으로 작용하기 때문에 일정한 양을 유지하여야 한다. 환원성 이량체화 반응(reductive dimerization)에 의해 탄소 15 개인 이인산 파네실(farnesyl diphosphate)가 스쿠알렌 (squalene)이라는 탄소 30개의 불포화 탄화 수소로 전환되고 두 개의 효소가 이 트라이테르펜(triterpene)을 라노스테롤(lanosterol)이라는 스테로이드로 변환시킨다. 이 과정은 매우 많은 연구가 이루어진 생합성 과정 중의 하나이다.

지금까지 알려진 스쿠알렌에서 라노스테롤을 거쳐 다른 스테로이드로 가는 과정은 다섯 단계로 요약할 수 있다.

제 1단계는 스쿠알렌이 스쿠알렌 에폭시화효소(squalene epoxidase)라는 효소에 의해 (3S)-2,3-옥시도스쿠알렌[(3S)-2,3-oxidosqualene]으로 산화되는 것이다. 스쿠알렌 에폭사이드의 2번과 3번 탄소는 뒤에 스테로이드 골격의 4번과 3번 탄소가 된다.

FADH₂와 산소(O₂)가 반응하여 플라빈 하이드로퍼옥사이드(flavin hydroperoxide)가 되고 스쿠알렌의 이중 결합이 친핵성 공격을 하여 산소 원자와 결합함으로써 에폭시화 반응이 시작된다. 3차 탄소양이온 중간물질이 에폭사이드 고리를 형성하면서 반응이 완결되는데, 실험실에서 수행하는 이중 결합의 과산화산에 의한 에폭사이드 반응과 비슷한 메커니즘이다. 한편 플라빈 하이드로퍼옥사이드에서 유리된 플라빈 알코올은 NADPH에 의해 FADH₂로 된다.

라노스테롤 합성 (출처:대한화학회)

두 번째는 고리화 단계인데 옥시도스쿠알렌 e-라노스테롤고리화효소(oxidosqualene-lanosterol cyclase)라는 효소에 의해 시작한다. 스쿠알렌 골격이 효소에 의해 접혀져서 여러 개의 이중 결합이 연속적인 분자내 친전자성 첨가 반응을 하기 알맞은 형태로 배열된 후, 프로토스테롤 양이온( protosterol cation)이라는 중간물질을 생성한다. 네 개의 새로운 C-C 결합이 생성되면서 동시에 4 고리 체계를 구축한다. 4 개의 새로운 결합을 살펴보면 A 고리에서 C4-C5 결합, B 고리에서 C9-C10결합, C 고리에서 C8-C14결합, D 고리에서 C13-C17결합이다.

세 번째 단계는 탄소양이온 자리옮김 반응에 의해 라노스테롤 골격을 완성하는 것이다. C17에서 C20, C13에서 C17로 H가 각각 이동한다. C14에서 C13으로 CH₃ 는 윗면 (β face)에서 이동하며 C8에서 C14로 CH₃는 아랫면 (α face)에서 이동한다. 모든 이동은 [1,2]-이동이다.  

네 번째 단계는 C9에서 H⁺를 제거하여 C8=C9 이중결합을 형성함으로써 라노스테롤 합성을 완결하는 것이다. 이 화합물에는 입체중심이 7개나 있지만 오직 하나의 입체이성질체만 생성한다.  

다음 과정은 라노스테롤이 여러 단계 반응으로 콜레스테롤(cholesterol)로 변화되는 것이다. 이때 3 개의 CH₃ 원자단이 제거된다. 이 콜레스테롤은 다른 여러 가지의 스테로이드 유도체를 합성하는 출발 물질로 작용한다.

스쿠알렌의 변환 과정2 (출처:대한화학회)

한편, 혈액 내의 콜레스테롤 수치를 줄이는 많은 의약품이 있는데, 이 약들은 콜레스테롤 생성합성의 초기 단계에서 작용한다.  

The Merck Index 13th edition.

Organic Chemistry 8th edition, John E. McMurry.

Organic Chemistry 6th edition, Structure and Function, Peter Vollhardt and Neil Schore.

Organic Chemistry 2nd edition, Janice Gorzynski Smith.