2차대사산물

광합성이나 호흡같이 식물의 생명 유지에 반드시 필요한 대사를 '일차대사' 라 하며, 이 때 관여하는 탄수화물, 지방, 단백질, 뉴클레오타이드와 같은 물질을 '일차대사산물'이라고 한다. 반면, 식물은 생명유지에 직접적인 역할을 하지 않으나 특정 기능이 있는 물질을 생산하는데, 이와 관련된 대사과정을 '이차대사'라 하며, 이차대사과정을 거쳐 생성된 물질들을 '이차대사산물'이라고 한다¹⁾²⁾.

일반적으로 식물의 광합성(photosynthesis), 호흡(respiration), 성장(growth) 및 발달(development)에 관여하는 물질을 일차대사산물이라 부른다. 여기에는 아미노산, 염기, 탄수화물, 지방산 등이 속해있다. 이러한 일차대사산물에 포함되지 않는 물질을 2차대사산물이라 불렀는데, 오랜 기간 1차대사산물 합성 및 생명 활동의 부산물로 여겨졌다. 하지만 지금은 2차대사산물이 초식곤충이나 병원균으로부터 식물을 방어하고, 수분매개자를 유인하고, 종자를 널리 퍼트리거나 다른 식물과의 관계에서 중요한 역할을 하는 등 매우 중요한 역할들을 수행한다는 것이 알려지고 있다. 특히 2차대사산물은 인류 생활에 필수적인 기호품, 의약품, 화장품 등을 만드는데 사용되는 중요 물질이다.   

이차대사산물들은 특정시기에 특정 조직이나 기관에서 다양하게 생성되는데, 이들은 크게 페놀화합물, 테르페노이드, 알칼로이드의 파생화합물로 나뉘며, 약 10만여종이 알려져 있다³⁾.

식물의 생존을 위한 방어, 유인, 경쟁에 관여한다고 알려진 이들 물질은, 의약. 향료, 색소 등 인간 생활에도 그 유용성이 알려지면서 이 분야의 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.

목차

벤젠의 수소원자 1개가 하이드록실기(-OH)로 치환된 하이드록시 벤젠을 기본으로 하는 화합물을 페놀화합물이라 한다. 방향족 고리에 붙어있는 하이드록시 기가 1개인 경우 모노페놀, 두 개 이상의 경우를 폴리페놀이라고 한다. 식물체에 가장 많이 포함된 페놀화합물은 화학적 성질에 따라 몇가지로 나누어지는데, 구조의 극성에 따라 카르복시기나 배당체를 가지고 있는 수용성 페놀과 비극성으로 유기용매에만 용해되는 페놀이 있다. 페놀화합물은 시킴산 경로와 메발론산 경로를 통해 생성되는데, 대부분의 경우 시킴산 경로를 통해 생성된다³⁾.

모노페놀은 유관속 식물에 광범위하게 존재하며 다양한 기능을 가지고 있으며 관속식물에 광범위하게 나타나나다. cinammic acid, coumaric acid, caffeic acid, ferulic acid, chlorogenic acid, quinic acid, chlorogenic acid, tannin 등의 물질이 모노페놀에 속하며 이들은 식물상호간에 타감작용을 나타내거나 동물에 대한 방어 기능을 하는 물질로 작용한다³⁾.

폴리페놀은 수산기를 2개이상 가지고 있는 물질로서 생체에서 항산화작용을 하는 것으로 알려져있다. 페닐프로파노이드(phenylpropanoid), 퀴논(quinone), 플라보노이드(flavonoid), 피론(pyrone), 탄닌(tannin) 등이 이에 속하며 녹차에 들어있는 카테킨류, 커피에 포함되어있는 chlorogenic acid 등이 있으며, 딸기, 가지, 포도, 검은 콩, 팥 등의 적자색의 안토시아닌계 색소 등도 모두 폴리페놀 화합물이다³⁾.

카페익산 (출처:식물학회)

식물의 이차대사산물중에 가장 종류가 많은 테르페노이드는 테르펜의 탄화수소에 산소원자가 결합된 물질이다. 테르펜은 그 구성단위가 다섯개로 구성된 이소프렌(C₅H₁₈)으로서, acetyl CoA로부터 메발론산 경로를 거쳐 생합성된다.

테르펜은 지용성으로 독특한 향과 쓴 맛을 내며 항암효과가 있다고 알려져있다. 피톤치드, 아로마향 등 식물 유래 방향성 물질의 주종을 이루며, 카로티노이드 색소도 이에 속한다³⁾.

식물호르몬인 지베렐린(gibberellins), 사이토키닌(cytokinins), 브라시노스테로이드(brassinosteroids), 앱시스산(abscisic acids) 등이 테르펜 생합성 과정을 통해 만들어진다.

테르페노이드 계열의 이차대사산물인 택솔(taxol)의 구조 (출처: )

알칼로이드는 일반적으로 수용성이며, 식물의 유기물 중 ‘알칼리와 같은 물질’이라는 의미에서 유래한다. 동물에서 강한 생리활성 물질로 작용하며 질소를 포함하는 유기물로서 코카인, 니코틴, 모르핀 등이 잘 알려져있다. 알칼로이드 화합물은 대부분 쓴 맛을 지니며, 유리상태나 유기산과 결합된 염의 형태로 존재한다. 유리형 알칼로이드는 결정 및 액상으로 유기용매에는 녹으나 대부분 물에 녹지 않지만 알칼로이드염은 수용성으로 유기용매에 녹지 않는 특성을 가진다.

알칼로이드는 자연계에 약 3,000여종이 알려져 있으며, 기본염기를 중심으로 pyrrolidine alkalod, piperidine alkaloid, pyridine alkaloid, phenethylamine alkaoid, isoquinoline alkaloid, amaryllidaceous alkalod, indole alkaloid 등 7가지로 나눈다. 그 외 스테로이드계, 퓨린 염기 및 동물 기원의 알칼로이드도 존재한다³⁾.

알칼로이드 계열의 이차대사산물인 솔라닌의 구조 (출처: )

시킴산 경로는 방향성 물질 또는 그 축합체들을 형성하는 과정으로 이차대사산물 합성의 매우 중요한 대사과정이다. 시킴산은 5탄당 인산회로에서 만들어지는 PEP와 해당작용에서 만들어지는 DE4P로부터 합성된다. 시킴산은 chorismic acid를 경유하여 tryptophan phenylalanine, tyrosine 과 같은 방향성 아미노산을 합성한 다음 이 아미노산들로부터 indole 등의 기본 물질을 만들어 각종 페놀화합물들과 플라보노이드, 알칼로이드를 생합성하게 된다.

메발론산 경로는 식물의 생화학적 방어물질은 테르펜을 생합성하는 과정이다. 테르펜은 탄수화물 등이 해당과정을 거쳐 acetyl-CoA 3분자가 HMG-CoA로 전환되 후 C6인 메발론산(mevalonic aicd, MVA)을 형성한 다음 mevalonate phyrophosphate를 경유하여 isopentenyl pyrophosphate(IPP)가 된다. 이후 IPP는 dimethylallyl pyrophosphate(DAPP)가 되거나 C5 단위를 첨가하여 이들로부터 이소프렌을 기본단위로 하는 다양한 테르펜이 생합성된다³⁾.

식물의 지방산 합성경로이다. 지방산과 polyketide 화합물은 acyl 단위가 malony 단위와 축합을 반복함으로써, C16 혹은 C18의 직선사슬의 carboxyl acid 인 팔미트산, 스테아릭산 등의 지방산 사슬이 만들어진다. 이 과정은 지방산 합성 효소에 의해 진행되며, 아세틸-CoA 와 malony-CoA가 기질로 이용된다³⁾.

C6~C3 화합물이라 불리우는 방향성 물질인 cinnamic acid 유도체, coumarin 유도체, 리그난 및 리그닌 등의 페닐프로파노이드를 생합성하는 과정이다. 이들 물질들은 시킴산 경로에서 생성된 방향성 아미노산인 페닐알라닌과 티로신을 경유한 coumaric aicd 로부터 생합성되며 궁극적으로 리그닌을 합성한다³⁾.

플라보노이드는 플라본을 기본구조로 하는 황색계열 색소로서 페닐기 2개가 C3 사슬을 매개로 결합한 탄소 15개로 구성된 C6~C3~C6 형 탄소골격구조로 되어 있다. 플라보노이드는 아세트산과 시킴산을 경유하여 생성된 방향성 아미노산인 L-페닐알라닌으로부터 생성된 coumaryl-CoA와 acetyl-CoA를 경유한 칼콘(Chalcone)으로부터 생합성된다³⁾.

대부분의 알칼로이드는 방향족 아미노산으로부터 생성되는데, 시킴산을 경유한 트립토판, 페닐알라닌, 티로신 등에서 대부분 유도된다. 지방족 아미노산으로부터 생산되는 알칼로이드는 트로판, 니코틴 등 소수이다. 일반적으로 인돌알칼로이드로 불리는 트립토판 유래의 알칼로이드는 tryptamine 과 secologanin이 축합되어 생성된 strictosidien 배당체를 경유하여 인돌알칼로이드인 ajmalicine 및 catharanthine 등이 생성된다. 페닐알라닌과 티로신에서 유도되는 알칼로이드에는 adrenaline, mescaline 및 ephedrine 등이 있으며, 특히 티로신으로부터 도파민을 경유하여 유도되는 모르핀이 있다³⁾.

1. 김우택, 권지안, 고재흥 등 역 (2016) 식물분자생명과학. 월드사이언스
2. 전병욱, 김성룡 역 (2017) 식물 생리와 발달(제6판). 라이프사이언스
3. 한태진 (2011) 응용식물학. 월드사이언스
4. Alan Crozier, Michael N. Clifford, Hiroshi Ashihara (2007) Plant Secondary Metabolites: Occurrence, Structure and Role in the Human Diet. Blackwell Publishing Ltd.
5. Wittstock U, Gershenzon J (2002) Constitutive plant toxins and their role in defense against herbivores and pathogens. Current Opinion in Plant Biology, 5266: 264-9