하이드록실화

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하이드록실화(영어: hydroxylation)는 화학에서 다음을 의미할 수 있다.

  • (1) 가장 일반적으로 하이드록실화는 하이드록실기(-OH)를 유기 화합물에 도입하는 화학 과정을 말한다.
  • (2) 하이드록실화의 정도는 분자 내에 하이드록실기(-OH)의 갯수를 나타낸다. 하이드록실화의 패턴은 분자 또는 물질에서 하이드록실기의 위치를 나타낸다.[1]

하이드록실화 반응[편집]

합성 하이드록실화[편집]

유기 화합물에 하이드록실기를 도입하는 것은 다양한 금속 촉매에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 많은 촉매들은 생체모방적이다. 즉, 사이토크롬 P450과 같은 효소에서 영감을 얻거나 모방하려 한 것이다.[2]

많은 하이드록실화가 O 원자를 C-H 결합에 도입하는 것인 반면, 일부 반응은 불포화 기질에 하이드록실기(-OH)를 첨가하는 것이다. 샤플리스 비대칭 다이하이드록실화는 이러한 반응으로 알켄을 다이올로 전환시킨다. 하이드록실기는 알켄의 이중 결합에 추가되는 과산화 수소에 의해 제공된다.[3]

생물학적 하이드록실화[편집]

생화학에서 하이드록실화 반응은 보통 하이드록실화효소(영어: hydroxylase)라고 불리는 효소에 의해 촉매된다. C-H 결합은 O 원자를 C-H 결합에 삽입함으로써 알코올로 전환된다. 일반 탄화수소의 하이드록실화에 대한 일반적인 화학양론은 다음과 같다.

2R3C-H + O2 → 2R3C-OH
R3C-H + O2 + 2e- + 2 H+ → R3C-OH + H2O

O2 자체는 느리고 비선택적인 하이드록실화제이기 때문에 반응 속도를 가속화하고 선택성을 도입하기 위한 촉매가 필요하다.[4]

하이드록실화는 보통 공기 중의 유기 화합물 분해의 첫 번째 단계이다. 하이드록실화는 친유성 화합물을 친수성 화합물로 전환시켜 이나 콩팥에서 더 쉽게 제거하고 배설시킬 수 있게 때문에 해독에서 중요하다. 일부 약물(예: 스테로이드 계통)은 하이드록실화에 의해 활성화 또는 불활성화된다.[5]

자연에서 주요 하이드록실화제는 사이토크롬 P450으로 수백 가지의 변형들이 알려져 있다. 다른 하이드록실화제로는 플라빈, α-케토글루타르산 의존성 하이드록실화효소 및 일부 이철 하이드록실화제가 있다.[6]

많은 철 촉매 하이드록실화를 설명하는 산소 재결합 메커니즘(oxygen rebound mechanism)의 단계: H-원자 추출, 산소 재결합, 알코올 분해.[4]

단백질에서의 하이드록실화[편집]

단백질의 하이드록실화는 번역 후 변형으로 일어나며 α-케토글루타르산 의존성 이산소화효소에 의해 촉매된다.[7] 분자가 하이드록실화되면 보다 더 수용성이 되어 분자의 구조와 기능에 영향을 미치게 된다. 리신, 아스파라진, 아스파르트산, 히스티딘과 같은 여러 아미노산들에서 일어날 수 있지만, 사람의 단백질에서 가장 자주 하이드록실화되는 아미노산 잔기프롤린이다. 이는 콜라겐이 우리 몸에 있는 단백질의 약 25~35%를 차지하고, 콜레겐의 아미노산 서열의 거의 모든 세 번째 잔기에 하이드록시프롤린을 포함하고 있기 때문이다. 콜라겐은 3-하이드록시프롤린과 4-하이드록시프롤린 잔기로 구성된다.[8] γ-탄소 원자에서 하이드록실화가 일어나서 하이드록시프롤린(Hyp)을 형성하여 산소의 강력한 전기음성 효과로 인해 콜라겐의 2차 구조를 안정화시킨다.[9] 프롤린의 하이드록실화는 또한 저산소증 유도인자를 통한 저산소증 반응의 중요한 구성 요소이다. 어떤 경우에는 프롤린이 β-탄소 원자 이외에서 하이드록실화될 수 있다. 리신은 또한 δ-탄소 원자에서 하이드록실화되어 하이드록시리신(Hyl)을 생성할 수 있다.[10]

이 세 가지 반응은 각각 매우 큰 다중 소단위체 효소인 프롤린 4-하이드록실화효소, 프롤린 3-하이드록실화효소 및 리실 5-하이드록실화효소에 의해 촉매된다. 이러한 반응은 산화를 수행하기 위해 철(뿐만 아니라 O2α-케토글루타르산도 필요함)을 필요로 하며, 아스코르브산(비타민 C)를 사용하여 철을 환원 상태로 되돌린다. 아스코르브산의 결핍은 프롤린의 하이드록실화의 결핍으로 이어져 안정성이 떨어지는 콜라겐을 형성하게 되어 괴혈병을 발병시킬 수 있다. 감귤류에는 비타민 C가 풍부하기 때문에 영국 선원들에게는 긴 바다 항해동안 괴혈병과 싸우기 위해 라임이 주어졌고, 이 때문에 영국 선원들은 라이미(limeys)로 불렸다.[11]

여러 내인성 단백질에는 하이드록시페닐알라닌과 하이드록시티로신 잔기가 포함되어 있다. 이러한 잔기는 페닐알라닌과 티로신의 하이드록실화로 인해 형성되며, 하이드록실화는 페닐알라닌 잔기를 티로신 잔기로 전환하는 과정이다. 이것은 살아있는 생물에서 과도한 양의 페닐알라닌 잔기를 조절하는 데 있어 매우 중요하다.[8] 티로신의 3번 탄소에서의 하이드록실화는 3.4-다이하이드록시페닐알라닌(DOPA)를 생성하며, 도파호르몬전구체이고 도파민으로 전환될 수 있기 때문에 티로신 잔기의 하이드록실화는 살아있는 생물에서 매우 중요하다.

같이 보기[편집]

각주[편집]

  1. Middleton, Elliott Jr; Kandaswami, Chithan; Theoharides, Theoharis C. (2000). “The Effects of Plant Flavonoids on Mammalian Cells: Implications for Inflammation, Heart Disease, and Cancer”. 《Pharmacological Reviews》 52: 673-751. 
  2. Jia, Chengguo; Kitamura, Tsugio; Fujiwara, Yuzo (2001). “Catalytic Functionalization of Arenes and Alkanes via C−H Bond Activation”. 《Accounts of Chemical Research》 34 (8): 633–639. doi:10.1021/ar000209h. PMID 11513570. 
  3. Kolb, Hartmuth C.; Vannieuwenhze, Michael S.; Sharpless, K. Barry (1994). “Catalytic Asymmetric Dihydroxylation”. 《Chemical Reviews》 94 (8): 2483–2547. doi:10.1021/cr00032a009. 
  4. Huang, X.; Groves, J. T. (2017). “Beyond ferryl-mediated hydroxylation: 40 years of the rebound mechanism and C–H activation”. 《JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry》 22 (2–3): 185–207. doi:10.1007/s00775-016-1414-3. PMC 5350257. PMID 27909920. 
  5. Cerniglia, Carl E. (1992). “Biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons”. 《Biodegradation》 3 (2–3): 351–368. doi:10.1007/BF00129093. 
  6. Nelson, D. L.; Cox, M. M. "Lehninger, Principles of Biochemistry" 3rd Ed. Worth Publishing: New York, 2000. ISBN 1-57259-153-6.
  7. Zurlo, Giada; Guo, Jianping; Takada, Mamoru; Wei, Wenyi; Zhang, Qing (December 2016). “New Insights into Protein Hydroxylation and Its Important Role in Human Diseases”. 《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Reviews on Cancer》 1866 (2): 208–220. doi:10.1016/j.bbcan.2016.09.004. ISSN 0006-3002. PMC 5138100. PMID 27663420. 
  8. T. Shantha Raju (2019), 〈Hydroxylation of Proteins〉, 《Co- and Post-Translational Modifications of Therapeutic Antibodies and Proteins》 (영어), John Wiley & Sons, 119–131쪽, doi:10.1002/9781119053354.ch10, ISBN 978-1-119-05335-4 
  9. Holmgren, Steven K; Bretscher, Lynn E; Taylor, Kimberly M; Raines, Ronald T (1999). “A hyperstable collagen mimic”. 《Chemistry & Biology》 6 (2): 63–70. doi:10.1016/S1074-5521(99)80003-9. PMID 10021421. 
  10. Hausinger RP (January–February 2004). “Fe(II)/α-ketoglutarate-dependent hydroxylases and related enzymes”. 《Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol.》 39 (1): 21–68. doi:10.1080/10409230490440541. PMID 15121720. 
  11. Voet, Donald; Voet, Judith G.; Pratt, Charlotte W. (2016). 《Principles of Biochemistry》. Wiley. 143쪽. ISBN 978-1-119-45166-2.