산화질소에 관하여

원광대 실습생 전재몽입니다.

오늘은 산화질소에 대하여 알아보겠습니다.

 

산화질소 합성효소와 산화질소의 생성

산화질소는 세포 내에서 아미노산인 아르기닌으로부터 산화질소 합성효소(NOS; nitric oxide synthase)에 의해 생성될 수 있다. 산화질소 합성효소에는 크게 세 종류가 있는데 유도가 가능한 NOS (iNOS, inducible NOS; 제2형 NOS)와 항상 발현되는 eNOS (endothelial NOS; type III NOS)와 nNOS (neuronal NOS; type I NOS)가 있다. 활성화된 산화질소 합성효소는 아르기닌의 질소 원자를 산화시켜 산화질소와 시튤린(citrulline)을 생성케 한다 (그림 1). 아르기닌은 수소이온과 산소와 NADPH 그리고 합성효소의 촉매작용에 의해 아르기닌의 질소원자를 산화시켜 히드록실 아르기닌을 형성되고, 연이어 산소와 NADPH와 합성효소에 의해 시튤린이 만들어지는데 이때 라디칼인 산화질소가 분출된다 (그림1).

 

그림 1. 아르기닌으로부터 산화질소의 생성. (출처: 한국분자·세포생물학회)

 

산화질소와 관련된 질소 산화물

산화질소 합성효소는 산화질소 뿐만 아니라 NO2, NO3-, N2O3 등과 같은 다른 질소 산화물들을 생성할 수 있다 (그림 2). 생성된 질소 산화물은 외부 미생물의 물질 대사를 억제할 수 있는데, 이는 미생물에서 철이온(Fe)이 들어 있는 헴(heme) 구조의 효소를 산화시켜 기능을 억제함으로써 단백질 합성이나 DNA 증식 등을 막을 수 있기 때문이다.

한편, 산화질소는 라디칼인 O2-와 반응하여 ONOO-를 형성할 수 있고, 이것은 수소이온과 반응하여 매우 유독한 히드록실(.OH) 라디칼을 형성할 수 있다 (그림 2). 활성화된 대식세포는 이처럼 산화질소와 유독한 활성산소 산물들을 방출함으로써 특이적 또는 비특이적인 기작으로 표적 미생물이나 암세포들을 제거할 수 있다. 다른 한편, 산화질소는 세포내 신호 전달에 중요한 구아닐산고리화효소(guanylate cyclease)에 결합하여 활성을 조절할 수 있다. 이것은 이 효소가 산소가 결합할 수 있는 헴 구조를 지니고 있기 때문이다.

그림 2. 전구물질인 산화질소를 통해 생성되는 여러 가지 산화물질. (출처: 한국분자·세포생물학회)

 

작용

포유동물 세포에서 산화질소는 다양한 생리적 병리적 반응에 매우 중요한 역할을 하는 신호전달 분자이다. 산화질소의 작용은 매우 광범위하여 인슐린 분비, 기도 확장, 혈압 조절, 조혈 작용과 신경 발달 등에도 기여할 수 있다. 과 량이 분비되면 세포의 아폽토시스를 유발하기도 한다.

생체에서 생성되는 NO는 다양한 생물학적 기능을 하고 있어 신경전달물지로, 평활근의 이완작용 혹은 면역원으로 작용한다. 그리고 피부에서도 정상적인 조절기능과 질병에 반응하는 신호의 역할하고 있다.

표피의 주세포인 각질세포에는 NO를 생성하는 NOS1(NO Synthetase1)효소를 갖고 있으며 섬유모세포와 다른 피부세포는 Isoform NOS3를 발현시킨다. 그런가 하면 조건에 따라서는 피부의 모든 세포가 Isoform NOS2를 유도할 수 있다.

NOS2는 건선이나 염증과 깊은 관계가 있으며 자체적으로 생성하는 낮은 NO가 피부의 수분을 유지하고 상처를 보호하는 장벽의 역할을 제대로 할 수 있다. 높은 NOS의 활성은 혈액의 흐름을 원활히 하며 자외선에 노출, 혹은 상처의 회복에 적절하게 대응할 수 있다.

자외선에 노출되어 NO가 방출되면 종양과 홍반을 일으키고 면역이 억제되는 역할도 있다. 반면에 자외선에 노출 때문에 각질세포가 사멸하는 것을 NO가 방어한다고 보고 있다.

최근 인체의 여러 조직에서 NO의 역할이 다양하게 발견되고 있으며 또 NO를 생성하는 효소의 Isoform도 여러 개가 소개되고 있어 이러한 신경전달물질이 얼마나 중요한가를 보여주고 있다.

 

혈관 이완 작용

특히 산화질소는 혈관의 확장을 통한 혈류의 공급을 원활하게 하며 혈압을 낮춘다. 산화질소는 혈관 평활근 수축을 억제하고 혈소판 응집과 백혈구의 혈관 부착 등을 감소시킴으로써 혈관의 항상성 유지에 기여한다. 동맥경화증, 당뇨병, 고혈압 환자들은 산화질소 경로가 손상되어 있다는 보고가 있다. 한편 산화질소는 낮은 혈류 공급에 의한 손상으로부터 조직을 보호하기도 한다.

 

신경전달물질

산화질소는 소화기 계통과 발기 조직의 평활근 질소활성뉴론(nitrergic neurons)에서 중요한 신경전달물질로도 기능한다.

 

면역 방어 작용

산화질소는 면역계에서도 매우 중요한 방어 기작에 기능하며 면역세포의 다양한 활성을 매개한다. 대식세포는 미생물 침입이나 외부 자극에 노출되면 방어기작으로 산화질소를 합성하는 효소(iNOS)를 활성화하여 산화질소 분비를 촉진한다. 이때 산화질소 생성을 위해서는 인터페론-γ (IFN-γ)와 종양괴사인자(TNF, tumor necrosis factor) 등의 협력이 필요하다. 분비된 산화질소는 자유라디칼로 작용하여 대식세포나 호중구(neutrophil) 내 감염된 세균이나 숙주세포 내 기생균 특히 레쉬마니아(Leishmania)와 말라리아 등에도 방어작용을 나타낸다. 산화질소는 감염된 미생물 뿐 아니라 암세포까지 사멸시킬 수 있다고 보고되었다.

 

참고문헌

Biochemistry (Lubert Stryer저, 6판), Immunology (Tizard저, 4판)