신체 내의 금속 효소들은 산소를 활성화시켜 탈포밀화 반응을 수행함으로써 중요한 생리 대사 기능을 수행한다. 가장 널리 알려진 단핵의 시토크롬 P450 효소는 남성호르몬인 안드로젠의 알데하이드 그룹을 제거함으로써 여성호르몬인 에스트로겐으로 전환하는 반응의 촉매다. 그리고 이핵의 금속 중심을 가지는 남세균 알데하이드 탈포밀화 산소화효소는 지방산의 환원과정에서 형성되는 지방알데하이드를 탈포밀화시켜 포화탄화수소로 전환시킨다. 이와 같이 탈포밀화 반응은 생체 내에서 없어서는 안 될 필수적인 반응이다. 

위의 두 효소의 작용기전에 대해 많은 생물학자들이 공통적으로 알데하이드의 금속-퍼옥소종이 카보닐 그룹을 친핵성 공격해 ‘금속-퍼옥시헤미아세탈’ 복합체를 형성해 반응이 진행되는 경로를 제안했지만, 활성 중간체를 분리해내지 못해 존재를 확인한 적은 없었다.

이처럼 그동안 이론적 존재 가능성만 확인됐던 활성 중간체가 실험을 통해 최초로 확인됐다. 이 물질은 성 호르몬을 바꾸는 화학반응(탈포밀화 반응)의 중간 단계 물질로, 빠르게 생겼다 사라져 포착이 어려웠다. 실험에서는 탈포밀화 반응의 새로운 화학반응 경로도 밝혀냈다. 탈포밀화 반응을 촉진하거나 늦추는 방식을 통한 성 호르몬 조절 약물 등의 개발에 도움이 될 전망이다. 

UNIST(총장 이용훈) 화학과 조재흥 교수팀은 알데하이드 탈(脫)포밀화 반응 의 활성 중간체인 ‘퍼옥시헤미아세탈 복합체’를 분리해내는 데 성공했다. 탈포밀화 반응은 알데하이드계 물질의 포밀기 부분이 분리되는 화학반응이다. 남성호르몬이 여성호르몬으로 바뀌는 등의 주요 생체 대사, 원유 정제 과정 중 알데하이드를 휘발유나 천연가스로 변환하는 화학공정에서 탈포밀화 반응이 일어난다.  

연구팀은 생체효소 모방 물질인 ‘코발트-퍼옥소종’을 이용해 분리 가능한 ‘코발트-퍼옥시헤미아세탈 복합체’를 합성해 냈다. 저온실험으로 코발트-퍼옥소종과 알데하이드를 반응시켜 코발트-퍼옥시헤미아세탈 복합체를 분리해 내고, 이 복합체의 각종 분광학적 특성을 최초로 분석했다. 

특히, 분석을 통해 퍼옥시헤미아세탈 복합체가 기존 제안된 이론과는 다른 방식으로 생성된다는 사실을 밝혀냈다. 실제 분리된 복합체를 분석한 결과 알데하이드의 카보닐기 부위가 코발트-퍼옥소종이 이루는 산소-산소 결합 사이에 삽입되는 방식으로 복합체가 만들어졌다. 기존에는 코발트-퍼옥소종이 카보닐작용기 부위를 공격해 복합체가 형성된다고 알려져 있었다.

조재흥 교수는 “주요 생리대사 반응인 탈포밀화 반응의 중간체를 최초 분리해 그 특성을 알아냈을 뿐만 아니라 이론적으로 제시됐던 기존 반응 경로와는 또 다른 반응 경로를 확인했다는 점에서 학술적으로 큰 의미가 있다”고 설명했다. 

조 교수는 이어 “향후 호르몬의 전환을 조절하는 연구나 원유 정제 과정 중 알데하이드를 가스나 휘발유로 바꾸는 생체효소 모방 촉매 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

한편, 연구팀은 네덜란드 라드바우드대(Radboud University) 로이토바(J. Roithová) 교수팀과 함께 극저온 분석과 계산화학 기법을 통해 중간체 생성 반응경로를 이전에 제시된 경로와 비교 분석하는 연구도 수행했다. 

이번 연구는 조재흥 교수 연구팀 손영진 학생(DGIST 파견연구원)이 제 1저자로 참여했다. 연구결과는 화학분야 저명 국제학술지인 ‘미국화학회 골드지(JACS Au)’에 10월 6일자로 온라인 게재됐다. (논문명: Spectroscopic Evidence for a Cobalt-Bound Peroxyhemiacetal Intermediate)

연구 수행은 한국연구재단이 주관하는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구자)의 지원으로 이뤄졌다. 

이명아 기자 다른기사 보기