수은이나 카드뮴 같은 중금속이 효소의 입체 구조를 영구적으로 망가뜨리는 생화학적 독성 원리는 무엇인가요?

Question

수은이나 카드뮴 같은 중금속은 몸에 한 번 들어오면 배출되지 않고 치명적인 질환을 유발합니다. 이들 전이 금속 이온이 효소의 입체 구조를 영구적으로 망가뜨리는 생화학적 독성 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

수은, 카드뮴, 납 같은 전이 금속 및 중금속 이온이 몸속에 들어와 치명적인 질환을 유발하는 생화학적 원리는 단백질의 3차원 골격을 지탱하는 화학 결합을 끊어버리고, 필수 미네랄 이온을 강제로 쫓아내어 효소를 영구 마비시키기 때문입니다. 이와 관련하여 설명해 드리게요.

모든 효소는 복잡하게 접힌 3차원 입체 구조를 형성해야만 특정 기질과 결합하여 촉매 작용을 할 수 있는데, 이 3차원 구조를 단단히 묶어주는 핵심 다리가 바로 아미노산에 포함된 티올기와 디설파이드 결합입니다. 여기에 중금속이 침투하면 소의 정교한 3차원 구조가 찌그러지고 활성 부위가 일그러지면서 효소로서의 기능을 완전히 잃어버리는 비가역적 변성이 일어납니다.

또한, 중금속은 효소 자체를 망가뜨릴 뿐만 아니라, 세포의 자생 방어망까지 무력화합니다. 세포 내 대표적인 항산화 물질인 글루타치온은 중금속이 글루타치온에 모조리 들러붙어 세포의 항산화 방어막을 순식간에 고갈시킵니다.

Answer 2

안녕하세요. 수은이나 카드뮴 같은 중금속의 독성은 단순히 효소의 입체 구조를 물리적으로 망가뜨리는 것은 아니며, 단백질의 특정 작용기와 강하게 결합하여 효소의 구조와 기능을 동시에 방해하는 데서 비롯됩니다. 이때 특히 중요한 표적이 시스테인의 황 원자인데요, 수은 이온은 황에 대한 친화력이 매우 높아 단백질의 황화수소기와 강하게 결합합니다. 카드뮴도 시스테인과 같은 황 함유 작용기 및 일부 금속 결합 부위에 결합할 수 있는데요, 이 결합이 일어나면 단백질 내부의 정상적인 상호작용이 깨지면서 효소의 3차원 구조가 변하고, 활성 부위의 형태가 달라져 기질을 제대로 결합하지 못하게 됩니다. 또한 일부 효소는 아연, 철 등 특정 금속 이온을 보조인자로 필요로 하는데, 중금속이 이 금속 결합 부위에 들어가 정상적인 금속 이온을 밀어내거나 결합 환경을 교란할 수도 있습니다. 이 경우 효소의 촉매 기능이 크게 떨어집니다.

중금속이 특히 위험한 이유는 효소뿐만 아니라 항산화 방어체계도 손상시킬 수 있기 때문인데요, 예를 들어 글루타티온과 같은 세포 내 항산화 물질과 결합하거나 고갈시키면 활성산소를 제거하는 능력이 감소하고, 결과적으로 단백질, 지질, DNA에 산화적 손상이 증가할 수 있습니다.

감사합니다.