[논문]Flavone 유도체들의 Tyrosinase 저해활성화 반응에서 Hydroxyl 치환기들의 역할

박준호; 성낙도

doi:10.3839/jabc.2011.010

Flavone 유도체들의 Tyrosinase 저해활성화 반응에서 Hydroxyl 치환기들의 역할
The Roles of Hydroxyl Substituents in Tyrosinase Inhibitory Activation of Flavone Analogues 원문보기

Journal of applied biological chemistry, v.54 no.1, 2011년, pp.56 - 62

박준호 (카나다 퀸스대학교 생물학과) , 성낙도 (충남대학교 농업생명과학대학 응용생물화학과)

초록
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Tyrosinase 저해활성화 반응에 대한 polyhydroxy 치환된 flavone 유도체(1-25) 중, hydroxyl-치환기($R_1-R_9$)들의 역할을 이해하기 위하여 Free-Wilson 분석과 tyrosinase (PDB ID: Deoxyform (2ZMX) 및 Oxy-form; 1WX2)의 활성화 지점에 대한 분자도킹이 연구되었다. Free-Wilson 분석으로부터 $R_1-R_9$ 치환기중에서 $R_1$=hydroxyl 치환기가 tyrosinase 저해활성에 가장 큰 영향을 미치고 있음을 알았다. 기질분자의 hydroxyl 치환기들과 tyrosinase의 반응점 내 아미노산 잔기들 사이의 수소결합들은 안정한 기질-수용체 착 화합물을 형성하는데 기여하였다. 특히, 수소결합성에 기초한 비경쟁적 저해활성화 반응은 기질분자의 hydroxyl 치환기들과 tyrosinase의 반응점 내 peroxide 산소원자(Per404) 사이의 수소결합을 경유하여 일어날 것임을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Molecular docking of polyhydroxy substituted flavone analogues (1-25) as substrate molecules to the active site of tyrosinase (PDB ID: Deoxy-form (2ZMX) & Oxy-form (1WX2)) and Free-Wilson analysis were studied to understand the roles of hydroxyl substituents ($R_1-R_9$) in substrate molecules for the tyrosinase inhibitory activation. It is founded from Free-Wilson analysis that the $R_1$=hydroxyl among $R_1-R_9$ substituents had the strongest influence on the tyrosinase inhibitory activity. H-bonds between the hydroxyl substituents of substrate molecules and amino acid residues in the active site of tyrosinase were contributed to make a stable substrate-receptor complex compound. Particularly, it is proposed from the findings that the noncompetitive inhibitory activation would take place via H-bonding between peroxide oxygen (Per404) atom in the active site of tyrosinase and the hydroxyl substituents in substrate molecule.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 tyrosinase 저해활성화 반응에 관여하는 기질 분자로서 flavone 유도체(1-25) 중 치환기(R₁-R₉=OH)들의 역할을 정량적으로 이해하기 위하여 분자도킹 분석을 실행하고 그 결과들을 검토하였다.

제안 방법

97Å으로(Table 3) 킬래이트 형성이 가능함을 잘 설명하고 있다. kojic acid의 경우 뿐 아니라, 한 예로, Fig. 3에서와 같이 18번 화합물의 R₂=hydroxyl H원자와 peroxide (Per404)의 O원자 사이에 형성되는 수소결합에 기초하여 Scheme 1에는 tyrosinase oxy-form과 tyrosine과 같은 phenol성 기질 화합물과의 반응으로 bidentate까지 진행되는 일련의 비경쟁적인 저해반응 경로를 제안하였다.
앞서와 같이, 기질분자 중 hydroxyl-치환기들은 수용체의 반응점 내 구리원자와의 배위결합으로 인한 비경쟁적인 저해반응[Neeley 등, 2009]과 반응점 주변의 아미노산 잔기들 사이의 수소결합으로 인한 경쟁적인 저해반응[Mercedes 등, 2000]에 관여하여 안정한 기질-수용체 착 화합물 형성에 기여한다. 그러나 구체적으로 기질분자 중, 어떤 치환기(R₁-R₉)가 tyrosinase의 저해활성에 가장 큰 영향을 미치는지 그 기여순서를 파악하고자 Free-Wilson 분석을 실시하여 다음 (1)식을 얻었다.

대상 데이터

분자도킹 분석. 수용체로서 tyrosinase의 X-선 결정구조는 2009년초에 수정된 대장균(Streptomyces castaneoglobisporus: E. coil) 유래의 것으로 RCSB protein data bank (PDB)로부터 탐색된 deoxy-form (2ZMX)과 oxy-form (1WX2) 2가지를 이용하였다[Matoba 등, 2006]. Deoxy-form은 반응지점에 2개의 구리원자(Cu) 만이 존재하는 형태이고 oxy-form은 2개의 구리원자 사이에 산소원자가 과산화물 형태로 존재하는 구조이다.

데이터처리

Free-Wilson 분석. Polyhydroxy 치환된(R₁-R₉=OH) 기질분자로서 flavone 유도체(Fig. 1) (1-25)의 tyrosinase 저해활성값(Obs.pI₅₀)은 전보[Park과 Sung, 2010]의 값을 인용하였으며[Kim 등, 2006] Free-Wilson 분석(Kubinyi, 1993)은 SAS 프로그램 (Ver. 3.3)으로 계산하였다. 이 분석은 약물의 구조 등에 관련한 특성이 복수개의 정성적인 자료로 표현되었을 경우에 이것을 binary scale (0-1형)의 특성수량으로 변환하여 설명변수로서 사용하는 수량화 이론이다.
중회귀분석에서는 여러 독립 변수중에 어느 독립변수가 종속변수의 결정에 가장 크게 기여하는지를 알아보기 위하여 종속변수와 모든 독립변수를 표준화 시킨 다음에 이들 표준화된 변수를 가지고 중회귀분석을 실행하였다. 그리고 분배계수에 관련한 소수성상수(ClogP)는 Sybyl (Ver. 8.1.1) 프로그램으로 계산하였다.
도킹시에는 tyrosinase내에 모든 물 분자와 Caddie protein (ORF378)을 제거하고 flavone 유도체(1-25)를 도킹한다. 또한, 기질-수용체 상호작용과 활성화에 큰 영향을 미치는 수소결합장은 MOLCAD (molecular computer aided design) 프로그램(Sybyl Ver. 8.1)으로 실행하여 제시하였다.
생물활성과 같은 외적기준이 계량척도로 주어진 경우에 사용하는 유용한 방법이 수량화 이론 1류에 해당한다. 중회귀분석에서는 여러 독립 변수중에 어느 독립변수가 종속변수의 결정에 가장 크게 기여하는지를 알아보기 위하여 종속변수와 모든 독립변수를 표준화 시킨 다음에 이들 표준화된 변수를 가지고 중회귀분석을 실행하였다. 그리고 분배계수에 관련한 소수성상수(ClogP)는 Sybyl (Ver.

성능/효과

그 결과, 전기양성도가 큰 구리원자에 의한 배위결합(O-Cu)을 경유하는 강한 inductive effect로 인하여 기질분자의 hydroxyl group이 결합되었던 인접 ortho-위치의 탄소원자(Cα)가 큰 양하전을 띄게된다.
Table 2에는 tyrosinase 반응점 주변에 위치한 아미노산 잔기들의 특성을 요약하였다. 극성 아미노산 잔기(15개)와 비극성 아미노산 잔기(16개)의 구성 비율이 1:1로 어느 쪽에도 치우쳐 있지 않은 특성으로 인하여 tyrosinase 저해활성에서 소수성장의 기여비율(19%)이 크지 않았던 것으로 예상되었다.
Table 3에는 tyrosinase의 두 형태(deoxy-form 및 oxy-form)에 대한 기질 유도체들의 DS는 물론, 도킹시 구리원자 사이의 거리 및 반응점 주변의 기질-수용체 사이의 결합환경을 정리하였다. 대체로 deoxy-form에 대한 기질분자들의 DS, crash(음) 및 polar 값들은 oxy-form에 대한 값들보다 큰 값들을 나타내었다. 이는 기질분자들이 deoxy-form에 도킹이 잘 이루어지나 반응점에서 벗어나는 정도가 크다는 의미이다.
Oxy-form보다 deoxy-form에 대하여 상대적으로 polar값이 크다는 사실은 deoxy-form의 경우, 반응점의 전기양성적인 구리 원자에 음하전을 띄는 과산화 산소원자들이 존재하지 않으므로 기질분자의 전기음성적인 치환기들의 구리원자에 이끌리는 정도가 크기 때문으로 설명된다. 이에 기초하여 구리원자와 치환기들 사이의 거리는 oxy-form보다 deoxy-form에 대하여 매우 짧은 거리를 나타내었다. 왜냐하면, 음하전을 띄는 peroxide의 산소원자(Per404)와 치환기들 사이의 반발력이 존재하는 oxy-form의 경우에는 구리원자와 치환기 사이의 거리가 멀고 peroxide가 존재하지 않는 deoxy-form의 경우에는 구리원자와 치환기 사이의 거리가 가깝게 위치하기 때문이다.

후속연구

이상과 같은 분자도킹 분석으로부터 실제 화합물이거나 또는 가상 화합물의 구조에 대하여 tyrosinase 제해활성 반응의 유형을 예측할 수 있을 뿐만 아니라, 저해활성에 기여하는 flavone 분자내 치환기와 반응점 사이의 상호작용 형태와 구조적인 특성들을 이해할 수 있었으며 이에 근거하여 새로운 tyrosinase 제해성 화합물의 최적화는 물론, 분자설계에 유용하게 적용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	kojic acid의 저해반응성은 어떠한가?	잘 알려진 tyrosinase 저해제로서 kojic acid는 tyrosinase의 반응점 내 구리 원자와의 배위결합으로 비경쟁적인 저해반응성[Tokiwa 등, 2007; Neeley 등, 2009]을 나타낸다. 반면에, azelaic acid는 구리 원자와 결합하지 못하고 반응점 주변 아미노산 잔기들과의 수소결합으로 인한 경쟁적인 저해반응성을 나타낸다[Mercedes 등, 2000].
	tyrosinase 저해제 중에서 구리 원자와 결합하지 못하는 것은 무엇인가?	잘 알려진 tyrosinase 저해제로서 kojic acid는 tyrosinase의 반응점 내 구리 원자와의 배위결합으로 비경쟁적인 저해반응성[Tokiwa 등, 2007; Neeley 등, 2009]을 나타낸다. 반면에, azelaic acid는 구리 원자와 결합하지 못하고 반응점 주변 아미노산 잔기들과의 수소결합으로 인한 경쟁적인 저해반응성을 나타낸다[Mercedes 등, 2000]. 근래, tyrosinase의 X-ray 결정구조[Matoba 등, 2006]에 기초한 활성화 메카니즘은 물론[Kim과 Uyama, 2005], tyrosinase 저해제에 관련한 천연물 유래의 연구[Choi 등, 2008; Chen 등, 2009; Wang 등, 2010], 유기합성적인 연구[Chung 등, 2009; Ghani 과 Ullah, 2010], QSAR 연구[Xue 등, 2008; Sawant 등, 2010] 및 분자설계[Khan, 2007]와 분자도킹[Lam 등, 2010; Sun 등, 2010]] 등에 대한 연구들과 총설[Rendon과 Gaviria, 2005; Solano 등, 2006; Chang, 2009]이 다양하게 보고되고 있다.
	flavone이란 무엇인가?	식물의 2차 대사산물로서 페놀성 화합물인 flavone은 2-phenylchromone 분자의 골격으로 구성된 flavonoid 유도체(flavone, flavonol, isoflavone, chalcone, aurone, flavan-3-ol, anthocyanidin 및 leucoanthocyanidin)이며 고등 식물계에 널리 분포하는 색소 물질로서 꽃, 잎 및 뿌리에 많이 함유되어 있을뿐 아니라, 다양한 생물활성으로 인하여 기능성 식품, 천연물 농약 및 의약품, 등의 용도로 개발 가능성이 잠재된 매우 유용한 화합물이다[Andersen 및 Markham, 2006]. 이들 화합물 중에서 flavone 유도체들의 tyrosinase (EC.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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