절아하미리드만 큼결 합C 은一 NC =결N합 이주중위결의합 회의전 기이여 억도제가 ( 7큰) 되 공어명 있구다.조 로l4) 설이에명 하따는라 것 C이— -적N 결합은 이중결합의 성격을 강하게 가지고 상당한 안정성을 가지고 있다. 또한, 아미드는 시스형과 트란스형이 이성질체로 존재하는데 시스형에서는 입체 장애 가 존재하여 트란스의 형태가 더 안정하다. 18) 아실 유도체는 아실기에 연결되어 있는 이탈기의 염기도가 낮을수록 불안정 햐겨 쉽게 친핵체의 공격을 받아 치환반응을 일으키게 된다. 생체내에서 단백 질이 합성되는 과정에서는 아실기가 ATP 에 의하여 활성화된 뒤에 디시

t RNA 로 이동하여 아미노아실 - t RNA의 형태로 전환 된 뒤, 아민의 공격을 받 아 아미드 결합을 형성 (8) 한다. l4) 아실 유도체의 천핵성 치환반응에 관한 메커니즘 연구 중 가장 고전적인 것 은 에스테르 가수분해에 관한 것이다. 산 촉매 반응인가 혹은 염기 촉매 반응 인가, 일분자성인가 혹은 이분자성인가, 알킬 탄소국낡: 결합이 단절되는가 혹 은 아실 탄소-산소 결합이 단절되는 것인가에 따라 메커니즘이 분류된 바 있 다 .19) 아실 유도체의 치환반응의 대부분에서 아실 탄소 - 산소가 단 절 되며, 이때 친 핵체와 아실 탄소 간의 결합 형성과 이탈기와 아실 탄소 간의 결합 단절의 시 차에 따라 회합성, 분리성, 혹은 동시성으로 메커니즘을 구분하는 경향이 최근 에 중요시되고 있다. 26)

。 o-

회합성 메커니즘에서는 친핵체가 아실기에 첨가되어 정사면체 중간체가 형성 된 뒤에 이탈기가 떨어져 나간다. 이에 대한 명확한 증거로 최초에 수집된 것 은 H2l8Q 속에서 에스테르를 알칼리 가수분해시키는 도중에 산울 가하여 반응 을 중지시킨 후, 미반응 에스테르의 아실기에 180 가 도입된 것을 발견한 실험 으로부터이다. 21) 이 결과는 정사면체 중간체가 형성되고, 이 정사면체 중간체 로부터 생성물이 생성되는 단계가 속도 결정 단계이고, 정사면체 중간체내에서 양성자 이동이 신속히 일어난다고 가정 (9) 함으로써 설명되는 것이다. 정사면체 중간체는 매우 불안정하고 반응성이 높아 그 존재를 확인하기가 어 렵다. 메틸 아세데이트와 수산화 이온이 반응하여 형성된 정사면체 중간체의 반감기가 10-1 초임이 알려져 있다. 22) 정사면체 중간체 혹은 이에 관련된 유사

o- 。

체를 합성 혹은 분리하려는 시도가 광범위하게 이루어진바, 그 예는 10, 23) 11, 2 ◄) 12, 2sJ 13, 26) 14, 21) 152s) 등이다. 분리성 메커니즘에서는 이탈기의 제거가 선행되어 아실리움 양이온이 형성된 뒤 친핵체가 공격하여 치환반응이 완결된다. 근자에 들어 이 메커니즘으로 진 행되는 반응이 희귀한 것은 아니라는 것이 알려졌다. 29) 아실리움 양이온은 아 실기의 点 1 치에서 전자가 제공 (16) 됨으로써 흔히 안정화된다. 30) 동시성 메커니즘은 최근에 페놀 음이온 사이에 아실기가 교환되는 반응에 대 하여 그 가능성 (17) 이 제안된 바 있고 ,31) 또한 이를 반박하는 증거도 제기된 바 있다 .32)

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제 4 장 금속 이온과 유기 생체 분자 효소 중에는 활성을 가지기 위하여 금속 이온이 필수적으로 요구되는 것이 있는데 이를 금속 효소라고 한다. 금속 효소의 활성자리에는 금속 이온이 포함 되어 여러 가지 촉매작용을 수행하고 있는 것이다. 유기 반응에서 금속 이온이 수행할 수 있는 촉매작용은 루이스산 촉매작용, 산화환원 촉매작용, 유기 금속 화합물을 통한 촉매작용 등 세 가지로 분류할 수 있다. I) 생체내에서 각종 유기 반응에 대하여 금속 이온은 주로 루이스산 촉 매 혹은 산화환원 촉매로 작용하며, 유기 금속 화합물을 통한 촉매작용은 소수 만 알려져 있다. 루이스산 촉매작용에서 금속 이온은 촉매 역할을 수행하는 동 안 산화상태가 변화하지 않는다. 금속 이온이 루이스산 촉매로 작용하는 금속 효소의 예는매우많은숫자에 달하며 ,2) 유기 반응의 거의 대부분의 유형이 이 러한 금속 효소에 의하여 촉매작용을 받고 있다. 이 장에서는 금속 이온이 루 이스산으로 생체 유기 반응에 참여하는 촉매작용에 대한 유기화학적 측면을 다 룬다. 금속 이온이 산화환원 촉매로 생체 반응에 관여하는 것은 생물 무기화학 쪽으로 치우천 분야이기 때문에 여기에서는 디루지 않기로 한다. 유기 반응에서 루이스산 촉매로 작용하는 금속 이온의 촉매 원리에 대한 지 식은 유기 반응, 무기 반응, 효소 반응 등의 메커니즘을 연구하는 데 매우 중 요한 위치를 차지하게 된다. 뿐만 아니라 이러한 금속 이온의 촉매 원리는 생 체 모방 촉매를 고안하는 데에도 중요하게 사용할 수 있다. 금속 이온은 인공 효소가 기질의 구조를 인식하여 착화합물을 형성하는 과정에 참여할 수 있을 뿐 아니라 이 착화합물내에서 일어나는 반응 촉진 단계에도 관여할 수 있기 때 문 O] 다.

금속 이온의 루이스산 촉매작용에 관하여서는 지난 20 여 년간 많은 연구가 보고된 바 있다. 3)-6) 그러나 금속 이온의 촉매작용에 대한 세부적인 사항을 이 해할 수 있으려면 여러 가지 메커니즘상의 문제점에 대한 해답을 구하여야 한 다. 금속 이온이 수행할 수 있는 촉매 역할은 무엇인가. 금속에 배위된 물 분 자와 금속에 배위된 수산화 이온이 가지고 있는 촉매 특성은 어떠한가. 금속 이온 그리고 금속에 배위된 물 분자 혹은 수산화 이온은 유기 촉매 작용기와 어떻게 협동할 수 있는가. 리간드의 구조 혹은 금속 주위의 기하학적 형태 등 에 의하여 촉 매 효율이 어떻게 영향을 받을 것인가. 이러한 사항은 금속 이온 이 유기 반응과 생물학적인 과정에서 수행하는 루이스산 촉매작용을 연구하는 데에 제기되는 질문의 예로 들 수 있다. 제 1 절 금속 이온 자체의 촉매작용 또 다른 루이스산안 히드로늄 이온과는 달리 금속 이온은 중성 혹은- 염기성 p H 에서도 높은 농도를 가질 수 있고, +2 이상의 복수 전하를 가질 수 있다. 이의에도 금속 이온은 킬레이트화를 통하여 유기분자의 특정 부위에 결합할 수 있다. 유기분자에 결합된 금속 이온은 루이스산으로 작용함으로써 다른 촉매 요인의 도움이 없이도 여러 가지 독자적인 촉매 역할을 수행할 수 있다. (I) 친전자체의 활성화 유기 천전자체가 금속 이온에 배위됨으로써 활성화되는 경우가 많다. 예를 들어 카르보닐 유도체나 아실 유도체에 친핵체가 공격할 때 카르보닐 산소에 형성되는 음전하는 금속 이온에 의하여 안정화된다. 에스데르 가수분해 , 7),8) 아 미드 가수분해 ,9) 알데히드 혹은 케돈의 수화 혹은 환원 ,10)-13) 니트릴의 수 화, 14 ), 1 5 ) 옥상가세트산 혹은 옥살프로피온산의 탈카르복실화 1 6 ) ,17) 등은 이 효과 에 의하여 금속 이온 촉매작용을 받을 수 있다. 카르보닐 산소가 금속 이온에 배위된 뒤 수산화 이온이 금속에 배위된 카르 복실기를 공격함으로써 (1) 에스테르나 아미드가 가수분해되는 예가 많으리라고

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여겨진다. 그러나 이 메커니즘은 반응속도론적으로 동일한 메커니즘인 금속에 배위된 수산화 이온에 의하여 카르보닐 탄소가 공격받는 경로 (2) 와 구별하기가 어려운 경우가많다 .18) 리간드의 치환속도가매우느린 Co(III) 에 의한 촉 매작 용에 대하겨서는, 180 츄척 실험에 의하여 아미노산 에스데르 혹은 아미드의 가수분해 반응이 금속에 의하여 촉매작용을 받을 때 이 두 메커니즘이 모두 작 동하고 있음을 밝힌 바 있다. 9),1 9 ),20)

++

2-시 아노 -1, 10 페난트롤린 혹은 2- 시아노피리딘의 Ni (Il) 혹은 Cu(Il)- 착 화합물게서는 금속 이온이 니트릴기와 작용하는 것이 분자 구조상 불가능하다• 그러나 금속 이온은 니트릴기의 수화 반응의 전이상태에서 질소 원자를 결합 (3) 하는 것이 가능하고 이에 따라 전이상태에서 질소 원지에 형성되는 음전하 를 안정화하여 촉매작용을 시현할 수 있다고 보고된 바 있다. 14),1 5 ) 포스포릴 유도체의 친핵성 반응에서 포스포릴 산소에 형성되는 음전하도 금 속 이온과의 작용에 의하여 안정화될 수 있다. 21),22) (2) 이탈기의 활성화 알콕시 산소 원자가 금속 이온에 결합되면, 천전자성 탄소 중심으로부터 산

소가 이탈하는 능력이 제고된다. 이에 따라 에스데르 가수분해, 23) 아세탈 가수 분해, 24) 혹은 에폭시드 가수분해 25) 등에서 금속 이온의 촉매작용이 관찰된 바 있다.

4

수산화 이온과 산화 이온 (02 - ) 까지도 금속에 배위됨으로써 아실 중심으로부 터 이탈하는 능력이 제고된다. 예를 들어, 금속에 배위된 카르복실 음이온의 아실 탄소에 수산화 이온이 공격 (4) 함으로써 카르복실기가 가수분해되는 반응 이 보고된 바 있다. 18) 옥심이 아탈기일 때는 옥심 질소 원자가 배위자리이기 때문에 알콕시 음이온 이 이탈기인 경우와 비교하여 금속과의 결합이 훨씬 용이하다. 이에 따라 아 실, 26)- 2 8) 포스포릴, 29) 혹은 술포닐 307] 에서 옥심이 이탈하는 능력이 금속 이 온에 의하여 제고되는 예가 보고된 바 있다.

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아미드기의 질소 원자가 금속 이온에 배위되면 아미드의 가수분해가 촉진될 수도 있다. /3－락탐은 고리의 왜력 때문에 질소 원자가 금속 이온에 쉽게 배위 (5) 될 만큼 염기성을 띠고 있다 .31),32) 반면에 일반적인 아미드의 경우에는 아

미드 질소의 염기도가 매우 낮아 아미드의 탄소 원자가 정사면체 중간체로 변 하겨야만 아미드의 질소 원자가 금속 이온과 결합 (6) 할 수 있을 것이다. 33) 그 런데, 정사면체 중간체에서 아민이 이탈되려면 아민이 양성자와 결합하여야 하 는데, 이 아민의 질소 원자가 금속 이온에 배위됨에 따라 질소 원자에 양성자 가 결합하는 것이 저해되어 도리어 아민의 이탈을 금속 이온이 지체시킬 수도 있다 .34) 유황, 35) 할로겐 36) 등 기타 이탈 원자가 금속 이온에 배위되어 이탈 능력이 제고되는 예도 보고되어 있다. (3) 산의 활성화 금속 이온에 배위되면 물의 산성도가 증가한다. 37),38) 또한, 알콜의 산소, 옥 심의 아민 질소, 혹은 아민의 질소가 금속 이온에 배위하면 알콜, 39) 옥심 40)-42) 혹은 아민 43),44) 의 산성도가 각기 제고된다. 이에 따라 각각의 짝염기가 중성 혹 은 산성 용액에서도 상당한 농도로 존재하게 된다. 아러한 짝염기는 금속 이온 에 배위될 때 염기성이 감소하게 될 것이다. 그러나 이 효과는 친핵성의 감소 가 염기성의 감소에 비교하여 작다든지, 짝영기의 농도 증가의 폭이 친핵성의 감소보다 더 크다든지, 혹은 금속 이온의 템플레이트 효과가 뛰어나다든지 하 는 등의 반대적인 보완 효과로 인하여 카르보닐, 울레핀, 혹은 포스포릴 등에 대한 전체적인 친핵성 반응의 가속 효과를 시현하게 된다.

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금속 이온아 리간드에서 비교적 먼 위치에 결합된 양성자를 활성화하는 경우 도 있다. 예를 들어 금속 이온에 배위된 아실 혹은 카르보닐 화합물의 Ca-H 결합이 활성화됨으로써 카르보 음이온 중간체 (7, 8) 를 경유하는 양성자 교환,

에피머화, 알돌 축합, 엔울화 반응 등이 촉진될 수 있다. 45 ) - 4 7) (4) 저해적인 역반응 경로의 봉쇄 3 카르복시 0~ 피린의 가수분해는 Fe(III) 혹은 Al(III) 이온에 의하여 촉매작 용을 받는다. 48 ) 이 촉매작용은 저해적인 역반응 경로를 금속 이온이 봉쇄하는 이유만으로 일어나고 있다. 기질의 카르복실 음이온이 에스데르 결합에 친핵성

o검 o· 0 H path c hpryod drou lcy tss i s

공격 (a 경로)을 가함으로써 얻어지는 산무수물 중간체 (9) 에서는 산무수물 결합 에 대한 페놀 음이온의 공격 (b 경로)이 매우 효과적이다. 따라서 금속 이온이 없을 경우에는 기질의 가수분해는 분자내 카르복실 음이온에 의한 일반 염기 촉매작용에 의한 경로 (c 경로)을 통하여 진행된다. Fe(III) 혹은 Al(III) 이온을 가하면 금속 이온이 산무수물 중간체의 살리실산 부분과 결합함으로써 페놀 음 이온을 봉쇄 (10) 하게 된다. 금속 이온이 존재하면 기질은 일반 염기 경로를 거 치지 않고 천핵성 경로를 거치게 되는데 이는 산무수물 중간체가 포획됨으로써 입증되었다. 많은 수의 효소 반응은 공유 중간체를 포함하게 된다. 49) 이러한 효소 반응이 치환 반응을 경유하게 되면, 효소의 촉매 작용기에 의하여 기질에서 이탈기가 절단된 이후에도 이탈기는 반옹부위 주변에 머물게 된다. 그런데 반응부위에

매우 인접한 곳에 이탈기가 자리잡으면 중간체에 대한 이탈기의 역공격도 매우 효과적이 된다. 이 역공격에 의하여 전체적인 효소 반응속도가 지연될 것이기 때문에 효소는 이탈기를 반응부위에서 신속히 분리하든지 혹은 이탈기의 반응 성을 봉쇄하여야 한다. 따라서 금속 효소에 따라서는 단순히 이탈기와 결합하 여 저해적인 역반응 경로를 봉쇄함으로써 금속 이온이 촉매작용에 참여하는 경 우도있을것이다. (5) 생산적인 형태의 제공 촉매 효율을 괄목하게 제고하려면 반응물의 〈 유효 농도 녔t 5 0) 고도로 증가시 켜야 한다. 금속 이온은 템플레이트 효과에 의하여 분자 간 반응을 분자내 반 응으로 전환시킴으로써 유효 농도를 증가시킬 수 있다. 금속 효소에서 금속 이온은 단백질의 형태 변화를 유도함으로써 촉매 작용기 둘의 위치를 매우 미세한 수준으로까지 조정할 수 있다. 이 효과는 아직까지 소형 분자를 사용하여서는 성공적으로 재현한 바가 없다. 효소 반응에서는 기질과 효소의 착화합물 형성에서 방출되는 자유 에너지가 기질의 구조에 왜력 혹은 변형을 유도하는 데 사용될 수 있으며 기질의 구조에 이러한 왜력과 변형을 도입함으로써 반응속도를 크게 증가시킬 수 있다. 51)

Energy

2,2' －디피리딜 부분에 금속이 킬레이트화될 때의 결합력이 3 및 3' 위치에 연 결된 반응 중심의 주변에 왜력을 유도하는 데 이용되어 (11) ' 고리화, 제거 반 응, 라세미화 반응 등을 가속하는 사례가 보고된 바 있다. 52) 이와 유사하게 디 -2- 피리딜 케돈이 Co(ll )이온에 킬레이트화되면 카르보닐 기에 왜력을 유도하게 되고, 그 왜력을 경감하기 위하여 카르보닐기의 수화가 촉진되는 사례가 보고된 바 있다. 11)

OH. M-O

Co( 매) 착화합물에 킬레이트화된 인산 모노에스데르의 가수분해 과정에서 의부 수산화 이온이 친핵체로 인 원자를 공격하여 금속 이온에 킬레이트화된 5 배위 수의 포스포란 중간체를 형성할 수 있다. 이때 킬레이트화된 에스테르 의 4- 원자고리에 유도되는 왜력 (12) 은 정사면체 인 원자가 5 배위 구조로 전환 되는 과정의 전이상태에서 경감될 수 있다. 53) 여러 가지 광학 선택적인 유기 합성 반응에서 금속 이온이 루이스산 촉매로 사용된 예가 보고되어 있다. 54), 5” 이러한 입체 선택성은 금속 이온이 전이상태 에서 한 가지의 입체 이성질체의 형태를 선택적으로 안정화시킴으로써 유발되 는것이다. 제 2 절 금속에 배위된 물 분자의 촉매작용 금속 이온이 물에 용해되면, 금속에 배위된 물 분자와 금속에 배위된 수산화 이온도 동시에 얻어지고 또한 중요한 촉매 역할을 수행할 수 있다. ( I ) 친핵체로서의 공격 2- 피리딘알도옥심의 아세틸 에스데르의 가수분해에 대한 Cu (Il)이온의 촉매 작용에서 수산화 이온의 농도에 속도가 비례하는 경로와 p H에 속도가 무관한 경로 등 두 가지 반응 경로가 관찰된 바 있다. 56) 속도 자료를 세부적으로 분석 한 결과 금속에 배위된 물 분자는 금속에 결합된 에스데르의 카르보닐 탄소에 친핵체로서 공격함 (13) 을 알 수 있었다. 물 분자의 염기성과 친핵성은 물 분자 가 금속 이온에 배위될 때 크게 감소한다. 이 반응에 대하여 보여주는 Cu( Il ) 에 배위된 물 분자의 효과적인 친핵성 공격은 다른 물 분자에 의한 일반 염기

GBH Y{ °/

촉매작용이 효과적으로 일어나며 금속 이온의 템플레이트 효과에 의하여 친해 체와 친전자체 간의 상호 유효 농도가 매우 높아지기 때문이라고 볼 수 있다. 금속게 배위된 카르복실산의 락본화 반응 및 금속에 배위된 아미드의 가수분 해 반응에서 p H에 속도가 무관한 반응 경로가 관찰된 바 있다. 이것을 금속에 배위된 물 분자가 카르복실기 혹은 아미드기에 친핵체로 공격하여 반응이 진행 되는 것으로 해석하여 보고한 사례가 있다. 57),58) 그러나 이 반웅 경로는 금속에 배위된 수산화 이온이 친핵체로 작용한 다음 속도 결정 단계인 히드록실기나 아민이 끊겨나가는 과정에서 특정 산인 히드로늄 이온이 참여하는 메커니즘으 로 더 잘 설명된다 .59) (2) 일반산촉매작용 금속 이온에 배위되면 물 분자는 약산으로 변하고 이에 따라 일반 산 촉매로

X = H or CH2coo·

도 작용할 수 있다. 이 촉매 역할은 최근에 5%(v/v) 의 물을 포함하는 디메틸 술폭시드에서 금속 이온과 카르복실 음이온의 공동 촉매작용에 의하여 알킬 아 미드가 가수분해되는 반응 (14) 에서 최초로 관찰되었다. 60),61) 여기에서 카르복 실 음이온이 에스데르의 카르보닐 탄소를 공격하여 형성된 알콕시 음이온은 금 속 이온에 의하여 안정화된다. 이와 같이 형성된 정사면체 중간체에서 아민이 축출되는 과정에서 금속에 배위된 물 분자가 일반 산 촉매로 작용하여 이탈기 의 질소 를 양성자화시켜 주고 있다. 제 3 절 금속에 배위된 수산화 이온에 의한 촉매작용 금속 이온의 종류에 따라 금속에 배위된 수산화 이온이 중성 혹은 심지어 산 성 용액에서도 상당한 농도로 존재한다. 37),38) ( I ) 친핵체로서의 공격 금속게 배위된 수산화 이온이 친핵체로 작용하는 것은 여러 종류의 반응에서 관찰된 바 있다. 앞서 언급한 바 있는 4 큰 금속에 배위된 수산화 이온이 금속 에 결합된 에스테르를 공격하여 형성된 것이다. 18) 금속에 배위된 물 분자가 에 스테르를 공격하는 1E] 반응에서도 금속에 배위된 수산화 이온의 공격이 동시 에 일어나고 있다. 56)

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아미드의 가수분해가 금속에 배위된 수산화 이온의 친핵성 공격에 의하여 진 행되는 예로 쩌t 들 수 있다. 19),57) 금속에 배위된 수산화 이온이 카르보닐 탄소 에 인접한 곳에 위치함으로써 아미드기가 효과적으로 가수분해되는 예 (15) 가

보고된 바 있다. 62),63) 아민 질소가 정사면체 중간체에서 떨어져 나울 때는 전이 상태에서 이 질소 원자에 음전하가 생기는 것을 방지해 줄 양성자 공여체가 필 요하다. 금속에 배위된 수산화 이온이 친핵체로 공격할 때 이 수산화 이온이 이탈하는 아민 질소를 양성자화해 주는 양성자의 공급자 역할도 (16) 담당할 수 있다. 금속거) 배위된 수산화 이온이 알데히드 64) 혹은 산무수물 65) 등 다른 카르보닐 중심에 친핵성 공격을 가하는 예도 카르보닉 안히드라제 혹은 카르복시펩티다 제 A 와 같은 금속 효소의 모형으로 연구된 바 있다. 66)

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금속에 배위된 수산화 이온은 인산 에스테르에 대하여서도 천핵체로 작용할 수 있다. 예를 들어, 인산 디에스데르의 가수분해는 금속 이온의 촉매작용을 받는데, 금속에 배위된 수산화 이온이 친핵체로 작용하여 止才형 고리를 포함하 고 있는 중간체 (예 : 17) 를 경유하게 된다. 66)-68) Co( 매)에 배위된 수산화 이온이 울레핀 탄소를 친핵체로서 공격하여 이중결 합을 수화시키는 반응도 관찰된 바 있다. 69) (2) 일반 염기 촉매작용 금속에 배위된 수산화 이온은 약염기이기 때문에 일반 염기 촉매로 작용할 수 있다. 그러나 이 촉매 역할은 최근에서야 m-(2- 이미다졸릴아조)페닐 P 나尸구 엔술포네이트의 가수분해에 대한 Cu (Il)이온의 촉매작용에서 최초로 관찰되었 다. 70) 이 반요]서 첨가 중간체 사이에 양성자가 이동되는 단계 (18) 에서 히드 록 (Il ) 이온이 일반 영기로 참여하고 있다.

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제 4 절 이핵체 금속 이온의 촉매작용 2- 아세틸피리딘케토옥심과 6- 카르복시 -2- 피리딘카르복스알도옥심의 가수분 해에 대한 Zn(Il) 이온의 촉매작용에서 Zn(Il) 이온 두 개가 참여하는 반응 경 로가 관찰된 바 있다.?＂ 상세한 메커니즘 분석 결과 이핵체 Zn (Il)이온이 촉매 단위로 참여 (19) 하고 있으며 이것과 속도론적으로 동일한 메커니즘인 두 개의 Zn (Il)이온이 분리되어 참여하는 경로 (20) 는 작동하지 않는 것이 밝혀졌다 .71)

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뿐만 아니라, 6- 카르복시 -2- 피리딘카르복스알도옥심의 가수분해의 경우에는 일핵체 Zn (H)이온이 참여하는 촉매작용은 전혀 관찰되지 않았다. 이핵체 Zn (l )이온의 평형 농도는 일핵체와 비교하여 훨씬 작을 것이다. 그럼에도 불구· 하고 이핵체 이온에 의한 촉매작용이 효과적으로- 진행되는 것은 전이상태의 구 조와 관련이 있다고 여겨진다. 전이상태에서 형성되는 고리의 안정도가 고리의

구조가 바뀜에 따라 크게 영향을 받을 것이기 때문이다. 몇 가지 다른 반옹에 서도 금속 이온의 촉매작용에 두 개의 금속 이온이 전이상태에 포함되어 있는 예가 보고되고 있다. 72),73) 정확한 메커니즘 분석은 이루어져 있지 않지만 이러 한 반舒]서도 이핵체 금속 이온이 촉매 단위로 포함되어 있을 가능성이 있다. 제 5 절 금속 이온과 유기 작용기의 협동 금속 이온의 촉매 효율은 다른 촉매 요인이 금속 이온과 협동하여 참여할 때 더욱 제고될 것이다. 유기 반응에 대한 금속 이온의 촉매작용에 일반 산이나 일반 염기가 침여하는 예로서 피루브산 엔을 음이온의 케돈화에 대한 아세트산 과 Cu(Il )이온의 공동 촉매작용이나 74) 아미드 가수분해에 대하여 Co(III) 에 결 합된 수산화 이온과 완충제의 공동 촉매작용을 75) 둘 수 있다.

금속 이온과 유기 작용기의 협동은 유기 촉매 작용기와 금속 결합 부위가 모 두 반응자리에 인접하여 있을 때 매우 효율적으로 진행될 것이다. 예를 들어, 금속 이온과 아미드 산소 원자가 매우 효율적으로 협동하여 아릴 에스데르 결 합이 파괴되는 예 (21) 가 관찰된 바 있다. 76),77) 2- 피리딘카르복스알도옥심의 Zn (Il)착화합물이 아세트알데히드의 수화에 촉매로 침여할 때, 킬레이트화된 리간드의 옥심 음이온이 일반 영기로 작용하여 Zn( Il )에 배위된 아세트알데히 드의 카르보닐기에 물 분자가 공격하는 것을 도와준다고 보고된 바 있다. 78) Zn(Il ) 금속 효소인 카르복시펩티다제 A(CPA) 에 대하여서는 제病》 ]서 다 루게 되듯이 효소 자체의 메커니즘에 대하여서도 많은 논쟁이 진행중이며 모형

며N •. N 、 :，，占） (X: OCH3 or N(CH3 n. ,

연 구도 상당량에 걸쳐 보고된 바 있다. CPA 의 모형으로 설계된 화합물 중에 가장 많은 수의 촉매 특성 을 성공적으로 재현한 것은 2 - 이미다졸릴아조 부분을 금속 결합자리로 포함하고 있는 화합물 (22) 이다. 60), 61 ) ,7 3 ) 이 효소 모형에서 금 속 이온, 카르복실 음이온 및 용매가 효과적으로 협동하여 알킬 아미드 혹은 알 킬 에 스 데르 결합을 절단하고 있다. 제 6 절 복수개의 촉매 레퍼토리의 작동 대부분의 유기 촉매 작용기와는 달리 금속 이온은 두 가지 이상의 촉매 역할 울 동시에 수행하는 예가 혼하다. 예를 들어 19 로 71) 표시된 에스데르 가수분해 의 촉 매작용에 관여하고 있는 금속 이온의 촉매 레퍼토리는 금속에 의한 템플 레이트 효과, 이핵체 금속 이온의 참여, 금속 이온에 의한 이탈 옥심의 활성 화, 금속 이온에 배위됨으로써 물 분자의 이온화의 제고 그리고 금속에 배위된 수산화 이온의 친핵성 공격 등이다. 14로 60),61) 표시된 아미드 가수분해에서 금속 이온은 정사면체 중간체의 옥시 음이온을 안정화시켜 주고 있을 뿐 아니라 금속에 배위된 물 분자의 산성도를 제고시키고, 고리형 전이상태의 적절한 기하학적 구조를 제공하고 있다. 뿐만 아니라, 금속에 배위된 물 분자는 일반 산으로 작용하고 있다. 포스핀산의 에스데르와 인산의 모노-， 디-, 혹은 트리에스테르의 가수분해에 대한 금속 촉매작용에서는 12 혹은 17 의 예와 같이 #R 형 구조의 중간체가 혼

히 개입된다 .53),66)-68) 이 경우에 템플레이트 효과, 포스포릴 산소 원자에 형성 된 음이온의 안정화, 기질 구조내의 왜력 유도, 금속에 배위된 물 분자의 산성 도의 제고 등이 금속 이온에 의하여 달성되고 있으며 금속에 배위된 수산화 이 온은 친핵체로 참여하고 있다. 제 7 절 금속 이온의 성질과 리간드의 구조가 촉매 효율에 미치는 효과 생물학적 반응뿐만 아니라 간단한 유기 반응에서 수행하는 금속 이온의 촉 매 작용에서도 금속 이온의 종류와 리간드의 종류 및 정확한 위치가 중대한 역할 울 담당할 것이라 함은 의문의 여지가 없다. 금속 이온의 종류가 바뀔 때 유기 반응에 대한 금속 촉매작용의 효율이 괄목 하게 바뀌며 이러한 변화를 설명할 수 없는 사례가 흔히 보고되고 있다. 72) 인산 디에스데르의 가수분해에 대한 금속 이온의 촉매작용에서 Ir( 매)은 Co( fil)보다 효율이 훨씬 떨어진다. 이 사실은 Ir( 매)이온의 반경이 더 크며 따 라서 Ir( 매)에 배위된 수산화 이온이 반응 중심인 원자를 분자내에서 공격 (17) 하여 仁淸짜리 중간체를 형성하기가 더 어렵기 때문이라고 설명된 바 있다. 68 ) 반뭉개 中斗서는 금속 이온이 바뀔 때 메커니즘이 달라질 수도 있다. 79) 여러 가지 리간드를 가진 Cu(Il) 착화합물이 에스데르 가수분해에서 반응성에 차이 가 나는 것을 리간드의 전자 공여 능력에 따라 Cu( Il )이온의 루이스 산도가 감 소하는 것과 관련지어 설명한 보고도 있다• 80) cis-디아콰데트라아자 Co (매 ) 착 화합물에 의한 인산 디에스데르 가수분해의 촉매작용에서 테트라아자 리간드의 구조가 바뀔 때 촉매 활성도가 괄목하게 바뀌는 것이 관찰된 바 있다. 66) 이러 한 사실은 ¥-l-형 중간체에서의 결합각과 관련지어 설명되었다. Zn (Il)쭙 효소에 대하여 많은 경우에 카르복실 음이온-이미다졸 -Zn(Il) 의 세 개의 작용기가 구조적으로 연계되어 촉매작용에 참여하고 있음이 보고된 바 있다 .81) 이는 Zn (Il)이온의 성질이 카르복실 음이온과 이미다졸의 상호작용 울 통하여 수정되고 있음을 암시한다. 1~ 2~ 표시된 아미드 가수분해에서

이미다졸 N — H 가 이온화해야만 금속 촉매 효과가 작동함이 관찰되었다. 60),61) 이미다졸 고리의 전자 밀도가 증가하면 중심 금속 이온의 촉매 활성도를 제고 하고 있는데, 이는 위에서 언급한 금속 효소에서 관찰되는 카르복실 음이온-이 마디좀 -Zn(Il )의 세 작용기의 공동 참여와 유사한 것이다. 그러나 왜 이미디졸 고리에서 전자 밀도가 증가하면 중심 금속 이온의 촉매 효율이 제고되는가에 관한 이유는 현재로서 알려진 바 없다. 제 8 절 전망 유기 반응에 루이스산 촉매로 사용할 수 있는 금속 원자의 종류는 란타니드 혹은 악티니드를 포함하여 매우 큰 수에 달한다. 각 금속 원자의 여러 가지 산 화상태까지 고려하면 이 숫자는 훨씬 커지게 된다. 그런데 메커니즘에 관한 자 료는 소수의 유기 반응과 소수의 금속 이온에 대하여서만 수집된 바 있다. 더 욱이 금속 이온의 반응성에 대한 리간드의 효과에 대하여서는 거의 알려진 바 가 없다. 따라서 이 분야의 연구 활동이 진행됨에 따라 유기 반응에 대한 금속 이온의 루이스산 촉매작용에 대한 새로운 사실이 속속 밝혀지게 될 것이다. 생체 모방 촉매에 의한 분자 인식 및 촉매작용은 현재 매우 활발한 연구의 대상이 되고 있다. 이에 따라 금속 이온의 촉매 레퍼토리를 다수 활용하는 효 율적인 인공 금속 효소의 설계도 광범위하게 추구될 것으로 전망된다. 82)-86)

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제 5 장 효소 반응 메커니즘 연구의 예 : 카르복시펩티다제 A 생명체의 각종 생명현상의 원리를 가장 기본적으로 파악하기 위하여서는 생 체 반응에 촉매로 관여하는 효소의 작용 원리를 구명하여야 한다. 현대 과학의 수준게서 효소 반응의 메커니즘을 가장 정밀하게 이해하는 것은 효소의 활성자 리에 있는 각 아미노산 잔기에 포함된 작용기의 치원에서 효소의 촉매작용을 파악하는 것이다. 효소 반응의 메커니즘의 연구에는 물리 유기화학 분야에서 유기 반웅 메커니즘을 구명하는 데 사용한 각종 기법을 활용하게 된다. 이 장 에서는 물리 유기화학의 분야에서 개발된 각종 연구 방법을 응용하여 효소 반 응 메커니즘을 규명하는 작업을 설명하려 한다. 이 목적으로 카르복시펩티다제 A의 메커니즘 연구를 예로 들기로 한다. 제 1 절 기질의 특이성 카르복시펩티다제 A( 이하 CPA 로 약칭함)는 생체내에서는 단백질의 카르복시 말단에 인접한 아미드기를 가수분해시키는 데에 사용되는 단백질 가수분해 효 소이다. I) 그러나 생체 바깥에서는 아미드 이의에도 에스테르와 티울에스테르와 같은 카르복실산 유도체의 가수분해에도 활성을 나타낸다. 표 l 에 CPA 에 의 해 가수분해받는 카르복실 유도체의 구조적 특이성을 요약하였다. 카르복실 유도체의 가수분해 이의에도 1-3 과 갇은 반응들이 CPA 에 의하여 촉매작용을 받는다는 사실이 보고되어 있다. l7),8) 의 반응은 케돈의 엔올화 반응이며 29) 와 식 310) 의 반응은 f3-제거 반응

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표 I CPA 에 의하여 가수분해받는 카르복실 유도체 기질의 구조적 특이성

이다. 이 반응을 일으키는 화합물의 구조는 CPA 의 기질의 구조와 유사하여 카르복실기, a- 탄소의 형수성 결사슬, T 위치의 카르보닐기 등을 포함하고 있 다. 즉 이러한 구조적 요건을 충족시킴으로써 CPA 의 활성자리에 끼여들어 착 화합물을 형성하게 되고 , 이 착화합물내에서 효소의 촉매 작용기가 기질의 카 르복실기의 /3 위치에 있는 C-H 결합을 공격함으로써 엔올화 혹은 제거 반응 이 일어나게 되는 것이다.

제 2 절 구조 CPA 에 대하여 프로카르복시펩티다제 A 가 선구 물질로 존재한다• 11),12) CPA 의 분리 정제 방법으로는 세 가지가 보고되어 있는데, 13)-15) 분리 방법에 따라 각기 다른 형태의 CPA 가 얻어진다. CPA 의 아미노산 순서는 화학적 방법 16) 및 X- 선 결정학 방법으로 1 ),17) 절정 되어져 있다. CPA 의 분리 방법에 따라 N- 말단 아미노산의 위치에 차이가 나 게 된다. N- 말단 아미노산에 차이가 나는 CPA 에 대하여 속도론적인 차이점 으로 두드러진 것은 아직 보고된 바가 없다. CPA 는 소의 췌장으로부터 분리 하는데, 이때 사용한 소의 종류에 따라 유전학적인 이유로 몇 군데의 아미노산 이 바뀐 두 가지 {CPAval 및 CPALeu) 의 이성질체 효소가 얻어진다. CPA 결정의 삼차원적 구조는 X- 선 회절법으로 측정되었는데, l),l7) CPA 의 활성자리에는 Zn( Il )이온이 위치해 있다. 이 Zn(Il )이온에는 Giu - 72, His-6 9 및 H i s-196 이 리간드로 배위되어 있다. 디펩티드인 Gl y -T yr은 N- 말단이 아 실화되어 있지 않아 CPA 에 의하여 극히 느린 속도로 가수분해된다. Giy - T yr을 CPA 와 결합시킨 다음, 이때 형성된 착화합물의 결정 구조를 CPA 와 비교함으로써 활성자리의 위치를 찾아내고 활성자리 내부에서의 효~ 기질 간의 구체적인 상호작용을 밝힐 수 있었다. Gl y -T yr과 CP A;가 형성한 착화합 물에 대하여 결정한 구조는 반응을 일으키지 못하는 비생산적인 형태에 관한 것이라는 제약점을 수반한다. 따라서 이 착화합물의 결정 구조로부터 도출한 효소와 기질 간의 상호작용은 실제 효소 반응의 동적인 반응 과정에서 관여하 는 것과 차이가 있다. 그러나 결정학적인 구조로부터 Zn (Il)이온 이의에도 Glu-270, Ty r-2 48 및 Ar g -14 화 촉매작용에 일차로 개입되는 주요 작용기임 을 알 수 있었다. 이에 따라 CPA 반응 메커니즘의 연구는 Zn (Il)이온, Glu- 27 뼈 카르복실기, Ty r-2 4~ 페놀기, Arg- 1 4~ 구아니디늄기의 정확한 역 할의 규명에 초점을 맞추게 되었다.

제 3 절 Glu-270 의 촉매 역할 Glu - 270 이 활성자리에 위치해 있으며 중요한 촉매 역할을 담당할 것이라는 점은 X- 선 결정학 연구결과로부터 먼저 제시되었다. 1),1 7 ) Glu-27 떠 화학적 수정은 N- 브로모아세틸 -N- 메틸페닐알라닌을 사용하여 수행 (4) 되었다. 20) 이 수정 시약은 CPA 의 기질이 갖추는 구조적인 요건들을 구비함으로써 CPA 의 활성자리에 끼여들어 착화합물을 형성하고, 이 착화합물 내에서 Glu-270 의 카르복실기와 반응하여 CPA 를 알킬화시킨다. 이 화합물은 아미드이지만 아미드 질소에 붙은 수소가 메틸기로 치환되었으므로 CPA 에 의 하여 아미드의 가수분해를 받지 않는다. 이 화학적 수정의 결과로 얻어진 효소 는 활성을 완전히 상실하였다. 이 결과로부터 Glu-27~ 카르복실기가 CPA 의 촉매작용에 필수적으로 필요하다고 할 수는 없다. 그 이유는 Glu-270 에 커 다란 분자가 공유 결합에 의해 연결되면 단순히 입체적으로. 활성자리를 봉쇄함 으로써 CPA 의 활성이 상실될 수가 있기 때문이다.

CPA + Br\90:0)· = CPA 4 a

4oJ] 의한 Glu-27~ 화학적 수정 실험으로부터 두 가지의 중요한 정보가 제 공되었다. 첫째는 Glu-27 뼈 카르복실기의 p Ka 값을 ~ E 파 반응하는 속도 의 pH 의존도로부터 결정할 수 있었던 점이다. EI 착화합물 속에서 측정된 , Glu-27 뼈 pK a 값은 7. 邸로서, 카르복실기에 대하여 통상적으로 물속에서 관찰되는 pK a 값인 4oJ] 비하여 두드러지게 높다. 이것은 Glu-270 이 위치한

활성자리 내부의 미세환경이 매우 높은 협수성을 띠기 때문으로 해석된다. 둘 째는 Glu-27 떠 카르복실 음이온이 브롬화 알칸인 4~ 반응하는 속도가 매우 빠르다는 사실이다. 이것은 EI 착화합물 내부에서 Glu-27 個l- 4~ 반응부위 조!<>ii 상당히 효과적인 인접 효과가 존재하기 때문으로 볼 수 있다. 그리고 음 이온 친핵체에 의한 SN2 반응이 바극성 매질 속에서 증속된다는 사실과도 결부 시킬수있다.

。 J _,___ ' Arg- 1 45

최근에는 에폭시드 저해제에 의하여 Glu-270 이 알킬화되는 것 (5) 이 보고되 었다 .21) 특히, 이 경우에는 Glu-27~] 카르복실기가 알킬화되었음을 X- 선 결 정학으로 입증한 바 있다. 22) CPA 는 생성물인 a- 아미노산, a- 히드록시산, 혹은 a- 메르캅토산과 착화합 물을 형성하는데, 이들 생성물은 경쟁적 저해제로 작용한다. 따라서 CPA 촉 매 반응의 속도론적 행동은 생성물에 의한 경쟁적 저해 작용 (6) 에 의하여 특칭 지어진다.

E+S~&k1 ES 一& E+P1+P2

6g. CPA 에 대해 수집된 속도 자료를 설명할 수 있는 가장 간단한 반응식이

된다. 6oll 대해서 유도되는 ~a t과 Kma p社근 다음과 같다. k.:at = kz (7) Kmap p= Km= (k_1 + ki)/k 1 (8) 경우에 따라서는 @] 미카엘리스-멘텐 식을 조금 더 복잡하게 변형시키기도 한다. 이때 flcn t 및 Kma p呼 표현도 바뀌게 된다. 수정된 반응식과 그에 따른 변수의 표현을 예시하면 다음과 갇다. E + S 一kk_1 I ES 一& ES1 一k, E + P, + P2 E+ Pl=K=i : EPI (9) 찌대해서 ~at = fvi~/ (fvi + ~) (10) Kmap p = Km~/ (fvi + ~) (11) = ~ (k_. + !vi) Ik1 (!vi + ~) E+ S ;:k:k-it t= = ES ;:k:&_i2= = ES1 一& E+ P1 + P2 E+P1~KiE P1 (12) 1 짜 대해서 kcet = /¾~/ (/¾ + ~) (13) Kmap p = (結싸 + k-1~ + k_,k._2 ) /k1 (% + & + 回 (14)

CPA 에 의한 카르복실 유도체의 가수분해 반응에 대하여 속도론적 자료를 수집하여 분석한 후, &at, k.:a1 /Kmap p 및 Kmap Po ll 대한 pH 의존도를 작성 하면 다음과 같은 몇 가지 범주가 나타난다. 幅 /Kma p¢1 pH 의존도는 기질과 착화합물을 형성하고 있지 않은 자유로 운 상태에 있는 효소 속에서의 촉매 작용기의 pK a 값을 나타낸다. CPA 의 福 /Kma p回 pH 곡선은 기질의 종류세 따라 세 가지 유형을 가진다. 4),2 3 )- 3 1) 〈 범주 |-I> p Ka 가 6-6.5 인 작용기가 염기성형으로 존재하고 p Ka 가 약 9 인 작용기가 산성형으로 존재하여야 활성을 보이는 기질 : 대부분의 기질이 여기에 속함. 〈 범주 1-2> p Ka 가 6.5-7 인 작용기가 염기성형이고 p Ka 가 7.5-8 인 작용기 가 산성형일 때에 활성을 보이는 기질 : 0- 아세틸 -L- 만델산 혹 은 0- 니트로벤조일 -L- 만델산 등이 여기에 포함되는데, 이들은 매우 느리게 가수분해되는 에스테르 기질임 . 〈범주 1-3> p K가 약 8 인 작용기가 염기성형이고 p K가 약 9.5 인 작용기가 산성형일 때 활성을 나타내는 기질 : D- 티올에스데르인 S - 신나 모일 -D-a- 메르캄토-f3 - 페닐프로피온산이 여기에 속함. kea t의 pH 의존도는 기질의 종류에 따라 다음과 갇이 분류할 수 있 다 23),25),26),28),3 2 ),33) 〈범주 2-1> p Ka 가 약 6 인 작용기가 영기성형이기만 하면 활성을 보이는 기 질 : 울리고펩티드들이 여기에 속함. 〈범주 2-2> p Ka 가 약 7 인 작용기가 염기성형이고 p K가 약 8 인 작용기가 산성형일 때 활성을 보이는 기질 : 범주 1-2 에 속한 기질이 여기 에해당됨. 〈범주 2-3> p H 初}지는 범주 2-1 의 !?.;a t과 같은 pH 의존도를 보이지만 pH 9 인 이싱에서는 p比가 상승할 때 kca t이 급상승하는 기질 : o- 신 나모일 -L- /3페닐락트산이 여기에 속함.

〈 범주 2-4> & m 이 p H 에 무관한 기질 : o- 히퓨릴 -L- {J-페닐락트산, 0-(a- 벤조일아미노)신나모일 -L- {J-페닐락트산, 0 - (a- 벤조일아미노)신 나모일 -L - 만델산 등이 여기에 속함. 이상에 열거한 법주들을 특정짓는 pK a 값을 모으면, 약 6.5, 약 8.0 및 약 9 인 적어도 세 가지의 촉매 작용기가 존재함을 알 수 있다. 이들이 어느 아미 노산 잔기의 결사슬인 것에 대한 주장은 여러 가지가 제시되어 있지만, 화학적 수정과 분광학적 측정 의 결과를 종합하면 디움과 같이 결론을 내릴 수 있다. 4로 표시된 화학적 수정의 결과로부터 EI 착화합물에서의 Glu-27~ p Ka 가 7.0 임이 판명되었다. EI 의 활성자리는 자유로운 CPA, 즉 E 긱 활성자리보다 다소 형수성이 높을 것을 감안하면 E1l 서의 pK a 값 6 . 허문 Glu-27Q ol] 결부시 키는것이 타당하다. CPA 의 T yr -24 짜 특이하게 아르사닐아조화시켜 얻은 아조 CPA 에 대하여 아조페놀기의 분광학적 특성을 이용하여 다음과 같은 이온화 상수를 측정한 바 있다. 30),31 )

이 KPl一 :iazo 麟

15olj 표시된 평형 상수는 통상적인 Ka 와는 다소 다른 의미를 지닌다. 그러 나 해당되는 p Ka 와 동일한 p H 에서 반응물의 절반이 생성물로 전환된다는 물 리적 의미를 지니므로 속도론적으로 도출되는 p Ka 와 동일하게 취급할 수 있 다. 통상적인 페놀의 p K가 10-11 이지만 페놀 음이온이 금속 이온에 배위됨으 로써 p Ka 가 7 . 7로 감소한다. pK a 9 . 5 인 두번째 평형 단계는 금속 이온에 대 하여 페놀 음이온과 수산화 이온이 경쟁하는 과정으로 이해할 수 있다. 아르사 닐아조기의 전자적 효과를 감안하면 속도론적으로 결정한 pK a ~ Ty r-2 78 에 , pK a ~ Zn( Il )이온에 · 배위된 물 분자에 결부시키는 것이 타당하다. 기질

에 따라서는 Zn(Il) 이온의 배위자리를 Ty r- 24~ 페 놀 응이온이나 수산화 이 온이 점령하고 있으면 CPA 와 결합하지 못하여 활성을 보이지 않는 경우도 있 다. 반면에 Ty r-2 4~ 페놀이 이온화하여 염기성이 되어야 친핵체로 작용하여 활성을 보이는 수도 있다. 이상의 pH 의존도의 분석 결과, Glu-270SI pK a 값이 약 6 . 5 이고 그 카르 복실기가 이온화되어 음이온으로 존재하여야 대다수의 기질에 대하여 CPA 가 활성을 가짐을 알 수 있다.

znIl0lH3°

이상에서 논의한 X 선 결정 구조, 화학적 수정, 반응 속도론 등의 결과로부 터 Glu-270 이 CPA 의 반응게 필수적인 역할을 담당한다고 결론내릴 수 있다. 그 다음 단계로는 Glu-270 이 가지는 정확한 촉매 역할이 무엇인지를 결정하는 문제가 남아 있다. Glu-27~ 카르복실 음이온이 지닐 수 있는 촉매 역할로 16-1 쩌 표시한 친핵체 혹은 일반 염기가 가능하다.

Ri NH CH2 『。 1 80- 一CHP2A0 R J。 lN H/ CH2 f。 160· 19

이러한 메커니즘을 구별하려는 시도가 최근 20 여 년간 계속되고 있다. 일반 염기 메커니즘을 선호하는 학자들이 발표한 논문의 수는 다수에 달하지만, CPA를 대상으로 직접 수집한 연구 결과로서 타당성을 지닌 증거로 일찍이 제

시된 것은 브레슬로 등이 보고한 180- 교환 실험의 결과를 꼽을 수 있다 .34) , 35) N- 벤조일글리신 혹은 N- 아세틸글리신의 카르복실기에 1e 0-을 표지한 뒤, 이 180 이 물의 160 과 교환되는 반응 (19) 의 속도를 CPA 존재하에서 측정하였 다. 그 결과, a- 아미노산을 반응계에 가해 주면 괄목할 만한 증속 현싱이 관 찰됨에 반하여 a- 히드록시산울 가할 때에는 속도 증가가 거의 나타나지 않았 다.

R) 0 lNH.,. cH2l (180 · + HX-CHR-coo· ~ R) 0 lNH., .cH2llx— CHA -COO·

Glu-270 이 일반 염기로 작용하는 경우 이 180- 교환 반응은 CPA 의 활성자 리 내부에서 아실-글리신과 a- 아미노산(혹은 a- 히드록시산)이 아미드(혹은 에스 데르)를 합성하였다가 다시 가수분해됨으로써 (20) 일어난다고 볼 수 있다. 에 스데르보다 아미드가 열역학적으로 더 안정하므로, 아미드의 합성 속도가 에스 데르의 합성 속도보다 더 클 것을 예측할 수 있다. 이에 따라 180 교환 속도가 a- 히드록시산이 존재할 때보다 a- 아미노산이 존재할 때 더 빠르다는 실험 결 과를 일반 염기 메커니즘으로 설명할 수 있는 것이다.

RJ 。 lN H ，，야 2I 1% + CPA ~

반면에 Glu-270 이 친핵체로 작용한다면 아실-글리신과 Glu-270 사이에 산 무수물 중간체가 형성되고 이 중간체가 도로 파괴됨으로써 (21) 18 Q-교환이 일

어나게 된다. 이 경우 a- 히드록시산 혹은 a- 아미노산을 가해 줄 때 두드러 진 180 - 교환 속도의 차이를 예측하기 곤란하다. 따라서 브레슬로 등은 친핵성 메커니즘을 배제하고 일반 염기 메커니즘을 선택하였다.

Glu U-O0 Z!n~ HH r XH-R' Glu 丈文0言\ Zn~ HH rxH-A'

그러나 브레슬로 등이 발표한 논문의 각주에서 34) 언급되었듯이 친핵성 메커 니즘아 작동하더라도, 산무수물 중간체가 아실-글리신으로부터 형성되거나 파 괴되는 속도가 가해 준 a- 아미노산에 의하여 촉진된다면 180- 교환 실험의 결 과가 설명된다. 피리딘옥심의 아세틸 에스데르의 가수분해에 대한 금속 이온의 촉매작용을 소재로 한 모형 연구의 결과, 금속 이온에 배위된 물 분자가 아실 화합물에 친핵체로서 공격할 때 일반 염기에 의한 보조를 받음이 밝혀졌 다. 36),37) 아실 -CPA 중간체의 파괴가 물 분자의 공격에 의해 일어난다면 (22 혹 은 23) , a- 히드록시산보다 a- 아미노산이 훨씬 강한 염기이므로 a- 아미노산을 가해 주었을 때 아실 -CPA 중간체가 더 큰 속도로 파괴될 것이다. 따라서 아 실 -CPA 중간체의 파괴 및 그 역반응인 재합성은 a- 아미노산의 존재하에 촉진 될 수 있고, 이것으로써 관찰된 180- 교환 속도를 설명할 수 있는 것이다. 이러 한 이유로 브레슬로의 180- 교환 실험은 친핵성 메커니즘과 일반 영기 메커니즘 울 구별할 수 없는 것이다. 최근에는 립스콤 등이 아연 이온에 배위된 물 분자가 친핵체로 작용하며 이 때 Glu-270 이 일반 염기로 작용한다는 메커니즘 (18) 을 제안하였다 .38) CPA 에

OH RCH2 R' OH RNH R'

대하여 강력한 저해제로 작용하는 케톤들과 CPA 가 형성한 착화합물의 X- 선 결정 구조를 조사한 결과, 케톤이 수화되어 있고, 이 수화물의 두 산소가 Zn( ll ) 이온에 배위되어 있음 (24) 이 밝혀졌다. 케돈의 수화물이 CPA 의 활성자리에서 안정화되는 것은 특이한 사실이다. 립스콤 등은 이 케돈 수화물이 기질의 가수 분해에 관여하는 전이상태의 유사체라고 보고, 아미드 기질의 가수분해는 2 요 l 표시한 바와 같이 진행될 것이라고 제안하였다. 이러한 결정 구조로부터 메커니즘을 제안하는 데에는 몇 가지 중요한 한계점 이 있다. X - 선 결정학의 방법으로는 비생산적이며 정적인 효소-저해제 혹은 효소 - 가짜 기질의 착화합물의 구조를 밝힐 수 있을 뿐인 데 반하여 반응 메커 니즘에서는 생산적이며 동적인 전이상태의 구조와 관련되어 있음을- 염두에 두 어야 한다. 뿐만 아니라, X - 선 결정학이나 분광학적인 방법으로는 항상 가장 안정한 분자 형태에 대한 정보가 일차적으로 수립되는 데 비하여 수많은 화학 반응은 불안정한 분자 형태를 출발점으로 하여 진행되고 있다. 예를 들어 할로 겐화 시클로핵산의 안정한 형태에서 할로겐은 적도 위치를 점유하지만 이 화합 물의 가장 특칭적인 화학반응인 E2 제거반응은 할로겐이 축 위치를 점유한 불 안정한 형태에서 진행된다. X- 선 결정학으로부터 측정한 구조는 열역학적으로 가장 안정한 형태일 뿐이며, 실제 반응의 전이상태의 구조와 직접적인 관계는 없는것이다. 일반 염기 메커니즘을 주장하는 측에서 최근에 제시한 증거로 포스페이트 저 해제에 대한 자료가 있다. X-(Ala)n-Ala-Ala(n=l 혹은 2) 로 표시되는 일련 의 펩티드는 t a t /Kma pp가 102-l05s-1M-1 이고 Km 이 10-1-10-•M 정도인 기 질이이트다 .에 스그데런르데로 이 러바한꾼 기X질-(이A laC)P 2A-N 에H 의-C해H 가 (C수H분3)해 -되P (는02 아-) 미0-드C H결 (합CH을3 )포 c 스oo페- 는 K 가 10- 4- 10-1M 인 저해제이다. 이 저해제에 대하여 측정한 log Ki 는 상응하는 기질에 대하여 측정한 lo g K깁t a t에 대하여서는 기울기가 0 . 93 인 직선의 관계를 보이며, lo g Km 에 대하여 기울기가 0.98 인 직선의 관계를 보인 다. 39) 이 저해제들이 전이상태 유사체라면 lo g K 는 lo g K깁 &m 에 대하여 직선 관계를 보일 것이다. 한편 이러한 포스페이트 저해제와 CPA 가 형성한 착화합 물의 X 선 결정 구조를 측정한 결과, 24 및 E 와 유사하게 포스피닐기의 두

산소가 Zn(Il )이온에 배위되어 있음이 판명되었다. 40),4 이러한 일련의 자료로 부터 기질이 가수분해될 때의 전이상태는 포스페이트 저해제와 형성한 착화합 물과 유사하며, 따라서 전이상태에서 Zn(Il) 에 배위된 물 분자가 천핵체로 작 용한다고 해석하고 있는 것이다. 포스페이트 저해제로부터 얻은 결과를 해석하는 데에도 몇 가지 제약이 있 다. 첫째로, Io g K, 가 Io g Km 과 직선 관계에 있음에 비하여 K,가 1000 배 가량 변화할 때에 kca t은 거의 차이를 보이지 않는 점이다. 이는 포스페이트 저해제 의 결합 방식으로부터 전이상태보다는 기질의 결합 방식에 대한 정보를 일차적 으로 도출할 수 있음을 시사한다. 둘째로, 선형 자유 에너지 관계가 갖는 메커 니즘상의 의미이다. lo g K,는 저해제가 가지는 열역학적 자유 에너지를 대표하 고, lo g K깁 kca t은 기질이 가지는 속도론적 자유 에너지를 대표한다. 이 두 자 유 에너지 간에 직선 관계가 있다는 사실로부터 저해제와 효소가 이루는 구조 가 기질이 반응할 때 거치는 전이상태의 구조와 유사하다고 결론을 내리는 것 은 비합리적이다. 수많은 유기 반응에 대하여 여러 가지 종류의 선형 자유 에 너지 관계가 관찰되지만 선형 에너지 관계로부터 얻을 수 있는 전이상태 구조 에 대한 정보는 극히 제한되어 있다. 예를 들어, 벤조산 에스테르의 알칼리 가 수분해의 속도는 벤조산의 이온화 상수와 선형 자유 에너지 관계 (함게트식)를 보인다. 그러나 벤조산 유도체의 이온화 상수를 결정하는 요인인 벤조산 음이 온의 구조로부터 에스테르 가수분해의 전이상태의 구조를 예측할 수는 없는 것 0l 다. 친핵성 메커니즘을 주장하는 측에서 제시한 속도론적 자료도 대부분- 일반 염 기 메커니즘을 명백히 제거하는 데에는 미흡하다. 최근에 CPA 반응 도중에서 중간체가 축적 혹은 포획되고, 그 중간체가 아실 -CPA 중간체임을 시사하는 증거가 제시되기 시작하고 있다. 친핵성 메커니즘을 확고하게 증명하는 것은 Glu-270 이 친핵체로 작용하여 형성되는 산무수물 중간체를 분리하여 구조를 결정하는 것이다. 그러나 산무수 물이 화학적으로 매우 불안정한 화합물이며 그 파괴 과정에 관해서도 효소 반 응에서는 촉매 효과가 존재할 것이다. 따라서 산무수물 중간체가 존재하더라도 그 수명이 매우 짧울 것이 예측된다. 이러한 이유로 분광학적 방법에 의하여

중간체가 축적되는 것을 관찰하거나 포획재를 사용하여 중간체를 포획하는 연 구 방향에 주력하게 되었다. 샨무수물 중간체가 축적되는 반응국건을 찾으려면, 중간체의 파괴 속도가 형 성 속도보다 느려서 적절히 높은 농도로 중간체가 쌓여야 한다. 이것은 이러한 조건을 충족시키는 기질을 탐색함으로써만 해결할 수 있다 . 이의에도 축적된 중간체가 파괴되는 속도가 충분히 느려야지만 분광학적으로 중간체가 축적되어 있는 것을 확인할 수 있다. 더욱 중요한 것은 축적된 중간체가 단순한 효소-기 질의 착화합물이 아니고 산무수물 중간체임을 인정할 수 있는 증거가 수집되어 야한다는것이다. 0- p클로로신나모일 혹은 0- 신나모일 -L- /3페닐락트산의 가수분해에 대한 ~a t의 pH 의존도는 매우 특이하다. 23),42) 즉, pH 初}지는 pK a7} 6 . 5 인 작용 거가 이온화하여 염기성형일 때 활성을 나타내게끔 'ke a t이 변화하다가 pH 9 이 상에서는 급격히 증가한다. 이것을 9 와 10 으로써 다음과 같이 설명할 수 있다. 42) 解] ％단계 , 즉 중간체 의 형성은 Glu-270 이 음이온으로 존재하여야 반응이 일어나므로 p Ka 가 약 6.5 인 작용기의 이온화가 그 pH 의존도에 반영될 것이다. 반면 %단계, 죽 중 간체의 파괴는 수산화 이온의 공격 경로가 우세한 pH 범위에서는 반응 속도가 수산화 이온의 농도에 비례할 것이고, 물 분자의 공격이 우세한 pH 범위에서 는 p H 에 무관한 경향을 나타낼 것이다. 식 15 낸에서 炭 < ％이면 중간체의 형 성이 속도 결정 단계가 되어 'ke a t는 炭가 되며 'kea ~ pH 의존도는 %의 것과 부합할 것이다. 반면에 &＞炭이면 &a t의 의존도는 %의 것이 되어 Glu-27~ p K갑 은 전혀 반영하지 않을 것이다. 0- p죽늄목·신나모일 혹은 0- 신나모일­ L- /3페닐락트산의 ~a t의 pH 의존도는 %와 %의 크기가 비슷하다고 가정할 때 설명이 가능하다. 즉, 낮은 p H 에서는 'ke a t가 炭에 의해 좌우되어 (ki<~) kt의 p.H 의존도가 ~a t의 pH 의존도에 반영된다. 반면, 높은 p H 에서는 Glu-270 이 완전히 이온화됨으로써 'ke a t이 %에 의해 지배되고(ki>~) k.i의 pH 의존도가 ~a t의 pH 의존도에 직결되는 것이다. 이러한 분석에 의거하여 0- p픕늄로로신나모일 -L- /3-페닐락트산 (CICPL) 의 갸탄은해에 대한 CPA 의 촉매작용을· 저온에서 측정하게 되었다 .43) 죽 2 5° C 에

서는 &와 &가 서로 큰 ` 차이를 보이지 않지만, 각각의 활성화 에너지가 동일 하지는 않을 것이므로 저온에서 % > ％의 조건이 충족될 가능성이 있다고 희망 한 것이다. 이에 따라 -40°C- ― 60°C 의 저온에서 CICPL 을 CPA 의 존재하에 반응시킬 경우 한 중간체가 축적되었다가 사라짐을 볼 수 있었다. 43) CICPL을 기질로 사용하여 저온에서 관찰한 중간체를 Glu-270 이 친핵체로 작용하여 형성된 산무수물이라고 주장하는 몇 가지 상황 증거가 제시되었 다. ”),45 ) 그러나 공명 라만 스펙트럼을 측정한 연구의 결과로부터 , 이 반응에서 산무수물 중간체가 축적되더라도 이 분광법에 의하여 확인될 수 있는 농도로는 쌓이지 않는다는 반론이 제기되었다 .46) 죽, CICPLl 료부터 관찰된 중간체는 산 무수물인 아실 -CPA 중간체가 아니고 단순한 비공유성 효소 - 기질 착화합물의 하나일 가능성이 커진 것이다. 라만 분광법에 의한 실험 결과를 비판하는 논평 이 발표되긴 하였어도, m CICPL을 사용한 저온 실험의 결과를 친핵성 메커니 즘의 증거로 채택하는 데에는 무리가 따른다. 댄실기를 포함하는 에스테르와 아미드 기질이 CPA 촉매작용하에 가수분해 되는 반응에 대하여 S 。 }> E 。의 조건하에서 정류 전 상태의 반응 속도를 측정한 바 있다. 48),4 9 ) 댄실기의 형광에 근거를 둔 형광 스펙트럼을 이용하여 반응 속도 를 측정하였으므로 매우 낮은 농도의 기질이 반응하는 것도 추적할 수 있었다. 이 실험 결과를 12ol] 따라 분석하여 k-1/kI, %, k-2 및 炭 값을 계산하였다. 이러한 속도 변수의 값을 결정하고 lEl 표시된 ES 및 ES1 의 두 중간체가 축 적된 것을 형광 분광학적으로 관찰하였지만, 중간체 ES 떡 구조에 대한 명확한 정보는 얻지 못하였다. 죽, ES 이 산무수물 중간체이어서 친핵성 메커니즘을 지지하는 증거를 제시할 수 있는지, 혹은 일반 염기 메커니즘이 작동하기 때문 에 ES 이 단순한 제器 1 비공유성 효소-기질 착화합물 중간체일 뿐인지에 관한 정보를 얻는 데에는 성공하지 못한 것이다. a- （아실 o }P]노)신나모일기를 아실기로 포함하는 에스데르 기질의 가수분해에 대한 CPA의 촉매작용에 대한 속도론적 연구의 결과로부터 친핵성 메커니즘을 지지하는 강력한 증거가 얻어졌다. 32),33),44) 이 연구에 사용된 기질의 구조를 표 2 에 요약하였다. 기질 a-d 에 대하여 측 정한 속도 변수의 값도 표 2 에 요약하였다.

표 2 a - （아실아미노)신나모일기를 포함한 에스데르 기질의 구조와 2 5' C 에서 측정한

기질 b-d 에 대하여 &a t의 pH 의존도를 조사하였는데, pH 5.5-1 ()ol］서 k.:at 은 p H 에 무관한 경향을 나타내었다. 기질 b 혹은 c는 CPA 와 섞으면 안정한 중간체가 축적되는 것이 자의선 분광학적으로 관찰되었다. 32),51) 축적된 중간체 가 생성물로 변환되는 과정의 유사 일차 속도 상수는 갇은 조건하에서 정류 상 태 속도론적 측정에 의하여 구한 k.:at 값과 일치하였다. 기질 b 혹은 떠 가수분해 도중에 축적된 중간체는 다음과 같은 근거로 산 무수물 아실 -CPA 중간체라고 결론지어졌다. L- /3페닐락트산을 포함하는 기질의 KmaP Pi즌 대개 10-•M 근처이고, L- 만 델산을 포함하는 기질의 것은 대개 10-3M 이다. 이에 비하여 기질 a-d 의 Kmap ~ 이것들보다 훨씬 작은 값을 나타낸다. 이것을 1 책 반응식으로 설명 할 수 있다. 1 책 ES1 이 축적되는 경우에는 ESI>ES 이며 따라서 ki~ (I¾+ &）이다. 이 조건하에서 k.: a t과 KmaPPol] 관한 식인 1~ 1~ 곤 %과 27 과 같이 변환된다. 기질 a-d 에 대하여 관찰된 매우 작은 Kmap p 값은 27로 설명이 가 능하다. 죽 통상적인 에스데르에 대해서는 Kma pp가 Km 임에 비하여 a-d에 대 해서는 27 이 적용되는 것이다. 축적된 중간체가 생성물로 전환되는 과정의 속

도 상수 (1 책 &)가 kca t과 일치한다는 사실도 27 및 1 꺽끌 지지하여 준다. 幅 = ~ (26) Kmap p = Km (써 + %)/:K m = (k-1 냐 )/k1 (27) 福이 p H 에 무관하다는 사실은 축적된 중간체 ES1 이 Glu-27 個} 기질의 아 실 부분 사이에 형성된 산무수물이라는 것을 가리키고 있다. 만약에 tot 과정 에 Glu-270 이 친핵체 혹은 일반 염기로 참여한다면 Glu-27~ p Kn 가 t a t의 pH 의존도에 반영되어야 한다. 반면에 b-d 의 가수분해에서 산무수물 중간체의 파괴 (&)가 속도 결정 단계이고, 산무수물 중간체가 주로 물 분자의 공격에 의 해 파괴된다면 t a t은 p H에 무관하여야 하는 것이다. 아실기 이동 반응에서 다른 이탈기를 가진 기질에서 형성된 공통된 중간체가 동일한 속도로 분해되는 것 45) 을 중간체가 친핵성 메커니즘에 의하여 형성된 것 임을 입증하는 증거로 채택할 수 있다. 따라서 困斗 d 에 대하여 관찰된 거의 동 일한 tat 값도 이들 두 기질이 동일한 아실 CPA 중간체를 형성한디는 사실에 대한 강력한 증거가 된다. CPA 의 경우 이탈기 (L- /3페닐락트산 및 L- 만델산)의 결사술의 형수성의 차이에 따라 두드러진 반응성 차이를 보임에 비하여 b2-} d 의 t a t이 거의 동일하다는 것은 중요한 의미를 지닌다고 볼 수 있다. 효소 반응뿐만 아니라 모든 화학 반응에서 중간체의 존재를 확인하거나 분리 하여 구조를 결정하는 것은 반웅 메커니즘의 연구에 가장 중요한 과제가 된다. 그런데 어떤 중간체의 존재를 입증하더라도 그 중간체가 반응물과 생성물을 연 결하는 반웅 경로상에 위치한 진정한 반응 중간체인지 혹은 생성물의 형성과는 무관하게 존재하는 부차적인 평형 반응의 산물인지를 구별하지 않으면 메커니 즘의 연구에 결정적인 단서를 제공하지 못한다. 53) b-d 에 대하여 ES 이 축적되는 것을 관찰하고 그것이 산무수물 아실 -CPA 중 간체라는 것에 대한 강력한 증거가 제시되었다고 하지만, 이 중간체가 진정한 반응 중간체임을 입증하여야 친핵성 메커니즘이 정립된다. 죽 1kl 포함된 ESI 인지 28oll 표시된 부차적인 평형 반응의 산물로서의 ES1 인지를 구별하여야 하

E+S ~k-1 ES A E+P1

는것이다. 관찰된 중간체가 부차적인 평형 반응의 산물이 아니고 전정한 반응 중간체임 울 명백하게 밝힌 실험적인 사례는 모든 종류의 화학 반응을 통틀어서 매우 드 물다. CPA 의 경우에는 E 。 > S 。 조건하에서 d 의 가수분해를 속도론적으로 추 적하여 28 이 적용되지 않음을 밝힐 수 있었다. SO) 이 조건하에서 d 의 반응은 정 류 상태와 정류 전 상태가 구분되지 않고 섞여 있는 비정류 상태의 속도론적 행동을 보여주었다. 이 속도론적 자료를 지에 따라 분석한 결과, 측정된 자료 를 설명하려면 ES 가 ES1 쪽으로보다 E 쪽으로 훨씬 우세한 속도로 전환되어 야 함이 밝혀졌다. 즉 28o1l 따라 반응이 진행되면 관찰된 속도 자료로는 제粹] 중간체인 ES 까 축적될 수가 없는 것이다. 반면 1 約] 따라 실험자료를 분석한 결과, ES 이 상당량으로 축적될 수 있음을- 알게 되었다. 이상에서 설명한 a-d 에 대한 효소 반웅 속도론적인 일련의 실험 결과 산무수 물 중간체가 전정한 반응 중간체로 존재하며, Glu - 270 이 친핵체로 작동하는 메커니즘이 상당한 타당성을 지니고 있음을· 밝히게 되었다. 그러나 축적되는 중간체가 산무수물임을 명확하게 밝히는 증거가 제시되기 전에는 직접적인 증 거로 받아들이기 어렵다는 문제점이 있다. 이 연구의 결과로서 에스데르 기질 에 대하여 친핵성 메커니즘이 작동하는 것은 타당성을 어느 정도 인정받게 되 었지만, 펩티드 기질에 대하여서는 별도의 실험적 증거가 제시되기 전에는 메 커니즘을 단정짓기가 곤란하다. 54) 산무수물 중간체는 에스데르 혹은 아미드 기질보다 훨씬 불안정하므로 기질 에게는 아무런 영향을 미치지 못하는 친핵성 시약과 쉽게 반응할 수 있다. 이 것을 이용하여 산무수물 중간체를 포획하고자 하는 실험이 다수 수행되었다. 포획제를 외부에서 가해 주어서 산무수물 중간체를 포획하려는 연구로는 14c-

티로신 55) 및 14c- /3페닐락트산 56) 과 감은 동위원소로 표지된 화합물과 dl - a- 메 르캅토-/3대닐프로피온산 , 히드록실아민, 아지드이온, 메탄올, NaBH4 와 같 은 친핵성 시약을 5 7 ) 포획제로 사용한 경우가 보고되어 있다. 그러나 이러한 포 획 실험은 모두 성공하지 못하였다. 이것은 산무수물 중간체에서 활성자리가 기질의 아실 부분에 의하여 막혀 있어 포획제가 산무수물기에 접근하는 것이 봉쇄될 가능성과 중간체의 파괴도 효소에 의해 촉진되어 고속으로 진행될 가능 성으로써 설명할 수 있다.

0 0

기질의 아실 부분에 포획용 작용기를 도입하여 산무수물 중간체의 분자내 포 획 반응을 시도한 예도 (29,30) 있다. 그러나 이러한 분자내 포획 반응도 성공 하지 못하였다. 32),57) 이는 효소 반응에 의한 중간체의 파괴 과정이 분자내 포획 반응보다 훨씬 빠르거나, 중간체내의 분자형태가 분자내 포획 작용기를 산무수 물기로부터 분리시키고 있기 때문으로 설명할 수 있다. 에스데르 혹은 아미드 기질을 _60°C-_75C 에서 CPA 와 섞고, 효소를 변 성시킨 뒤 NaCNBH3 및 히드록실아민 등으로 산무수물 중간체를 포획하는 데에 성공하였다는 결과가 보고된 바 있다. 58),59) 산무수물 중간체가 형성된다면 생성물로 변환되기 전에 이 중간체를 변성시켜 중간체의 파괴에 대한 효~ 반 응을 정지시킬 수 있다. 뿐만 아니라 변성에 의하여 활성자리 내부의 형태가 풀어져서 산무수물기가 포획제의 공격에 노출될 수도 있다. 이러한 이유로 이 포획 실험이 성공하였다고 볼 수 있다. 그러나 이 포획 실험 결과 도입된 방사 능의 수준이 그다지 크지 않아서 그 결론을· 신뢰하기 어렵다는 강한 이의가 제 기된 바있다 .54) 산무뀜 중간체의 존재를 지지하는 강력한 증거가 라만 분광의 기법에 의하 여 최근에 수집되었다. 60) L- /3－페닐락트산의 P- 디메틸아미노벤조산 에스데르

(CH3)2N::) ) 근Is (CH3)2N: HO) )

를 기질로 사용하여 CPA 의 결정과 반응시켰을 때 (31) 라만 스펙트럼상에 산 무수물의 형성이 관찰된 것이다. 한편 가수분해 반응의 생성물인 L- /3-페닐락 트산과 P- 디메틸아미노벤조산울 CPA 의 결정과 반응시켰을 때에도 산무수물이 형성되는 것이 라만 스펙트럼으로 관찰되었다. 이상의 결과로부터 평가할 때 적어도 에스테르 기질의 경우에는 산무수물 중 간체가 형성된다고 결론 내리는 것이 현재로서는 타당하다. 펩티드 기질의 61) 경우에는 펩티드로부터 산무수물이 형성되는 속도가 느려서 산무수물 중간체를 축적시키는 것이 에스테르 기질의 경우보다 훨씬 어려울 것이 예상되며, 따라 서 산무수물 중간체의 존재에 대한 증거를 수집하기가 쉽지 않을 것이다. 현재 로서는, 나중에 CPA 의 모형에 관한 결과를 논의할 때 언급할 것이지만, 에스 테르 기질이 무수물 메커니즘을 거쳐 가수분해된다면 펩티드 기질도 동일한 메 커니즘으로 가수분해될 것이라는 모형 연구의 결과가 펩티드 가수분해 메커니 즘에 대한 단서를 제공하고 있다. 제 4 절 Ty r-2 4~ 촉매 역할 Ty r-2 4~ 페놀기가 아미드 기질의 가수분해 과정에서 아민기가 이탈할 때 일반 산으로 작용할 가능성이 CPA 의 X- 선 결정학적 구조로부터 제기되었 다 .1),7) T yr -248 에 대한 연구는 화학적 수정에 의하여 본격적으로 개시되었다. 아세 틸 이미다졸 식초산무수물, I5 혹은 ICI-, 5- 디아조 -lH- 테트라졸, 데트라니 트로메탄, 디아조화된 아르사닐산 등을 가하여 T yr -248 을 화학적으로- 수정하

였다. 62)-74) T yr -248 이 화학적으로 수정될 때 에스데르에 대한 효소의 활성은 수배 증가하고 아미드에 대한 효소의 반응성은 거의 사라짐을 관찰하였다. 이 결과가 에스테르 및 아미드 기질에 대한 CPA 의 메커니즘이 다르다는 것을 가 리킨다고 해석하기도 하였다. 그러나 이러한 자료는 속도론적 측정이 미숙하기 때문에 얻어진 것이다. &a t과 Km 을 정확하게 측정하면 에스테르와 아미드에 대하여 큰 차이점이 없음이 밝혀졌다. 63) 효소의 작용기를 화학적 수정에 의하여 변환시키려는 경우에 항상 봉착하는 문제점은 수정 방법의 선택성의 결여이다. 즉 어느 한 개의 작용기만 수정되지 않고 여러 개의 아미노산 곁사슬이 동시에 수정되는 것이다. 이때에 얻어지는 속도론적 자료로부터는 메커니즘 결정에 유용한 정보를 도출해 내지 못하는 것 o] 다. T yr -24 짜 선택적으로 수정하는 것은 테트라니트로메탄에 의하여 Ty r-2 48 의 페놀을 니트로페놀로 변환시키는 방법과 디아조화된 아르사닐산울 사용하여 T yr -24 허 페놀을 아조 유도체로 바꾸는 방법이 알려져 있다. 이와 같은 방법 으로 얻은 니트로티로신 -24 8:ilt 아르사닐아조티로신 -24~ p Ka 가 각각 6 .4 및 7. 7 임이 알려져 있다. 이와 같이 수정된 CPA 에 의한 에스데르 기질 CICP~ 가수분해에 대하여 ~et 및 ka t IKma p펴 pH 의존도를 조사하였다. 42) 그 결과 p Ka 가 6.4 혹은 7.7 인 Ty r-2 4~ 수정체가 이온화하여도 반응성에는 아무런 변화가 없음이 밝혀졌다. 즉 에스데르 기질의 가수분해에 T yr -24~ 본 아무런 촉매작용을 하지 않는 것이다. 최근에는 유전자 재조합 기법을 사용하여 T yr-248 을 Ph~ 뉵i 바꾸고, 에스 데르 혹은 아미드 기질에 대한 반응성을 조사한 결과 두드러진 변화를 관찰하 지 못하였다. 75) T yr이 페놀을 결사슬로 가지고 있는 데에 비하여 Ph~ 결사 술인 페닐기에는 히드록시기가 결여되어 있다. 따라서 Ty r-2 4~ 페놀 히드록 시기는 에스테르와 아미드 기질에 대하여 중요한 촉매 역할을 담당하지 않는다 고할수있다. D- 티울예스데르의 가수분해에 대한 CPA 의 반응에서는 Ty r-2 4~ 친핵체 로 작용하는 것이 보고되어 있다. 5)

제 5 절 Zn(Il )이온의 촉매 역할 CPA 의 Zn(Il )이온을 다른 금속 이온으로 치환하면 에스데르 및 아미드 기 질에 대한 활성도가 변화한다. 76)- 8 3) 금속 이온에 따라 활성도가 유지 혹은 증 가되기도 하고 완전히 사라지기도 한다. 이와 갇이 수정된 CPA 에서의 금속 이온들의 배위 구조에 관한 여러 가지 정보가 수집되어 있기도 하다. 80),84)-89) 유기화학 혹은 무기화학적으로 효소가 수정되면 별개의 효소가 얻어전 것으로 간주할 수 있다. 수정된 효소에서 관찰되는 여러 가지 화학적 성질이 천연 효 소에 그대로 적용된다고 보기는 어렵다. 이러한 제한점을 감안하면서 수정된 효소로부터 얻은 정보를 천연 효소의 연구에 이용하여야 한다. CPA 의 Zn( Il )이온은 루이스산으로 작용하여 기질의 카르보닐기를 극성화 하거나 Zn (Il)에 배위된 물이 친핵체로 작용함으로써 촉매작용에 참여한다고 일반적으로 제안되고 있다. 이것은 아무런 실험적 근거를 가지고 있지 못하며, 단순히 X- 선 결정학적 연구의 결과로부터 제안된 메커니즘에 기인할 뿐이다. 현대 과학 수준으로는 CPA 의 촉매작용에서 Zn( Il )이온이 담당하는 정확한 역 할을 직접적으로 구명해 낼 기법이 존재하지 않는다고 할 수 있다. CPA 의 Zn ( Il ) 이온과 관련된 또 다른 촉매 작용기로 Zn (Il ) 이온에 배위된 물 분자를 들 수 있다. CPA 에 대한 핵자기 공명 연구와 81) 아르사닐아조 -T yr- 248-CPA 에 대한 가시광선 분광학적 연구의 30),31) 결과로 Zn( Il )이온에 배위된 물 분자의 pK a 값은 약 9 로 밝혀졌다. 그리고 전술한 바와 갇이 각종 기질에 대한 t a t /Kma p떠 pH 의존도에 이온화 상수가 반영되고 있다. 효소-기질 착화합물에서 Zn(Il )이온에 배위된 물 분자가 일반 산으로 작용 할 수도 있고, 이것이 이온화되어 수산화 이온으로 변하면 친핵체 혹은 일반 염기로 작용할 수도 있다. CPA의 Zn( Il )이온의 배위수는 정상치인 4 가 아니 고 5 이며, 이중 셋은 단백질의 극성 결사슬이 제공하는 염기성 작용기가 리간 드로서 점령한다. 89),91),92) 나머지 두 자리 중 하나를 기질이 차지하더라도 물 분 자 혹은 수산화 이온이 배위될 수 있는 자리 하나가 존재하는 것이다. 현재로 서는 Zn( Il ) 이온에 배위된 물 분자 혹은 수산화 이온이 CPA 의 작용에서 담당 하는 촉매 역할을 밝힐 수 있는 직접적인 증거를 제시하는 실험적 자료는 존재

하지 않는다. 제 6 절 기타 작용기의 역할 Ar g -14 핵 구가니디늄 OJ =o]온이 기질의 카르복실 음이온과 정전기적인 작용 울 함으로써 기질을 활성자리 속에 결합되게 할 것이라는 점은 X- 선 결정학 구조로부터 제안된 바 있다. Arg- 1 4~ 중요성은 단순히 X- 선 결정학적 구조 에 의하여만 지지받고 있을 뿐이며, 화학적 수정 93) 등의 화학적 연구에서는 별 다른 정보가 얻어지지 않았다. Glu-270, Ty r-2 48 및 Arg- 1 45 이의에도 Arg- 1 27, Ser-197, Ty r-1 98 등이 이차적인 중요 촉매 작용기로 존재한다는 것이 최근의 X- 선 결정학적 연 구의 결과로부터 제안되고 있다. 92) 제 7 절 모형 연구 금속 이온과 카르복실기가 분자내 촉매 작용기로 도입되어 괄목할 만한 협동 성을 실현한 예의 하나로 6- 카르복시아스피린의 가수분해에 대한 Fe( 매) 혹은 A l( lll) 이온의 촉매작용을 들 수 있다 •94) 이 촉매작용의 메커니즘은 제炳대서 논의한 바와 갇이 저해적인 역반응 경로를 금속 이온이 봉쇄하는 것을 포함하 고 있댜 따라서 이 반응에서 작용하는 금속 이온의 촉매 역할은 CPA 의 그것 과처이가난다.

。

3 쩌 표시된 모형 반응에서 카르복실 음이온은 친핵체로, 금속 이온은 이탈 기의 이탈 능력을 제고하는 루이스산으로 작용한다고 제안되었다. 96) 그러나 이 반응의 속도 자료는 에스테르 결합에 카르복실기가 공격하는 것 이의에도 금속 이온에 배위된 물 분자가 친해체로서 공격하는 것과도 부합하는데, 이 두 메커 니즘이 명백하게 구별되어 해석되어 있지는 않다.

H2NI 니`N H2 33 [M = Co(lll)l H2N: 니``N H2

브레슬로 등은 아미드의 가수분해에 금속 이온과 카르복실기가 협동적으로 참여할 수 있는 모형으로 3~ 화합물을 연구하였다. 54) 이 모형 화합물에서 금 속 이온과 카르복실기가 협동하는 것은 속도론적으로 관찰되지 않았다. 이 모 형 반응에서 금속 이온과 의부 완충제에 의한 협동 작용은 관찰되었는데, 이 결과로부터 CPA 에 의한 아미드 기질의 가수분해 반응에서 Glu-270 이 일반 염 기로 작용할 것이라고 제안되었다. 그 이유는 Glu-270 이 일반 염기로 작용하 면 기질의 아민 부분이 이탈할 페에 질소를 양성자화하는 데에 필요한 양성자 공여체가 존재하지만 (34) , 천핵성 메커니즘인 경우에는 양성자 공여체의 역할 을 담당할 작용기가 없다는 것이다. 모형 반응에서 긍정적인 결과를 얻었으면, 그 촉매 요인이 효소계에서도 작 용할 것이라고 결론을 내릴 수 있다. 그러나 어느 촉매 요인이 모형 반응에서 관찰되지 않았으므로 효소계에서도 작용하지 않을 것이라고 단언할 수는 없다.

주 n

브레슬로의 해석은 모형 화합물게서 관찰되지 않았으므로 효소의 친핵성 메커 니즘을 부정한다는 논리이다. 그의 주장을 수용하면서도, CPA 가 아미드 가수 분해에서도 친핵성 메커니즘으로 작용할 가능성을 다음과 갇이 제안할 수 있 다. 전술한 바와 같이 CPA 와 기질이 형성한 착화합물에서 Zn( Il )이온의 배위 수는 57} 되어 물 분자가 배위될 수 있다. Glu-270 이 친핵체로서 아미드 기질 울 공격하면 정사면체 중간체가 형성된다. 이 중간체에서 아민이 이탈될 때에 Zn( Il )이온에 배위된 물 분자가 일반 산으로 작용하여 양성자 공여체의 역할을

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담당할 수 있다. 죽 3 요 l 요약된 바와 같은 메커니즘으로 . 반응이 진행된다면 브레슬로 등이 모형 연구에서 수집한 실험 결과와도 부합되는 것이다. 앞에서 소개한 각종 모형 연구에서 금속 이온과 카르복 4J 기가 CPA 에서 제 안된 촉매 역할을 담당하지는 않고 있다. ％에 표시된 에스테르와 아미드의 가 수분해에 대한 금속 이온의 촉매작용에서 많은 수의 CPA 의 특칭이 성공적으 로 재현되었다. 96)-100) 특히 95% DMSO 를 용매로 사용하였을 때 Cu(Il ) 혹 은 N i(Il)이온이 효과적인 촉매로 작용하였는데, 이 반응의 메커니즘은 37과 갇이 카르복실 음이온이 친핵체로 작용하여 산무수물 중간체를 형성하는 것이 입증되었다. 이 모형에서 재현된 CPA 의 특칭을 나열하면 다음과 갇다. 1) 알킬 아미드 및 알킬 에스테르의 신속한 탈아실화. 2) 금속 이온, 카르복실기 및 매체의 협동. 3) 카르복실기가 음이온일 때에 활성 보유.

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4) 금속 이온과 카르복실기의 촉매 역할이 CPA 의 산무수물 메커니즘의 경 우와동일. 5) 에스데르와 비교하여 더 빠르거나 비슷한 속도로 아미드가 탈아실화. 특히 다섯번째에 언급한 바와 같은 아미드와 에스데르에 대한 반응성의 평준 화는 CPA의 중요한 특칭이다. 에스데르보다 아미드가 화학적으로 훨씬 안정 하기 때문에 키모트립신 등과 같은 통상적인 펩티다제는 아미드보다 에스테르 를 훨씬 신속하게 가수분해한다. 그런데 이 모형에서는 아미드와 에스데르의 반응성이 비슷한데, 그 이유는 꼬과 같은 메커니즘으로 아미드의 반응이 더욱 기속되기 때문으로 볼 수 있다. 이 모형 연구의 결과로부터, 에스데르 기질이 CPA 에 의하거 소뮤수물 메커니즘으로 가수분해되면 펩티드 기질도 동일한 메 커니즘으로 효과적으로 가수분해될 수 있다는 결론을 도출할 수 있다. 제 8 절 결론 CPA의 X- 선 결정학적인 구조가 발표된 이후 약 20 년간 수많은 논문이 CPA 의 메커니즘에 관하여 발표되었다. 그러나 현재로서는 Glu-270 이 에스테 르 기질의 가수분해에서 친핵체로 작용한다는 가설에 대한 강력한 증거가 속도 론적 및 라만 분광학적 자료에 의하여 제시되어 있을 뿐이다. 펩티드 기질의 가수분해에서 Glu-27 뼈 역할이 친핵체인지 혹은 일반 영기인지를 분간하는

증거는 아직 제시된 바 없다. Zn(Il) 이온의 정확한 촉매 역할을 밝히는 증거를 CPA 를 대상으로 칙접 실 험하여 수집하는 것은 현재의 과학 수준으로-는 곤란하다. 따라서 모형 화합물 의 연구에 의한 간접적인 접근 방법이 유용히다. 전술한 바와 같이 효소 반응 메커니즘을 결정하는 데에는 반응 속도론아 가 장 중요한 도구이다. 그러나 반응 속도론만으로.는 메커니즘을 결정할 수 없기 때 문 에 중간체의 축적 및 포획과 같은 화학적 방법, x- 선 결정학, 각종 분광 학 등의 기법을 종합적으로 사용하게 된다. X - 선 결정학은 효소의 활성자리 주위의 杯빗적 구조 를 밝혀주기 때문에 효소 반응 메커니즘의 연구에서는 필 수 불가결한 도구이다. 그러나 반응 메커니즘은 용액 속에서 일어니~ 동적인 과정에 관한 것임에 비하여 X- 선 결정 구조는 결정내에서 존재하는 정적인 구 조라는 점에서 큰 차이가 있다. 죽 X - 선 결정학으로부터 유용한 정보는 얻어 내지만, 이 정보가 실제 반응에서 작용하는 메커니즘에 반드시 적용이 가능한 것은 아니라는 것이다. 효소 반응 속도론에서 도출된 정보는 실제 반응의 메커 니즘에 반드시 적용된다는 점에서 X- 선 결정학과 두드러진 차이점을 보인다.

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제 6 장 신의약설계 신의약 설계는 유기화학의 기법을 이용하여 의학적인 문제점을 해결하는 중 요한 예이다. 이 분야는 의약화학에서 광범위하게 다루어지고 있기 때문에 1) 여 기에서는 간단히 몇 가지 전형적인 사례를 소개하는 것으로 국한할 것이다. 제 1 절 효소저해 효소 저해제는 효소와 착화합물을 형성함으로써 효소가 기질과 반응하는 속 도를 저하시킨다. 어느 효소가 질병의 원인이 되는 물질을 발생시킨다면 이 효 소의 기능을 저해함으로써 질병을 치료할 수 있다. 효소 저해제가 의약품으로 개발된 사례로 고혈압 치료제인 캡토프릴을 들겠 다. 신장에서 분비된 레닌은 혈당 단백질인 안지오덴시노겐에 작용하여 1 (}7 R 의 아미노산으로 이루어전 안지오덴신 1 을 생성한다. 안지오덴신 1 은 안지오덴신 전환 효소 (ACE) 의 작용에 의하여 카르복실 말단에서 두 개의 아미노산울 방 출함으로써 안지오덴신 Il 를 생성한다. 안지오텐신 Il 는 혈압 상승의 원인이 되 기 때문에 AC~ 저해제를 두여하면 고혈압의 강하를 초래할 수 있다. AC 底 0 편 금속 효소이며 단백질 가수분해에 작용한다는 점에서 카르복시 펩티다제 A와 유사하다. AC& 기 구조가 알려지지 않았을 때에 카르복시펩티 다제 A의 강력한 저해제로 보고된 l- 벤질숙신산 (1) 을 모형으로 하여 loll 표시 한 과정을 거쳐 강력한 ACE 저해제인 캡토프릴의 구조를 도출하게 되었다. 1),2) 캡토프릴은 현재 전세계에서 가장 많이 팔리는 약 중의 하나인데, 캡토프릴울

~HSY c-1Co \os o Z&In ° 尸0~I\ ..,-,_ :。 I ICso= 330 µM

제 2 절 수용체인식 약물은 체내 세포의 표면에 존재하는 일정한 구조와 형태를 가진 수용체와 결합하여 물리 화학적 작용을 동하여 세포내에서의 생화학적 변화를 유발하고 이는 결과적으로 거시적인 생리적인 반응으로 발전한다. 수용체와 결합함으로 써 생리적인 항전작용을 유발하는 약물을 효농약이라고 하며, 수용체와 결합은 하지만 생리 효과는 나타내지 못하며 효능약의 결합을 방해하는 물질을 길항약 이라고부른다. 신약을 개발하는 과정에서 수용체에 관한 정보를 수집하는 과정을 모르핀 수 용체를 예로 들어 살펴보기로 한다 .4)-6) 모르핀 (5) 은 강력한 진통제이지만 마 약성 물질로 많은 부작용이 있다. 모르핀보다 강력하면서 부작용이 없는 기적 의 진통제를 개발하려는 광범위한 노력이 기울여지고 있다. 아트로핀 (6) 은 콜 린 수용체에 작용하는 콜린 억제제인데 이것의 유사체로 합성한 데메롤 (7) 이

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진통 능력이 있음이 우연히 발견되었다. 7 에 점선으로 표시한 모르핀 구조와 데메롤이 잘 겹치는 것으로 보아 데메롤이 모르핀의 수용체를 인식할 수 있다 고되었 볼는데 수, 있이다와. 같아이트 로개핀발을된 선N도— C물H 질3 로영 역사의용 하협여수 성새을로 운개 선전하통기제 를위 하설여계 하합게성 된 벤지트라미드 (8) 는 모르핀보다 7 배가량 강력한 진통효과를 가지고 있다. 벤 지트라미드는 또 다른 진통제인 펜타닐 (9) 및 정신병 치료제인 드로페리돌 (10) 과 구조적인 유사성을 지니고 있다. 한편, 전통제인 벤지트라미드와 데메 롤의 구조를 섞어서 합성한 로모틸 (11) 은 전통 효과는 없고 진통제들의 부작용 만 극대화하여 설사약으로 효과가 있음은 재미난 시실이다. 이와 같은 정보와 그 밖의 여러 유도체가 보이는 약효로부터 모르핀 수용체의 구조를 n 와 같이 도식화할 수 있다. 수용체의 구조에 대한 정보가 구체적으로 수집됨에 따라 이 를 인식하는 신약을 합리적으로 개발하기가 용이해진다. 제 3 절 DNA 조절 DNA 의 箕변적인 형태를 파손하거나 DNA 의 복제를 저해하면 이 DNA 와 관련된 세포의 증식을 막을 수 있다. 이 세포가 암세포이면 이 방법으로 암울 화학적으로 치료할 수 있게 되고, 병원균의 DNA 의 복제가 저해된다면 이 균 에 의한 질병을 치료할 수 있게 되는 것이다. DNA 합성을 저해하는 의약은 뉴클레오시드계와 비뉴클레오시드계로 나눌 수 있다. 뉴클레오시드계의 약품으로 대표적인 것으로 시토신 아라비노스 (13)

HO~< cyt os m e H,N

를 들 수 있다. 6) 이것은 생체내에서 포스포릴화된 후, DNA 중합을 저해하는 경우도 있고, 새롭게 합성된 DNA 에 끼여들어 가서 DNA의 기능을 파괴한 다. 또 다른 예를 들면, 5- 요도 -5' －아미노 - 2', 5' － 디데옥시유리딘 (14) 은 포유 류인 숙주의 DNA의 복제에는 영향을 미치지 않으면서 허피스 심플렉스 바이 러스의 DNA 복제를 저해한다.

H2N:hN H2 ::广: :3HOCONH2

DNA 의 이중 나선구조에 결합함으로써 DNA의 합성을 저해하는 비뉴클레 오시드계 의약의 예로 프로플라빈 (15) 등과 같은 아크리딘 유도체와 미토마이 신 C(l6) 등과 같은 각종 항생제를 둘 수 있다. 프로풀라빈과 갇은 화합물의 평면 고리는 DNA 의 이중 나선구조에 있는 포개진 염기쌍 사이에 삽입됨으로 써 DNA와 결합하는데, DNA 에 이러한 화합물이 삽입되면 DNA 의 이중 나 선구조가 변형되어 DNA의 복제가 저해되는 것이다. 각종 항생제에 대하여서 도 비슷한 메커니즘이 작용하며, 미토마이신 G 근 항암효과를 나타낸다. 이 의 에도 4 배위 평면 구조를 가진 백금의 시스-디클로로디아민 착화합물등을 DNA 의 두 개의 구아니딘의 N 구원자에 배위됨으로써 이중 나선에 결합하여 항암효 과를보인다. DNA의 이중 나선구조를 인식하는 다양한 화합물이 미생물로부터 검색될 뿐 아니라 유기화학적으로 설계, 합성되 어 항암제, 항생제 등으로서의 효능을 시 험받고 있다. 특히 최근에는 DNA 의 가능한 한 긴 영기 순서와 특이적으로 결 합함으로써 특정 DNA를 선별적으로 인식하는 유기 화합물을 합성하려는 노력 이 상당한 성과를 거두고 있다. 또한, 단순히 DNA 염기 순서를 인식하여 결 합할 뿐 아니라 결합 부위에서 DNA 를 화학적으로 파괴하는 기능을 가진 분자 도 다양하게 설계되고 있는바, 이러한 연구가 진행되면 유기화학적인 기법으로 암과 같은 질병을 정복하게 될 것이다.

참고문헌 1) 김동한, r 의약화학 』 , 동일출판사. 1989. 2) Ondett i, M. A. ; Rubin , R. ; Cushman, D. W. Sci enc e, 1977, 196, 441 . 3) Polga r, L. Mecluznis ms of Prote a se Actio n , CRC Press : Boca Rato n , 1989, p. 199. 4) Henderson, G. ; McFedzean, I. Chem. Bri tain, 1985, 1094. 5) Hit e, G. J. In Pri nc ip le s of Medic ina l Clzernis tzy, Foy d, W. 0. Ed., L ea and Febig er , 1981, Chap ter 12. 6) Dug as , H . Bio o rga n ic C lzemi stry, Spr i n g e r -Verlag : New York, 1989, pp. 96- 102, 140- 15 3.

생물학의 기법을 제이 용2 부한 유기화학의 탐구

제 7 장 유기 합성과효소 제 1절 입체 선택적인 유기 합성에 대한 요쇼의 이용 I) 이 효소 작용의 반응 및 기질 특이성 유기 반응의 거의 대부분의 유형에 대하여 효소가 촉매로 작용한다. 효소는 반응 속도를 괄목하게 제고할 뿐 아니라 개입하는 반응의 유형, 기질과 생성물 의 구조와 입체화학 등에 대하여 높은 선택성을 보인다. 유기 합성에서 응용도 가 높은 효소는 기질의 구조에 대한 특이성이 좁지 않아서 비교적 다양한 구조 룰 가진 기질을 수용하는 효소들이다. 일반적으로 포유류에서 추출되는 효소는 기 질 의 특 이성의 범위가 넓다. 미생물에서 추출되는 효소는 받아들이는 기질의 구조 의 범위가 좁은 대신 미생물의 종류가 매우 많다는 장점이 있다 .

AR CHA O' 占 占XbR

5R HOHOOCh pIoCerr sOoOe xH rOi ad daH 'iss Qe h 5A 2 OH [R = CH(NH: JC OOH or

효소를 여러 가지 사용하면 취급할 수 있는 기질의 구조 범위를 대폭 확대할 수 있다. 텨 예에서 보듯이 알콜을 카르보닐로 산화시키는 효소로 세 가지의 기알질콜에 데 대히하드여로 게효나소제 반를응 사을용 일하반면화 각하각여의 활 기용질할의 수 범있위다.를 ”중 첩시켜 매우 다양한 분자내에 화학적으로 유사한 반응 자리가 두 개 이상 존재하는 경우에 효소

를 사용하면 한 자리만 선택적으로 반응하게 할 수 있다. 산화에 관여하는 효 소를 예로 들어 효소의 효율성을 설명하여 보자. 2 2) 와 33 ) 에 표시한 선택적인 히 드록 시화 반응은 화학적인 산화 방법으로는 달성하기가 극히 어려운 반응이 다. 44) 와 같은 비닐 수소의 할로겐화도 효소를 이용하여 용이하게 진행시킬 수 있으며 , 5 5) 의 경우에는 세 개의 메독실기를 세 가지의 효소를 사용하여 선택적 으로 하나씩 가수분해하여 히드록시기로 변환하는데 이러한 합성 방법은 생리 환성 뭉질 의 합성에 매우 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 합성 반응에 상응 하는 유기화학적인 방법아 있지만, 선택성이 효소 방법과 비교하여 크게 뒤지 고 격렬한 반응조건을 필요로 하며 수율이 낮다는 결점이 있다.

12a-H y dr oxy st e r oid

효소를 이용한 입체 선택적인 산화 반응의 예로 66) 을 또 둘 수 있다. 양粹의 히드록시기 중에 한 개만 선택적으로 산화시키는 이 반응을- 비효소적인 방법으 로 달성하기는 쉽지 않다.

H3c\ H3c\

효소가 기질의 분자내예 존재하는 작용기들을 구별하여 방향 선택적으로 기 질의 구조를 변환시키는 것을 유기 합성에 자주 사용되는 탈보호 단계에 이용 할 수 있다. 예를 들어 77) 에 포함된 두 에스데르 중 각각을 선택적으로 제거하 는 방법이 존재하므로 원하는 히드록시기만 임의로 탈보호시킬 수 있는 것이다.

C6H5CH2CON。H 江〉 peacn yic f ai ls lei n H20N 二〉

효소를 사용하여 아실기를 방향 선택적으로 가수분해하는 방법은 산업적으로 도 사용되는바, 88)과 99) 와 같이 페니실린 유도체 혹은 세파로스포린 유도체의 합성을그예로들수있다. 단백질 가수분해 효소를 이용하여 아실 유도체의 아실기를 물에 전달하면 가 수분해 반응이 일어나지만 아실기를 다른 친핵체에 전달하면 트란스아실화 반 응이 일어난다. 효소를 이용한 트란스아실화 반응은 효소의 특이성 때문에 기 질의 작용기를 보호할 필요가 없다는 이점이 있는데 이를 산업화에 응용-한 예 로 돼지의 인슐린의 알라닌 말단기를 트레오닌으로 바꾸어 인간 인슐린으로 전 환하는 반응 (10) J O) 을 들 수 있다. 효소 촉매 반응에서도 열역학적으로 안정한 생성물이 축적되게 되어 있지만

HOOCCH2\\cz00H + 0-CH:\\ :OOCH3 二노 HOOCCH2\\::H(\ \ PCh00CH3

르 샤틀리에의 법칙을 이용하는 등의 방법으로 반응조건을 조절하면 열역학적 으로 불리한 쪽의 화합물을 분리하게끔 반웅의 방향을 전환시킬 수 있다. 이러 한 현상을 가장 자주 이용하는 분야가 펩티드 합성이다. 열역학적으로.는 펩티 드의 가수분해가 선호되지만 반응조건에 따라 아민과 카르복실산울 결합시켜 펩티드를 합성할 수도 있는데, 그 예를 11 에 표시한 감미료인 아스파르템의 합 성을 들 수 있다. 11) 여기에서 b 가 형성되면 b 가 a 와 불용성 염을 만들어 연속 적으로 제거되기 때문에 펩티드 결합의 형성이 일어나게 된다.

탄수화물을 이용한 유기 합성이 점점 중요시되고 있다. 탄수화물은 여러 가 지 히드록시기를 가지고 있는데 특정 히드록시기만 변환시키고자 할 때 효소가 매우 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어 llol] 서는 효소를 사용하여 비천연적 인 이량체 당화합물을 합성하였다. 12) 포스포릴화 및 탈포스포릴화 반응에 대하여서도 효소는 특이성을 가져서 유 기 합성에 유용하게 쓰이고 있다. 예를 들어, 1313) 과 1414) 에서는 여러 곳의 히 드록시기 및 포스포릴기가 포스포릴화되는 가능성이 있으나 효소를 사용하여 한 자리만 선택적으로 포스포릴화하고 있다. 뉴클레오티드 화학에서 효소를 촉매로 사용하여 염기 를 교환하는 방법이 유 기 합성에 유용하게 사용되는데, NAD 유사체 151s) 와 항바이러스제 1616) 의 합성이 그 좋은 예가 된다.

Adenne-nbos@@bose.,,,,D. 선C HNOTN 三:I).교.as e : Adenme-nbos 麟 boHNs e:I 그\ NHAc

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효소 를 사용하지 않고서는 달성하기가 매우 어려운 합성의 또 다른 예로 아 미노산의 결사슬을 교환하거나 (17 : 세린을 DOPA 로 전환함) 17) o- 레불린산을 축 합하여 포르포빌리노겐을 만드는 반응 (18)'18) 아스파르트산을 선택적으로 탈카 르복실화하여 알라닌으로 전환하는 반응 (19) 19) 등을 둘 수 있다. (2) 효소의 거울상 이성질 특이성의 이용 효소는 라세미 혼합물 기질의 거울상 이성질체를 구별하는 능력이 있다. 효 소가 거울상 이성질체에 대하여 특이성을 가지고 있으면 라세미 기질을 사용하 였을 때 반응은 정확하게 철반만 진행하게 될 것이다. 이때 생긴 미반응 물질 울 재활용하는 방법까지 함께 고안된 경우도 허다하다. 아실라제는 기질에 대한 구조적 요건이 넓어서 다양한 화합물을 기질로 받아 들이면서 동시에 촉매 반응에 대한 입체 특이성은 매우 좁아서 라세미 혼합물 을 구별하는 능력이 탁월하기 때문에 N- 아실 아미노산을 분할 (20) 하는 데에

RN1~c-o;:o-H•• ~으꾹: H+CNOOHH -'o\ + H2N 十CO HO H

유용하게 사용된다. 20) L 이성질체만 아실라제에 의하여 가 수분 해되고 미반응 D- 이성질체는 화학적으로 라세미화 를 유도하여 기질로 재생 할 수 있다. 이 방법 은 산업적으로도 중요하게 사용된다.

RCOOCH3 ~,.._ RCOOCH3 + RCOOH

아미노산을 광학 분할하는 또 다른 방법으로 아미노산 에스데르를 입체 특이 적으로 가수분해하는 방법이 있다. 키모트립신과 갇은 효소는 넓은 범위 (21) 의 라세미 에스데르를 기질로 받아들이면서 입체 특이성을 나타낸다. 2” 에스데라 아제도 이와 같은 성질을 가지고 있어 합성에서 점점 광범위하게 활용되고 있 다 .22) 열역학적으로는 에스데르나 아미드의 가수분해가 자발적으로 일어나는 반응 이지만, 반응조건을 조절하여 역반왕긴 에스데르 혹은 아미드의 형성을 효소

:了°CO뱌OH N 言 CCOH2OCH6 H5

촉 매로써 쉽게 달성할 수 있다. 예를 들어 파파인을 촉매로 사용하여 222 1- 같 이 아미드 를 형성하면 생성된 아미드가 수용액에서 녹지 않기 때문에 생성 죽 시 침전되어 분리된다. 23) 키모트립신을 촉 매로 산과 알콜로부터 에스데르를 생성시킬 때 물과 물에 섞 이지 않는 유기 용매를 공동으로 사용하여 에스데르가 형성되면 유기 용매충으 로 추출되게끔 하여 평형의 위치를 에스테르 형성 쪽으로 바꾼 예도 있으며 ,24) 이와 유사하게 에스데라아제와 25) 리파아제를 26) 사용하여 에스데르 합성을 달성 하기도하였다. 키랄성 에폭시드를 합성하는 일은 유기화학에서 매우 중요하다 .27) 리파아제 를 사용하여 에폭시 에스테르를 거울상 이성질 선택적으로 가수분해함으로써

\ OCOC3H1 누 \LH-O C OC3H7 + 守O ~ -OH

키랄성 에폭시드를 분리해 낸 작업 (23) 도 다수 보고되어 있다. 28) 목적물인 키랄성 화합물이 특히 중요하여 라세미 혼합물에서 목적물의 거울 상 이성질체를 구태여 분리하지 않아도 되는 경우에 입체 선택적으로 원하지 않는 이성질체를 파괴할 수도 있다. 꼬의 예에서는 한 이성질체 를 산화시켜 파 괴하였다 .29) (3) 효소의 프로키랄적 입체 특이성의 이용 앞 부분에서는 효소를 이용하여 라세미 혼합물 중에서 원하는 키랄성 화합물 을 분리하는 작업을 설명하였는데, 이때 원하지 않는 이성 질체를 재생하는 문 제가 뒤따르게 된다. 효소는 프로키랄적 입체 특이성을 가지고 있기 때문에 라 세미 혼합물 대신 원하는 키랄성 화합물만을 효소 를 사용하여 합성할 수 있다. 이 경우에는 원하지 않는 이성질체를 재생할 필요가 없다는 장점이 있다.

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C=C, C=N 혹은 C=O 와 같은 평면형 이중결합의 양쪽 면이 비대칭일 때, 효소는 양쪽 면을 구별하는 능력이 있다. 예를 들어 케돈을 환원하면 케톤 의 카르보닐기가 키랄 중심으로 변환되는데 효소를 촉매로 사용하면 한 가지 거울상 이성질체만 생성 (25) 하여 각종 생리 활성 물질의 합성에 중간 물질로 사용할수있다 .1) 효소를 바꾸어 사용하면 한 가지 키랄 알콜의 두 거울상 이성질체 중 원하

HR X_C OOR' 一oxid o reducta s e R< o COOR'교 교D-교ye 교a st - : •H·O -> <.-、` sC HO OR'

는 이성질체를 선택하여 생성물(예 : 26,27)30) 로 얻을 수 있다. 카르보닐기에 탄소 친핵체가 첨가되면 탄소-탄소 결합이 형성되어 유기 합성 에 유용하게 사용할 수 있다. 효소를 촉매로 사용하면 카르보닐기에 탄소 친핵 체가 첨가되어 한 가지 거울상 이성질체를 선택적으로 형성할 수 있다. 카르보 닐에 대한 시안산의 첨가 (28),31) 아실로인 축합 (29)'32) 알돌 축합 (30)33) 등을· 예로 둘 수 있다. 알돌 축합에 사용되는 알도라제의 경우에는 디히드록시 아세 돈 포스페이트를 기질 중의 하나로 사용하여야 하지만 공동 기질인 알데히드로 는 상당히 광범위한 구조를 가전 화합물을 받아들인다.

@oC 〈H3COCNOHO3 HO H 궁〈\c0O H0 言 〈\c0O H0 ·一 出 N 三

C= N 이중결합에 대한 첨가 반응도 효소의 영향 아래에서는 입체 선택적으 로 일어난다. 피루브산, 암모니아, 아렌 (RH) 을 조효소인 피리독살 포스페이 트와 함께 효소 촉매 반응에 따라 광학 활성인 아미노산으로 전환하는 반응 (31) 을 예로 들 수 있다. 35)

H>=

C= C 결합에 대하여 입체 선택성이 매우 높은 첨가 반응이 효소 촉매 존재 하에서 진행된다• 3~ 반응 예에 따라 아스파르트산 36) 과 말리산 37 ) 이 대량으로 재 조 되고있다.

Cory n ebacte r i um 。