단백질분해효소

[ Protease ]

단백질분해효소(protease, peptidase, proteinase)는 단백질을 이루고 있는 아미노산간의 펩티드 결합을 가수분해 하는 효소이다.

단백질 분해효소는 단백질을 이루는 펩티드 결합을 가수분해하여 작은 조각으로 분해하는 효소로서, 어떤 단백질 분해효소의 경우 단백질의 아미노 말단이나 (aminopeptidase), 카르복실 말단을 (carboxypeptidase) 자르는 엑소펩티다아제(exopeptidase) 가 있고, 어떤경우는 단백질의 중간을 자르는 엔도펩티다아제(endopeptidase, 예, 트립신, 케모트립신, 펩신, 파페인, 엘라스테아제) 가 있다.

활성

단백질 분해효소의 활성은 2가지 기작에 의해서 일어난다.

- 아스파탐산, 글루탐산 및 금속 단백질 분해효소는 물분자를 활성화시켜 펩티드 본드의 카르보닐 (C=O)의 탄소를 공격하여 물을 첨가하여 펩티드 결합을 끊는다.

- 세린, 트레오닌, 시스테인 단백질 분해효소는 활성 잔기가 카르보닐 ( C=O) 의 탄소를 뉴클레오필 (Nucleophile) 공격한 후 탄소와 공유결합을 일시적으로 형성한다. 이렇게 형성된 공유결합에 물이 첨가되어 효소가 떨어져나가면서 펩티드 결합이 분해된다. 이경우 카르보닐 탄소를 공격하는 세린, 트레오닌, 시스테인등의 잔기가, 히스티딘이나, 아스파탐산, 글루탐산등과 뉴클레오필 - 염기 - 산기의 활성 삼각 (catalytic triad)를 이룬다. 예를 들어 세린 단백질 분해효소의 하나인 TEV 단백질 분해효소는 세린(뉴믈레오필)-염기(히스티딘)-이스팜산(산)으로 작용한다 (그림 1).

그림 1. 단백질 분해효소의 활성 삼가 (그림 출처: 위키피디아)

기질에 대한 특이성

단백질 분해효소는 많은 경우 기질의 대한 특이성이 높지 않다. 트립신의 경우 단백질의 종류와 상관없이 라이신 (Lys) 이나 알지닌 (Arg) 바로 뒤를 자른다. 경우에 따라 기질에 대한 특이성이 매우 높은 단백질 분해효소가 있는데, 이경우 대부분 활성 포켓에 깊고 긴 결합부위를 가지고 있다. TEV단백질 분해효소의 경우에는 ENLYFQ\S 의 Q\S 아미노산 뒤를 자른다.

단백질 분해효소의 생물학적 다양성

단백질 분해효소는 원핵생물부터 진핵생물 바이러스까지 다 존재하며 생물학적으로 단순히 섭취하는 음식단백질을 분해하는 작용에서 부터, 피의 응고, 세포의 분해까지 다양한 역할을 담당한다.

식물

카이모신 (Chymosin) 단백질 분해효소가 들어 있는 식물성 레넷 (Vegetarian rennet) 이라고 불리는 식물추출을 이용하여 유럽이나 중동에서 치즈를 만드는데 사용된다. 식물의 유전체에는 수백개의 단백질 분해효소가 존재하는데, 대부분 그 기능이 잘 알려져 있지 않다. 많은경우 식물의 발달조절이나, 광합성에 작용하는 것으로 알려져 있다.

동물

동물의 단백질분해효소는 다양한 세포활동에 작용하는데, 예를 들어 피속에 존재하는 쓰롬빈(thrombin) 단백질 분해효소가 피를 굳게 하는데 중요한 역할을 한다. 어떤 동물들의 독(toxin)도 단백질 분해효소로 작용해 피를 굳지 않도록 하여 독으로 작용한다. 또한 세포 내 다른 단백질을 프로세싱하여 활성이 없는 단백질의 일부를 잘라내어 활성이 있도록 만든다.

박테리아

백테리아의 경우 단백질 분해효소를 세포밖으로 분비하여 외부 호스트의 단백질을 아미노산으로 분리한다. 박테리아나 곰팡이 단백질의 경우 생태계의 탄소와 질소의 순환에 매우 중요한 역할을 한다.

바이러스

바이러스의 경우 바이러스 유전체에서 발현되는 단백질이 하나의 폴리펩티드로 만들어지는데, 단백질 분해효소가 이러한 단백질을 여러조각으로 잘라 기능적 단위의 단백질을 만들어낸다.

단백질분해효소