단백질인산화

단백질의 세린(serine), 트레오닌(threonine), 티로신(tyrosine) 등의 아미노산에 인산기(phosphate group)가 결합하는 것으로 다양한 단백질에서 단백질인산화가 일어난다. 인산기는 단백질에 결합하는 작용기중에서 가장 작고, 음전하를 가지고 있어서 단백질의 구조를 미세하게 조정하고 따라서 단백질인산화에 의해서 단백질이 활성화되거나 저해될 수 있다. 단백질 인산화효소(protein kinase)에 의해서 인산화되고, 단백질 탈인산화효소(protein phosphatase)에 의해서 탈인산화가 일어나며, 단백질 한 개에 3개 이상의 인산기가 결합하기도 한다.

목차

단백질인산화는 기본적으로 ATP의 끝에 있는 인산기(phosphate group)를 세린(serine), 트레오닌(threonine), 티로신(tyrosine) 등 아미노산의 수산기(hydroxyl group)에 옮기는 것이다.

그림 1. 단백질인산화. 단백질의 수산기에 인산기를 결합시키는 것임. (출처: 한국분자·세포생물학회)

단백질 인산화효소(protein kinase)는 단백질인산화를 일으키는데, ATP에서 ADP로 전환되면서 에너지가 방출되며 반응이 일어나기 때문에 단백질 인산화효소에 의한 단백질인산화는 한 방향으로 일어난다.

단백질 탈인산화효소(protein phosphatase)는 단백질 인산화효소의 기능과 반대되는 반응인 탈인산화 반응을 일으켜서 단백질에서 인산기를 제거한다.

세포에는 수백개의 단백질 인산화효소와 단백질 탈인산화효소가 있어서 매우 특이적으로 단백질인산화 반응과 역반응을 일으키게 되고, 인산화 혹은 탈인산화에 의해서 단백질 활성이 조절될 수 있다(그림 2).

그림2. 단백질인산화에 따른 단백질의 활성화. 단백질은 인산화 혹은 탈인산화에 의해서 활성화될 수 있음 (출처: 한국분자·세포생물학회)

진핵세포 등에서 효소에 의한 가역적 단백질인산화(reversible protein phosphorylation)는 단백질의 활성, 구조, 세포내 위치 등을 조절한다. 단백질인산화는 아래와 같이 3가지 방식으로 단백질의 기능에 영향을 주게 된다.

1. 각 인산기는 두 개의 음전하를 가지고 있어서 단백질 인산화효소에 의해서 단백질인산화가 일어나게 되면, 양전하를 가지는 아미노산들을 끌어당기게 되어서 단백질의 구조변화를 일으키게 된다. 이러한 구조변화는 단백질과 결합하는 리간드와의 결합이나 활성에 영향을 주게 된다. 반대로 단백질 탈인산화효소에 의해서 인산기가 제거되면, 원래의 구조를 찾게 되고 활성도 원래대로 돌아간다.

2. 한 단백질이 다른 단백질과 결합시에 인산기 자체가 다른 단백질과 결합하는 구조의 일부가 될 수 있다. 예를 들어 SH2(src homology 2)라는 도메인은 인산화된 티로신을 포함하는 짧은 펩티드 서열을 인식해서 결합한다. 10개 이상의 도메인이 인산화된 아미노산을 포함하는 서열을 인식한다.

3. 인산기가 두 단백질 사이의 결합 부위를 가려서 두 단백질의 결합을 억제할 수 있다. 따라서 단백질의 인산화와 탈인산화는 단백질 복합체의 조립과 분해를 조절할 수 있다.   

단백질인산화 중 티로신 아미노산의 인산화는 매우 빠르게 일어나고, 역반응도 일어난다. 따라서 티로신 인산화는 세포신호전달이 주요 조절 기전으로 작용하는 세포성장, 분화, 세포이동, 신진대사 항상성(metabolic homeostasis)을 조절한다. 이들 기전은 티로신 인산화효소와 티로신 탈인산화효소에 의해서 조절되며, 이들 신호전달의 불균형은 비만, 인슐린 저항성, 제2형 당뇨 등의 질환과 연관되어 있다. 티로신 인산화는 일부 박테리아에서도 발견되었지만 주로 진핵세포에서 나타난다. 

최근 연구에 따르면, 인산화가 된다고 알려져 있었던 세린, 트레오닌, 티로신 이외의 아미노산도 인산화가 된다고 알려 졌다. 이들은 히스티딘, 아스파르트산, 글루탐산, 아르기닌, 라이신 등이다. 이들 아미노산의 인산화는 매우 불안정하여 열 등에 안정한, 세린, 트레오닌, 티로신 아미노산의 인산화와 달리 매우 특별한 처리 방법과 분리 방법을 이용해서 분석할 수 있다. 

단백질 인산화효소(protein kinase), 단백질 탈인산화효소(protein phosphatase), 세린(serine), 트레오닌(threonine), 티로신(tyrosine)

Bruce Alberts et al (2014) Molecular Biology of The Cell

George Plopper (2011) Principles of Cell Biology