탈인산화효소

탈인산화효소는 단백질, 핵산, 당과 같은 생분자 (biomolecules)에 붙어 있는 인산기 (phosphate group)를 떼어내는 효소이다. 화학적인 관점에서는, 인산 일에스터 (phosphoric acid monoester)를 인산염 이온 (phosphate ion)과 알콜로 가수 분해하는 것이다. 단백질이나 핵산 등에 인산을 붙이는 인산화 (phosphorylation)는 인산화효소 (kinase)에 의하여 이루어 지고, 신호 전달 (signaling), 단백질 번역후 변형 (post-translational modification) 등 여러 가지 생명 현상에 필수적으로 작용한다. 따라서, 탈인산화효소는 인산화효소의 작동에 대한 반대 방향의 조절 메커니즘으로 작동하는 경우가 많다.

목차

인산일에스터 (phosphomonoester)의 가수분해를 촉매한다. 단백질의 아미노산에 달려있는 인산기 (phosphate group)에 물분자로부터 얻어진 수산기 (hydroxyl group,-OH)를 더하고, 나머지 수소 이온 (proton, H⁺)을 아미노산의 수산기에 더하여 인산기를 떨어뜨리게 된다. 결국 인산일에스터는 인산기와 수산기로 각 각 분리되는 것으로 마무리된다.

탈인산화효소는 인산화효소와 비교했을 때, 한 효소가 훨씬 다양한 종류의 기질에 대하여 작용한다. 예를 들어 세린/트레오닌 인산화 효소의 종류는 세린/트레오닌 탈인산화 효소의 종류에 비하여 10배 정도 다양하다는 사실만으로도 알 수 있다.

또한, 탈인산화효소는 한 분자의 단백질 내 서로 다른 위치에 붙어 있는 인산기를 모두 떼어 낼 수 있는 활성 특이성을 보인다. 탈인산화효소는 해당 기질의 특정한 2차 구조의 모티프와 결합하고, 이 모티프는 효소의 활성자리 (active site)와는 독립적인 자리에 다양하게 존재한다. 따라서, 여러 위치의 모티프와 다양한 조합으로 결합한 상태에서 활성자리에 인산기를 노출시켜 떼어낼 수 있는 기반이 된다.

단백질 탈인산화효소는 그 단백질 기질의 아미노산을 탈인산화 시킨다. 단백질 인산화효소가 단백질을 인산화함으로써 특정 신호 전달 스위치를 올리는 것이 된다면, 단백질 탈인산화효소의 작용으로 그 신호 전달 스위치를 내리는 작용을 하게 된다. 이러한 스위치-오프 (switch-off) 기능이 없다면 특정 신호가 계속해서 유지되면서 여러 가지 생명 현상들이 한 쪽 방향으로만 쏠리게 되면서 균형을 잃으면 여러 가지 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 단백질 인산화효소/탈인산화효소 시스템은 세포의 조절 네트워크를 이루는 중심적 역할을 하게 된다. 단백질 인산화는 가장 흔하게 볼 수 있는 단백질 번역 후 변형으로서 체내 단백질의 30% 정도가 인산화 되어 있을 것이라고 추측하고 있다.

PP2A는 진핵세포에서 발견되는 세린/트레오닌 탈인산화효소이다. 이형삼합체 (heterotrimer)로 존재한다.  DNA 복제, 대사, 전사 (transcription), 발달 (development) 등에서 중요한 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 대표적인 기질로는 세포 증식을 일으키는 신호 전달계의 인산화 타겟들인  Raf, Mek, AKT 등의 단백질을 들 수 있고 따라서, PP2A는 종양 억제자로서 작용할 수 있다.

칼시뉴린이라고도 알려져 있는 PP2B는 세린/트레오닌 탈인산화 효소이다. 효소활성이 있는 A 서브유닛과 조절 기능이 있는 B 서브유닛이 결합하여 있는 것은 불활성 상태이다. 자극에 의하여  세포내 칼슘의 농도가 올라가면, 칼모듈린 (calmodulin)이라고 하는 단백질에 칼슘이 붙게 된다. 칼슘이 붙은 칼모듈린은 칼시뉴린의 A서브유닛과 결합하고 B 서브유닛이 떨어져 나가게 되면서 활성화 하게 된다. 칼시뉴린의 대표적 기질 단백질로서 NFAT (Nuclear factor of activated T-cells)이라고 하는 전사 인자 (transcription factor)를 들 수 있다. NFAT에 탈인산화를 일으켜 세포핵으로 보내 여러 가지 유전자의 발현을 도모하는데, 특히 면역 세포인 T 세포의 증식에 결정적으로 작용한다.  또한, 칼시뉴린은 신경 세포에 많이 발현하고 있는데, 시냅스를 장기적으로 약화 시키는 시냅스 장기 저하 (long-term synaptic depression)를 일으키는 데 관여하여  학습과 기억 (learning and memory)의 형성과 제어에도 관여한다.

핵산가수분해효소는 뉴클레오티드 (nucleotide)를 가수분해하여 뉴클레오시드 (nucleoside)와 인산 이온 (phosphate ion)을 만드는 효소이다. 세포 내 에너지 레벨이 낮을 때 뉴클레오티드를 분해하여 ATP를 만들기 위한 전구체인 뉴클레오시드의 양을 늘리는 방향으로 대사를 조절하게 된다.

포도당-6-인산 탈인산화효소 (glucose-6 phosphatase)와 과당-1,6-이인산 탈인산화효소 (fructose-1,6-bisphosphatase)는 포도당신생과정 (Gluconeogenesis)에서 비가역적 단계 반응을 매개하는 중요 효소이다. 6 개의 탄소로 이루어진 당으로부터 인산기를 떼어내는 역할을 한다.

동형이합체 (homodimer) 효소로서 열에 비교적 강하고 염기성 환경에서 잘 반응한다. 원핵생물과 진핵생물 모두에게서 광범위하게 발견되고 세포 밖으로 분비되기도 한다. 예를 들어 대장균의 경우에는 주변세포질공간 (periplasmic space)에서 발견되고, 포유류의 경우 장내에서도 존재한다. 간과 골격에서는 해당 장기내의 대사 과정에서 중요한 역할을 하기 때문에, 이들 장기에서 문제가 생겨서 조직이 와해되면 이 효소들이 혈액 속으로 나오게 되고, 이를 이용하여 간 및 골기능 진단 마커로 쓰이기도 한다. 건강 검진에서 흔히 시행되는 혈액검사에 ALP라고 쓰여진 항목이 바로 그것이다. 단백질, 핵산, 당, 화학 물질 등 광범위한 기질에 작용한다. CALF라고 불리우는 송아지 장 탈인산화 효소 (calf intestinal phosphatase)와 어떤 새우 (shrimp)에서 추출한 염기성 탈인산화효소는 분자생물학 실험실에서 클로닝 과정에서, 혹은 생물학적 시료에서 불특정한 인산기의 보편적인 제거가 필요할 때, 널리 사용된다.

어떤 탈인산화효소는 단백질, 핵산, 당에 붙어 있는 인산기를 광범위한 특이성으로 떼어 낼 수 있기도 하다. 대표적인 예로 염기성 탈인산화 효소를 들 수 있다. 또한, 이중 티로신 탈인산화 효소 (dual-specificity tyrosine phosphatase)은 티로신에 붙은 인산기 뿐 아니라 세린 (serine)에 붙은 인산기도 떼어 낼 수 있다.

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G., Voet, Judith; W., Pratt, Charlotte. Fundamentals of biochemistry : life at the molecular level. Wiley.

Li, Xun; Wilmanns, Matthias; Thornton, Janet; Köhn, Maja. 'Elucidating Human Phosphatase-Substrate Networks'. Science Signaling. 6 (275): rs10.