셀룰라아제

셀룰라아제는 세포벽을 이루고 있는 주요 물질 중 하나인 섬유소의 β-1, 4 글리코시드 결합의 가수분해반응을 촉매하는 효소로, 고등식물과 더불어 균류, 세균, 연체동물 등에도 광범위하게 존재한다. 셀룰라아제에 의해 분해된 섬유소는 다당류, 셀로비오스(cellobiose) 같은 2당류, 더 나아가 섬유소의 단량체인 단당류를 생성할 수 있다.

목차

동물과 구분되는 가장 큰 세포적 특징인 식물의 세포벽은 식물 세포들을 서로 접착시켜 세포가 미끄러지는 것을 방지하며, 식물 구조를 물리적으로 지탱해줌으로써 식물의 부피 생장과 길이 생장에 도움을 준다.(그림 1) 세포벽은 세포의 팽압과 세포의 부피 간의 관계를 결정함으로써 세포의 삼투에도 관여하며, 병원균을 포함한 여러 외부 요인들로부터 식물의 1차적 방어막이 된다는 점에서 매우 중요하다.

세포벽을 합성하는 것만큼이나 세포벽의 분해 또한 식물에 꼭 필요한 반응으로, 세포벽의 분해 산물은 과실의 성숙 과정에서 종자(씨앗)에 양분을 제공하며, 병원균의 공격에 대응하는 과정에서 신호전달물질로 이용되기도 한다. 또한, 최근에는 바이오에탄올로의 원재료로 이용하기 위해 세포벽을 구성하는 섬유소(셀룰로오스) 분해에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그림 1. 식물의 세포벽 구조 (출처:한국식물학회)

세포벽을 이루고 있는 주요 물질 중 하나인 섬유소(셀룰로오스, cellulose)는 수백에서 수천 개의 D-포도당 단위체들이 β-1, 4 글리코시드 결합(glycosidic bond)으로 연결된 선형 사슬의 다당류이며, 고밀도의 사슬로 인해 결정 구조를 갖추고 있기 때문에 매우 안정한 물질로 알려져 있다. 이러한 구조적 안정성으로 인해 섬유소는 물, 유기용매, 약산, 염기 등 여러 화학적 조건 하에서도 분해되지 않는다.

섬유소를 가수 분해하는 데에는 일반적으로 두 가지 방법이 있는데, 고온과 고압 조건 하에서 강산을 처리하는 방법과 셀룰라아제를 이용하는 방법이 이에 해당한다.

섬유소는 여러 종류의 셀룰라아제들이 유기적으로 작용함으로써 단량체인 포도당으로 분해된다.(그림 2) 일반적으로 셀룰라아제는 크게 세 가지 종류로 분류된다. 먼저 엔도글루카나아제(endoglucanase)는 섬유소 내의 결합을 무작위적으로 분해하여 새로운 사슬 말단을 만든다. 엑소글루카나아제(exoglucanase)는1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase와 1,4-β-D-glucan glucohydrolase라는 두 종류의 효소를 포함하는데, 전자는 비환원기 말단 쪽에서 단량체 2개 단위로 결합을 분해하여 셀로비오스(cellobiose)를 만들어내고 후자는 환원기 말단 쪽에서 1,4-β-D-glucan을 포도당 단위로 바로 분해하거나 셀로비오스를 천천히 가수분해하는 역할을 한다. 마지막으로 셀로비아제(cellobiases; beta-glucosidases)는 엑소셀룰라아제(exocellulase)에 의해 만들어진 생성물을 단량체 단위로 분해하는 효소로, Oxidative cellulase는 산화환원반응을 이용하여, cellulose phosphorylase는 물 대신 인산기(phosphate)를 이용하여 섬유소를 분해한다.¹⁾²⁾

그림 2. 셀룰라아제에 의한 섬유소 가수분해 반응 (출처:한국식물학회)

1. Makoto Yoshida, Kiyohiko Igarashi, Rie Kawai 등 (2004) Differential transcription of β-glucosidase and cellobiose dehydrogenase genes in cellulose degradation by the basidiomycete Phanerochaete chrysosporium, FEMS Microbiology Letters, 235: 177–182
2. Wyman, Charles, Decke 등 (2005) 43 Hydrolysis of Cellulose and Hemicellulose. Polysaccharides: Structural Diversity and Functional Versatility,