단백질분해효소

[ Protease ]

단백질(protein)과 펩티드(peptide) 결합을 가수분해하여 아미노산(amino acid)이나 펩티드 혼합물을 만드는 효소로서 단백질 가수분해효소라고도 한다. 동식물의 조직이나 세포, 미생물에 널리 존재하며 전체 단백질 중 1~5% 정도의 비중을 차지한다¹⁾

트립신 단백질분해효소 구조 (출처: GettyImages-185759663)

단백질분해효소(protease)는 효소의 펩티드 결합(peptide bond)을 분해하는 데 관여하는 활성부위(active site)의 관여 아미노산이나 특정 원소의 역할에 따라 세린 프로티에이스(serine protease), 시스테인 프로티에이스(cysteine protease), 쓰레오닌 프로티에이스(threonine protease), 아스파르트산 프로티에이스(aspartic protease), 글루탐산 프로티에이스(glutamic protease), 금속이온 프로티에이스(metalloprotease)의 6가지로 크게 분류할 수 있다²⁾.

또한 단백질 분해효소는 최적 활성을 보여주는 pH 영역에 따라 산성 단백질분해효소(acidic protease), 중성 단백질분해효소(neutral protease), 그리고 일반적인 단백질분해효소로 알려진 알칼리성 단백질 분해효소(alkaline protease)로 구분할 수도 있다.

작용기작

단백질분해효소는 아미노산으로 구성된 긴 사슬의 폴리펩티드의 펩티드 결합을 가수분해하여 짧은 사슬의 펩티드로 나누는 효소로서 펩티드사슬의 아미노 말단 또는 카르복실 말단에서 한 개의 아미노산 단위로 분해하는 아미노펩티다아제(aminopeptidase)와 카르복시펩티다아제(carboxypeptidase) 같은 exopeptidase, 그리고 폴리펩티드 사슬 내부의 펩티드 결합을 자르는 endopetidase로 크게 구분할 수 있다.

Endopeptidase는 트립신(trypsin), 카이모트립신(chymotrypsin), 펩신(pepsin), 파파인(papain) 같은 효소들을 포함한다. 촉매 작용은 두 가지 메커니즘 중 하나에 의해 이루어진다. 아스파르트산(aspartic), 글루탐산(glutamic) 및 금속 프로티에이스(metalloproteases)는 물 분자를 활성화시켜 펩티드 결합에 대한 친핵성 공격(nucleophilic attack)을 수행하여 가수분해하며, 세린, 쓰레오닌 및 시스테인 프로티에이스는 친핵성 잔기(nucleophilic residue)를 사용한다. 이 친핵성 잔기는 프로티에이스로 하여금 기질에 공유 결합을 유도하는 친핵성 공격을 수행함으로써 생성된 생성물의 일부를 방출하게 한다. 이렇게 공유결합이 형성된 아실-효소 중간체(acyl-enzyme intermediate)는 이어서 활성화된 물에 의해 가수분해되어 생성물의 나머지 부분을 유리시키고, 반응이 완료된 효소를 재생시킴으로써 촉매 작용을 완료한다³⁾.

단백질 분해효소의 두 가지 작용기작 (출처: )

다양성

단백질분해효소는 원핵생물(prokaryote)과 진핵생물(eukaryote)을 포함하는 모든 생물체에서 발견된다. 이 효소는 식품 단백질의 단순한 소화에서부터 고도로 조절된 일련의 과정들, 예를 들어 혈액응고(blood clotting) 과정, 보체 시스템(complement system), 그리고 세포자살(apoptosis) 경로에 이르기까지 수많은 생리적 반응에 관여한다. 단백질분해효소는 단백질의 아미노산 서열에 따라 특정 펩티드 결합을 파괴하거나, 펩티드를 아미노산으로 완전히 분해할 수도 있다.

세균이나 곰팡이의 경우에는 이러한 효소들이 탄소 순환(carbon cycle)과 질소 순환(nitrogen cycle) 과정에 중요하다. 바이러스의 경우는 이 효소들이 하나의 전사체(transcript)에서 발현된 거대 폴리단백질(polyprotein)를 만들고 차후에 기능을 나타내는 단백질 소단위체(subunit)로 만들기 위하여 작용하기도 한다⁴⁾.

응용

단백질분해효소의 활용범위는 상당히 다양하다. 이 효소들은 산업, 의약 및 기초생물학 연구 도구로 사용된다. 세균에서 유래한 단백질분해효소는 세제산업(laundry industry)에 활용되며, 제빵 산업(bakery)에서 빵 품질 개선제로 광범위하게 사용된다. 또한 다양한 단백질분해효소는 혈액응고 조절이나 병원성 단백질의 표적 분해를 위해 의학적으로 사용되기도 한다.

집필

차재호/부산대학교

감수

정우현/덕성여자대학교

참고문헌

1. Barrett, A.J. 2004. Bioinformatics of proteases in the MEROPS database. Curr. Opin. Drug Discov. Devel. 7, 334–341.
2. Walsh, G. 2014. Industrial enzymes: Proteases and carbrohydrases. Proteins: Biochemistry and Biotechnology. 2nd Edition, pp. 327–369. John Wiley & Sons, Ltd.
3. Barrett, A.J., Woessner, J.F., Rawlings, N.D., and Salvesen, G. 2012. Handbook of Proteolytic Enzymes. Elsevier Science, Burlington.
4. Agbowuro, A.A., Huston, W.M., Gamble, A.B., and Tyndall, J.D.A. 2018. Proteases and protease inhibitors in infectious diseases. Med. Res. Rev. 38, 1295-1331.

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