다른 자리 입체성 단백질

다른 자리 입체성(allosteric)이란 단백질의 조절 분자(Modulator molecule)가 기질결합부위인 활성 부위(Active site)가 아닌 다른 자리 입체성 부위(Allosteric site)에 결합하여 단백질의 입체 구조와 역동성에 변화가 생겨 단백질 활성이 조절되는 현상을 말하며, 이러한 기능을 갖는 효소 혹은 단백질을 다른 자리 입체성 단백질이라 한다. 또한, 단백질의 활성이 세포 내에서 다양한 다른 자리 입체성 부위에 의해 조절되는 현상을 다른 자리 입체성 조절(Allosteric regulation)이라 한다.

다른 자리 입체성 단백질과 조절 분자 (제작: 김근필/중앙대)

단백질의 다른 자리 입체성 부위에 특이적으로 결합하는 다양한 인자들이 밝혀져 있으며, 다른 자리 입체성 단백질과 조절 분자의 결합에 따라 효소-기질 반응이 활성화 되거나 억제되는데 조절 분자의 결합자리는 단백질에 따라 두 개 이상인 경우도 있어 생명체 내에서는 훨씬 더 복잡한 효소의 활성 조절 현상이 나타난다. 위 그림은 다른 자리 입체성 부위를 갖는 효소에 생물학적 활성을 갖는 기질 혹은 리간드가 다른 자리 입체성 조절 분자에 의해 결합이 저해되어 효소 활성이 억제되는 모습을 나타낸 것이다. 반대로 어떠한 효소는 다른 자리 입체성 조절 분자의 결합에 의해 효소의 단백질 구조가 변형되어 기질이 효과적으로 결합할 수 있게 된다. 

목차

다른 자리 입체성 조절은 의약학과 생화학 분야에서 효소의 활성을 변화시키기 위해 사용되어 왔다. 일반적인 효소 활성 조절은 활성 물질이 활성 부위에 직접적으로 결합되어 기질과 경쟁을 통해 효소의 활성이 억제되는 반면, 다른 자리 입체성 조절에서는 활성 물질이 다른 자리 입체성 부위에 결합하여 단백질 구조 변화에 의해 효소 활성이 증가되거나 감소되는 현상이 나타나게 된다. 세포 내의 물질의 생합성 과정을 예로 들어 설명하면, 최초 활성 물질인 기질(Substrate)이 효소 1의 활성 부위에 결합한 후, 중간 기질 A를 형성하여 효소 2가 이를 중간 기질 B로 변환시킨 후, 효소 3과 결합할 수 있게 한다. 효소 3은 중간 기질 B를 최종생성물로 변환 시키게 된다. 이러한 입체성 조절 과정을 통해 얻어진 최종생성물은 처음 효소의 입체성 조절 자리에 결합하여 기질의 결합을 저해하거나 유도한다. 

다른 자리 입체성 조절 과정 (제작: 김근필/중앙대)

효소의 입체성 조절 자리에 결합한 활성 인자에 의해 활성 자리가 기질이 결합하기에 적합한 구조로 변화되며 이로 인해 효소-기질 반응이 효율적으로 일어난다. 여기서 활성 인자는 특정 기질에 대한 효소의 결합력을 높이기 위한 물질이다.  

효소의 입체성 조절 자리에 결합한 저해 인자에 의해 활성 자리가 기질이 결합하기 어려운 구조로 변화되며 이로 인해 효소-기질 반응이 비효율적으로 일어난다. 여기서 저해 인자는 특정 기질에 대한 효소의 결합력을 낮추기 위한 물질이다.

다른 자리 입체성 효소의 기질 농도에 따른 반응속도 (제작: 김근필/중앙대)

다른 자리 입체성 효소-기질 반응은 기질 농도에 대한 반응속도 그래프로 표현될 수 있다. 어떠한 효소의 양이 일정한 상태에서 기질 농도의 변화는 최종 산물을 만들어 내는 효소 반응 속도에 영향을 끼칠 것이다. 하지만, 다른 자리 입체성 효소의 경우에는 입체성 자리에 결합하는 활성 인자와 기질과의 상관성을 나타내므로 반응 속도는 일반적인 효소-기질 반응과는 다른 양상을 나타낼 것이다. 왼편의 그래프는 단일 효소의 기본적인 효소-기질 반응에 대한 것으로 기질 농도가 증가함에 따라 반응 속도가 증가하며 특정 기질 농도부터는 효소가 포화상태이므로 반응 속도의 변화가 일정하게 된다. 오른편의 그래프는 입체성 조절 효소의 기질 농도에 대한 반응 속도를 나타낸 것으로서 S자 모양의 "sigmoid-shaped 곡선"을 보여준다. 기질 농도가 증가함에 따라 낮은 반응 속도에서 높은 반응 속도의 전이가 빨라 "스위치 전이" 형태를 보이기도 한다.

다른 자리 입체성 조절 인자 데이터 베이스()는 1901년 이후부터 다른 자리 입체성 조절 인자에 대한 구조와 기능을 바탕으로 하여 질병과 연관된 다양한 자료를 제공해오고 있다. 특히 인간에서 유래한 수백 종의 단백질과 다양한 생명체에서 유래된 단백질 수백 종에 대한 단백질 구조와 함께 다른 자리 입체성 조절 인자(Allosteric modulator)에 대한 정보를 제공하고 있다. 데이터베이스는 매년 새로운 정보가 확보될 때마다 다른 자리 입체성 조절과 새로운 의약품 개발에 관심이 있는 생명과학자와 의약학 관련 연구자에게 무료로 제공된다. 현재 인간, 대장균, 생쥐, 효소, 고초균, 초파리, 토끼 등에서 유래한 수천 개의 단백질과 수만 개의 입체성 조절 인자의 특성에 대한 특성이 상세히 설명되어 있어 새로운 효소에 대한 활성 조절 인자 발굴에 유익한 정보를 제공받을 수 있다.

대장균(Escherichia coli), 고초균(Bacillus subtilis)

김근필/중앙대학교

최경희/원광대학교