아세틸화

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아세틸화

[ acetylation ]

유기화합물 중의 수소원자, 특히 아미노기(-NH) 또는 하이드록시기(-OH)의 수소를 아세틸기(-COCH)로 치환하는 반응으로, 그 반대 과정은 탈아세틸화(deacetylation)라 한다. 생물에서 일어나는 아세틸화는 많은 예가 있으나, 여기서는 고분자, 특히 단백질의 아세틸화와 목재의 아세틸화를 다룬다.

아세틸화 (출처:한국식물학회, 이동희)

목차

  1. 1.단백질의 아세틸화
    1. 1.1.N-말단 아세틸화
      1. 1.1.1.N-말단 아세틸화
      2. 1.1.2.N-말단 아세틸전달효소에 의한 N-말단 아세틸화
    2. 1.2.리신 아세틸화와 탈아세틸화
    3. 1.3.식물에서의 단백질 아세틸화
  2. 2.목재의 아세틸화
  3. 3.참고문헌

단백질의 아세틸화

아세틸화는 다양한 단백질 변형 중 하나이며, 포유동물의 경우에는 수천의 단백질에서 보이는 주요한 변형이다.1) 아세틸화는 단백질, 예를 들어 히스톤, p53 및 튜불린의 번역 과정 중 또는 번역 후에 일어나는 변형이다. 아세틸화되는 단백질에는 많은 염색질 단백질과 대사 효소가 포함되며, 아세틸화는 유전자 발현과 신진 대사에 상당한 영향을 미친다. 살모넬라 같은 박테리아에서는 중앙 대사에 관여하는 단백질의 90%가 아세틸화되어 있다.

N-말단 아세틸화 N-말단 아세틸화

N-말단 아세틸화는 진핵생물에서 단백질의 가장 공통적인 번역과정 중에 일어나는 공유결합성 변형 중 하나이며, 이는 많은 단백질의 조절 및 기능에 중요하다. N-말단 아세틸화는 단백질의 합성, 안정성 및 위치지정(localization)에서 중요한 역할을 한다.

모든 인간 단백질의 약 85% 및 효모에서 68%가 N-말단에서 아세틸화된다. 원핵세균과 고세균의 여러 단백질 또한 N-말단 아세틸화된다. N-말단 아세틸화는 일련의 효소 복합체(N-말단 아세틸 트랜스퍼라제(NAT))에 의해 촉매된다. NAT는 아세틸-코엔자임A(Ac-CoA)의 아세틸 그룹을 단백질의 첫 번째 아미노산 잔기의 α-아미노기로 옮긴다. 세포에서 막 합성되어나온 단백질의 N-말단에 여러 가지 NAT가 아세틸화를 담당하며, 지금까지는 아세틸화는 비가역적인 것으로 알려져 있다.

N-말단 아세틸화(출처: )

N-말단 아세틸전달효소에 의한 N-말단 아세틸화

1. N-말단 아세틸전달효소(N-terminal acetyltransferases; NATs) - 현재까지 인간에서 NatA, NatB, NatC, NatD, NatE, NatF의 6가지 NAT가 발견되었다. 이들 효소 복합체는 각기 상이한 아미노산 또는 아미노산 서열에 특이적이다.

2. N-말단 아세틸전달효소의 기능

  • 단백질 안정성 - N-말단 아세틸화는 N-아세틸화에 의해 N-말단 유비퀴틴화 및 후속 단백질 분해를 차단하는 것으로 추정되어 단백질이 분해되는 것을 방지하는 것으로 추정되지만, 몇몇 연구에서는 부정적인 결과도 있다.
  • 단백질 위치지정 - N-말단 아세틸화는 골지체 막의 Sys1p 단백질과의 상호 작용에 의한 골지막에 대한 타겟팅에 필요한 것으로 알려져 있다.
  • 신진 대사와 세포사멸(apotopsis) - 단백질 N-말단 아세틸화는 또한 단백질 녹다운 실험을 통한 세포주기 조절 및 세포사멸과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.
  • 단백질 합성 - 리보솜 단백질은 단백질 합성에서 중요한 역할을 하며, 이중 일부는 N-말단 아세틸화되며, NatA 또는 NatB 유전자 결손 균주에서 단백질 합성 속도 감소, 정확도 감소, 리보솜 이상이 보고되었다.

3. 암 - NAT는 인간암에서 종양 단백질 및 종양 억제제 둘 다로서 작용하는 것으로 제안되었으며, 암 세포에서 NAT 발현이 증가 및 감소됨이 알려져 있다.

리신 아세틸화와 탈아세틸화

단백질은 전형적으로 리신 잔기에서 아세틸화되고, 이 반응은 아세틸기 공여체로서 아세틸-코엔자임A가 쓰여진다.

리신 아세틸화(출처: )

히스톤의 아세틸화 및 탈아세틸화는 히스톤 단백질 N-말단 꼬리에서의 리신 잔기가 아세틸화 및 탈아세틸화되며, 유전자 조절의 한 과정이다. 일반적으로, 이 반응은 히스톤 아세틸 트랜스퍼라제(HAT) 또는 히스톤 탈아세틸라제(HDAC) 활성을 갖는 효소에 의해 촉매된다. 후성 유전학 분야에서, 히스톤 아세틸화 및 탈아세틸화는 유전자 전사 조절에 중요한 메커니즘인 것으로 밝혀졌다. 그러나, 히스톤은 번역 후 아세틸화에 의해 조절되는 유일한 단백질은 아니다. 신호 변환 조절에 역할을 하는 다양한 다른 단백질이 아세틸화 및 탈아세틸 화에 의해 영향을 받는다.

식물에서의 단백질 아세틸화

단백질 아세틸화는 원핵생물, 진핵생물에서 잘 보존되어 있으며, 인산화 경우보다 높다. 그러나 아세틸화는 인산화나 유비퀴틴화보다는 빈도가 낮다. 식물의 경우에서도 이 반응을 촉매하는 여러 효소가 알려져있다. 애기장대의 경우에 12가지의 히스톤 아세틸 트랜스퍼라제(HAT) 와 18가지의 히스톤 탈아세틸라제(HDAC), 벼의 경우에 각기 7가지, 19가지가 알려져 있으며, 세포주기, 발생, 개화시기, 호르몬 신호전달 등의 조절에 주요 역할을 하는 것으로 알려져 있다.2)

목재의 아세틸화

20세기 초부터 나무의 아세틸화는 썩는 과정과 곰팡이에 저항하는 나무의 내구성을 향상시키는 방법으로 연구되었다. 일단 목재가 아세틸화되면 추가적으로 크기가 변하지 않고, 표면의 경도가 높아지고, 물리적인 성질이 변하지 않는 좋은 특성이 유도된다.

모든 재료의 물리적 특성은 화학 구조에 의해 결정된다. 목재에는 '유리 하이드록시기'(free hydroxyls)가 흔하게 존재하며, 이로 인해 목재가 노출되는 기후 조건의 변화에 ​​따라 물을 흡착 및 방출한다. 그 결과 나무가 부풀어 오르고 수축되기도 한다. 효소에 의한 목재의 부패 역시 유리 하이드록시기 부위에서 시작된다고 믿어지며, 이는 목재가 부식되기 쉬운 주요 원인 중 하나이다.

아세틸화는 목재 내의 유리 하이드록시기를 아세틸기로 변화시킨다. 이것은 나무를 아세트산(묽은 형태 일 때 식초)에서 나오는 아세트산 무수물과 반응시켜 수행된다. 유리 하이드록시기가 아세틸 그룹으로 변환될 때, 목재가 물을 흡수하는 능력이 크게 감소하여, 목재는 그 크기가 변하지 않으며, 쉽게 부패되지 않고 내구성이 높아지기 때문에 목재가 안정화된다.

2007년, 네덜란드에 생산 시설을 갖추고, 런던에 본사를 둔 회사인 Titan Wood는 비용 효율적인 상용화를 달성하고 'Accoya'라는 상표명으로 아세틸화된 목재의 대규모 생산을 시작했다.

참고문헌

1. Brook T (2014) Protein Acetylation: Much More than Histone Acetylation. Cayman Chemical. Archived from the original on 2014-02-28.
2. Nallamilli BRR, Edelmann MJ, Zhong X 등 (2014) Global Analysis of Lysine Acetylation Suggests the Involvement of Protein Acetylation in Diverse Biological Processes in Rice (Oryza sativa). PLOS ONE 9: e89283