[효소]효소단백질의 형상 - 2부

소량체 효소

소량체 효소(oligomeric enzyme)는 2개 이상의 같은 또는 다른 peptide 사슬이 subunit(또는 protomer)로 되어 이들이 서로 회합하여 형성된 효소이다. 생리적인 조건에서는 각 subunit 사이의 회합력은 강하고 집합체로서 단량체 효소와는 다른 기능, 즉 협동현상(S자형 상관; sigmoid relationship)을 나타낸다.

Subunit가 회합하여 소량체가 되면 열역학적으로 단독으로는 불가능한 특별한 배위(conformation)를 형성하게 된다. 이러한 효소는 subunit로 해리하면 불활성화되고 다시 회합하면 활성이 부활된다. 여러 개의 subunit가 회합하는 것에 의해 아미노산 잔기가 접합하여 하나의 활성중심이 만들어지게 되는 경우도 있다. 또 각각 다른 촉매활성을 가진 subunit가 회합하면 불필요한 반응 중간체를 만들지 않고 짧은 경로를 거쳐 최종생산물을 생성할 수 있다. 지방산합성효소와 같이 여러 개의 효소가 복합체를 구성하여 다단계 반응을 촉매하면 반응 중간체가 다음 효소에 바로 전달되고 중간체가 반응 도중에 다른 효소에 분해되지 않으므로 효율적으로 최종생산물을 생성할 수 있다.

그리고 촉매활성을 가진 subunit에 촉매화성이 없는 subunit가 회합하면 기질특이성이 변화하는 경우도 있고 biotin 효소에서와 같이 subunit가 촉매반응시에 기질을 유지하는 역할을 하는 것도 있다. Allosteric 효소에서는 촉매부위와 조절부위가 다른 subunit에 존재하며 subunit들은 회합하여 협동적인 작용을 나타낸다.

1. 동질효소

동질효소(isozyme)는 화학적으로 성질이 다른 단백질분자이지만 동일개체 중에 존재하면서 같은 화학반응을 촉매하는 효소군을 말한다. 100종류 이상의 효소가 이성효소 형태로 존재한다고 알려져 있다.

척추동물조직에 존재하는 lactate dehydrogenase(LDH)는 다른 유전자에서 유래하는 H형과 M형 2 종류의 subunit(각 subunit는 분자량 35,000이고 효소활성은 없다.)로 구성되어 있기 때문에 전기영동으로 분리하면 H4(심장형; LDH1), H3M, H2M2, HM3, M4(골격근형; LDH5) 5종류의 isozyme으로 나누어진다. 이 사량체들의 생리적 역할이나 속도론적 성질은 서로 다르다.

Table 3 각 조직세포의 LDH isozyme 분포(%)

isozyme	심 장	골격근	간 장
LDH1(H4)	60	4	2
LDH2(H3M)	33	7	6
LDH3(H2M2)	7	17	15
LDH4(HM3)	미량	16	13
LDH5(M4)	미량	56	64

 

Table 4 질병시 혈청 LDH isozyme 분포변화

질 환	Isozyme 유래	LDH1 (H4)	LDH2 (H3M)	LDH3 (H2M2)	LDH4 (HM3)	LDH5 (M4) %
정상혈청		25∼30	35∼40	24∼28	2∼7	2∼5
심근경색, 신장경색	심근, 신장	증가	증가
혈관내 용혈, 악성빈혈, 용혈성 빈혈	적혈구	증가	증가
백혈병	백혈병 세포		증가 〉	증가
림프육종, 암	종양		증가	(증가)
폐경색	폐		증가	(증가)
전이암	종양			증가	증가	증가
급성간염, 지방간 원발성 간암, 울혈간	간					증가
근 dystrophy, 피부근염	근, 피부					증가
암	종양					증가

Table 7에 나타낸 바와 같이 조직에 따라 LDH 이성효소들의 분포가 다르다. 심장조직은 다량의 LDH1과 LDH2를 가지고 있고 간장과 골격근은 LDH4와 LDH5를 많이 가지고 있다. 질병이 어떤 특정한 조직에 영향을 미치면 그 조직의 세포 일부가 파괴되어 LDH 이성효소는 혈액으로 누출된다. 

예를 들면 Table 8에서 보는 바와 같이 심근경색일 때는 심근세포가 파괴되므로 LDH1과 LDH2의 혈중농도가 증가하고 급성간염 등으로는 LDH5의혈중농도가 증가한다. 혈중의 LDH 이성효소의 분포는 혈액시료를 전기영동으로 분석하면 쉽게 검출할 수 있으며 특정 질병의 임상진단에 이용되고 있다.

2. 복합기능을 가진 소량체 효소

이 효소는 각각의 subunit로 존재할 때와 소량체를 구성하고 있을 때에 촉매하는 반응과 기능이 다른 효소군이다. 대표적인 예가 A 단백질과 B 단백질로 구성된 대장균의 tryptophan synthetase이다. A 단백질은 분자량 29,500이고 1개의 α-subunit로 되어 있으며 B 단백질은 β-subunit 2개로 구성되어 있는데 β-subunit는 분자량 45,000이고 pyridoxal phosphate 결합부위 1개를 가지고 있다. 

이 효소는 기질로서 L-serine이 pyridoxal phosphate와 공존하면 A 단백질 2개와 B 단백질 1개가 회합하여 완전한 활성효소(α2β2)를 형성하고 각각의 단백질에 의한 부분 반응속도의 30∼100배로 다음과 같이 indoleglycerol phosphate에서 indole을 만들지 않고 바로 L-tryptophan을 생성한다. 그러나 α2와 β2 subunit는 다음 반응을 각각 촉매한다.

3. 기질특이성의 변화

촉매활성이 있는 단백질에 촉매활성이 없는 단백질이 회합하면 기질특이성이 변화한다. α-lactalbumin은 분자량 14,000으로 젖 중에 함유된 중요한 단백질이다. 이것은 단독으로는 효소활성을 나타내지 않으나 lactose synthase의 B subunit와 같은 것으로 생각된다. 한편 lactose synthase A subunit는 다음 반응을 촉매한다.

N-acetylglucosamine + UDP-galactose → N-acetyllactosamine + UDP

Lactose synthase A subunit는 수정 이후부터 유선(乳腺)에서 합성되고 α-lactalbumin은 출산 직전부터 유선에서만 합성된다. 그러므로 출산하면 유선에서 2가지 subunit는 복합체를 만들고 복합체형의 lactose synthase는 기질특이성이 변화되어 포도당을 기질로 하여 lactose를 합성한다.

Glucose + UDP-galactose → lactose + UDP

[Biology/Biochemistry] - [효소]효소단백질의 형상 1부

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