[생화학개론]효소의 고정화(고정화 효소) 4부






의학 및 산업적으로 활용되는 효소의 종류

효소는 의학과 산업분야에 폭넓게 응용되고 있고 모두 동식물이나 미생물 등 생체에서 얻어진다.

1) 산업적으로 사용되는 효소

산업용 효소는 여러 가지가 있다(표 1). 이러한 여러 효소 중 가수분해효소의 응용이  가장 광범위하다(표 2) 가수분해효소는 효소가 분해하는 결합형태에 따라 크게  나누면 다음과 같다.

① 펩티드 결합(peptide bond) 등 여러 가지 질소결합의 가수분해에 관여하는 효소:단백질 분해효소


② 에스테르 결합(ester bond) 분해효소:지질 분해효소


③ 글리코시딕 결합(glycosidic linkage) 분해효소:아밀레이스, 셀룰레이스, 헤미셀룰레이스


• 단백질 분해효소

단백질을 작은 펩티드 단위로 가수분해하는 데 사용된다. 단백질 분해효소는 전체 효소 시장의 60%를 점유하고 있으며 공업적으로 중요하다. 공업적으로 생산되는 단백질 분해효소는 박테리아(예:Bacillus), 곰팡이(예:Aspergillus, Rhizopus), 동물의 췌장, 그리고 식물에서 얻고 있다. 단백질 분해효소는 치즈 제조(rennet), 제빵, 고기 연화(파파인, 트립신), 주류 제조(트립신, 펩신) 등의 식품 공정과 단백질 얼룩제거, 가죽 무두질 등에 사용되고 있다.


표 1 산업용 효소의 예

 

효소 이름

생산 균주/장기

응용 분야

아밀라아제

(amylase)

디아스타아제(distase)

누룩

소화제, 빵에 첨가, 시럽

프로테아제

(protease)

Bacillus subtilis

직물의 풀 제거, 시럽,

알코올 발효공업, 포도당 생산

기 타

Rhizopus niveus

포도당 생산

프로테아제

(protease)

트립신(trypsin)

동물 췌장

의약용, 연육용, 맥주흐림제거

펩신(pepsin)

동물 위장

소화제, 연육용

레넷(rennet)

송아지 위장

치즈 제조

파파인(papain)

파파야

소화제, 의약용,

맥주흐림제거, 연육용

프로테아제(protease)

B. subtilis

세제, 필름에서 젤라틴 제거

(은 회수), 연육용

기 타

글루코오스 이소메라아제

(glucose isomerase)

Lactobacillus brevis

글루코오스를 프룩토오스로 이성질체화함

리파아제(lipase)

췌장

소화제, 우유제품 풍미첨가

 

곰팡이(Rhizopus)

 

셀룰라아제(cellulase)

Trichoderma koningi

소화제

 

Trichoderma viride

셀룰로오스 가수분해

펙티나아제(pectinase)

Sclerotina libertina

쥬스 수율증가 및 청정화


표 2  가수분해효소


효  소

기  질

가수분해 생성물

에스테르 가수분해효소(esterase): 리파아제(lipase)

 

 

포스파타아제 : 레시티나아제

(phosphatase : lecithinase)

글리세리드(지방)

글리세린＋지방산

탄수화물 가수분해효소(carbohydrase):

 

 

푸룩토시다아제(fructosidase)

설탕

과당＋포도당

α-글루코시다아제(말타아제)

(α-glucosidase <maltase>)

맥아당

포도당

β-글루코시다아제(셀로비아제)

(β-glucosidase <cellobiase>)

셀로비오스

포도당

β-갈락토시다아제(β-galactosidase)

젖당

갈락토오스＋포도당

아밀라아제(amylases)

녹말

맥아당 또는 포도당＋말토올리고당

셀룰라아제(cellulase)

셀룰로오스

셀로비오스(cellobiose)

질소함유화합물:(nitrogen-carrying compounds)

 

 

프로테이나아제(proteinase)

단백질

폴리펩티드

폴리펩티다아제(polypeptidase)

단백질

아미노산


• 지질 분해효소(lipase)

리파아제(lipase)는 지질을 가수분해하여 지방산(fatty acid)과 글리세롤(glycerol)을 만들며, 동물의 췌장, 곰팡이와 효모에서 생산된다. 리파아제는 오일(oil)을 가수분해하여 비누를 만드는 데 사용하기도 하고 폐수 속에 존재하는 지질-지방 화합물을 가수분해시키는 데에도 사용할 수 있다. 오일과 지방 사이의 에스테르반응에 리파아제를 촉매로 사용할 수 있다. 리파아제의 중요한 응용 분야 중 하나는 세제(detergent)이다.


• 글리코시딕(glycosidic) 결합 분해효소

- 아밀라아제(amylase)

아밀라아제는 전분(starch)의 가수분해에 사용되며, A. niger나 B. subtilis를 포함한  여러 종류의 미생물로부터 생산된다. 아밀라아제는 3종류로서 α-아밀라아제, β-아밀라아제, 글루코아밀라아제가 있다. α-아밀라아제는 아밀로우스 사슬에 있는 α-1,4-글리코시딕 결합을 무작위로 끊어 아밀로우스를 분해시킨다. 


이와 같은 이유 때문에 α-아밀라아제는 전분을 액화시키는 효소로 알려져 있다. β-아밀라아제는 아밀로우스의 비환원성 말단의 α-1,4-글리코시딕 결합을 가수분해시켜 맥아당(maltose)을 생산한다. β-아밀라아제는 당화 효소로 알려져 있다. 전분의 아밀로펙틴에 있는 α-1,6-글리코시딕 결합은 글루코아밀라아제(glucoamylase)에 의해 가수분해된다. 이것 역시 당화 효소로 알려져 있다. 미국에서 전분을 효소로 가수분해하여 생산하는 포도당의 양은 1년에 거의 6×105 톤에 달한다. 풀루라네이스(pullulanase)는 α-1,6-글리코시딕 결합을 선택적으로 가수분해한다.


- 셀룰라아제(cellulase)

셀룰라아제는 섬유소(cellulose)의 가수분해에 이용되며 Tricoderma viride나 T. reesei 등과 같은 Tricoderma 종들이나 Aspergillus niger나 Thermomonospora와 같은 곰팡이, 그리고 몇 가지 Clostridium 종에 의해서 생산된다. Tricoderma가 생성하는 셀룰라아제는 결정형 셀룰로오스를 가수분해하나 Aspergillus가 생산하는 셀룰라아제는 하지 못한다. 셀룰로오스는 처음 셀룰라아제에 의해 셀로바이오스(cellobiose)로 가수분해되고, β-글루코시다아제(β-glucosidase)는 이것을 포도당으로 가수분해한다. 이 효소들에 의한 반응은 최종 산물인 셀로바이오스와 포도당에 의해 저해(inhibit)된다. 셀룰라아제는 곡류가공, 생물자원으로 부터의 에탄올 발효, 주류 생산, 폐기물 처리 등에 사용된다.


- 헤미셀룰라아제(hemicellulase)

헤미셀룰라아제는 헤미셀룰로오스(hemicellulose)를 5탄당 단량체로 가수분해하며 A. niger와 같은 몇 가지 곰팡이에 의해 생산된다. 헤미셀룰라아제는 다른 효소와 공동으로 빵 반죽, 주류 생산, 생물자원으로부터의 에탄올 발효, 폐기물 처리 등에 사용된다.



2) 효소의 의학적 응용

현재 의약품 분야에서 여러 종류의 효소를 이용하고 있다. 콧물이나 눈물과 같은 보호 체액 중에 들어 있는 효소는 라이소자임(lysozyme)이다. 이것은 여러 종류의 그람양성 박테리아 세포벽의 뮤코다당류(mucopolysaccharide)를 가수분해한다. 따라서 이 효소는 항세균제로 사용된다.


효소 L-아스파라기나아제(asparaginase)는 L-아스파라긴(asparagine)의 가수분해를 촉매하는 작용을 한다. 암세포 중에는 L-아스파라긴을 필요로 하는 것이 있으므로, L-아스파라기나아제를 사용하여 이 필수 영양물을 제거함으로써 이러한 암세포의 증식을 억제할 수 있다.


표 3  의학적 용도로 중요한 효소의 예

의학적 용도로 중요한 효소의 예

전형적 응용

트립신(trypsin)

글루코오스 옥시다아제(glucose oxidase)

리소자임(lysozyme)

 히알루로니다아제(hyaluronidase)

 

 

소화 효소

스트렙토키나아제(streptokinase)

스트렙토도르나아제(streptodornase)

페니실리나아제(penicillinase)

우로키나아제(urokinase)

조직 플라스미노겐 활성화제(TPA)

(Tissue Plasminogen Activator)

아스파라기나아제 (asparaginase)

함염증제, 상처 세척제

혈액 및 소변 중의 글루코오스 검사

특정 궤양, 홍역 반점, 복합 경화증, 몇 가지 피부 질환, 수술 후의 감염 등의 치료(항세균제).

인체 세포 사이에서 발견되는 비교적 비투과성 고분자인 폴리히알루론산 가수분해:항생물질, 아드레날린, 헤파린과 같은 동시 주사 화합물과 외과 및 치과에서의 국부 마취제의 확산을 증가시킨다.

소화제(아밀라아제, 리파아제, 프로테아제, 셀룰라아제의 혼합물)

함염증제

함염증제, 또는 DNA 소화, 상처 침출물의 점도 감소

알레르기성 개체로부터 페니실린의 알레르기형 제거

응혈(blood clots) 방지 및 제거

응혈 용해

항암제








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