【생물학】 3-1강. 단백질 분해효소 메커니즘

3-1강. 단백질 분해효소 메커니즘

 

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출처 : LG화학 후원 생명공학경시대회

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Q. 일반적으로 생화학반응에서 카르보닐기(C=O)는 친핵체(nucleophile)의 공격을 받는 원자이다. 따라서 폴리펩타이드 체인의 펩티드 결합(-CONH-)의 C=O 이중결합은 물의 공격을 받아 가수분해가 될 수 있다. 이 반응은 속도가 매우 느리기 때문에 효소의 도움이 필요하며, 카르복시펩티다아제 등의 단백질 분해효소가 이러한 반응을 촉매한다. 이때 카르복시펩티다아제가 완전한 활성을 가지기 위해서는 Zn(Ⅱ) 금속 이온을 필요로 한다. 이러한 사실을 바탕으로 다음 질문에 답하시오.^]

 

 

⑴ (참고) 단백질 분해효소의 메커니즘

 

출처 : 2007 MEET/DEET II 15번

 Figure. 1. 단백질 분해효소 중 하나인 서브틸리신의 메커니즘^]

 

① 단계 1. Asp32의 carboxylate 말단이 His64의 이미다졸 고리를 친핵체 공격

② 단계 2. 그 결과 생성된 His64의 이미다졸의 짝염기는 Ser221의 OH기를 친핵체 공격

③ 단계 3. 그 결과 생성된 Ser221의 알콕사이드는 단백질의 카르보닐 탄소를 친핵체 공격

④ 단계 4. 염기 촉매 아마이드 가수분해 반응에 의해 단백질은 카르복실산과 아민으로 분해됨

⑤ (참고) 촉매라는 말이 지칭하듯 Asp32, His64, Ser221는 반응 전후로 그 양이 변하지 않음

 

⑵ (참고) 단백질 분해효소의 종류

① 펩신 : Phe, Trp, Tyr의 아미노 말단(N 말단)을 인식하여 절단하는 엔도펩티다아제

② 트립신 : Lys, Arg의 카르복시 말단(C 말단)을 인식하여 절단하는 엔도펩티다아제

③ 키모트립신 : 페닐기 포함 아미노산(Phe, Trp, Tyr)의 카르복시 말단(C 말단)을 인식하여 절단하는 엔도펩티다아제

④ 카르복시펩티다아제 : 단백질에서 카르복시 말단(C 말단)을 인식하여 절단하는 엑소펩티다아제

⑤ 서브틸리신(subtilisin) : Bacillus subtilis에서 얻은 비특이성 단백질 가수분해효소

 

⑶ 촉매의 역할

① 카르복시펩티다아제의 활성점(active site)에 Zn(Ⅱ) 금속이온이 있는 경우 반응속도가 빠른 이유를 답하시오.

 

 

 

 

 

Figure. 2. 카르복시펩티다아제의 일종인 서몰리신(thermolysin)의 메커니즘

 

○ 카르복시펩티다아제, 트립신, 키모트립신은 단백질 내 카르복시 말단을 인식하여 카르복실기가 노출되도록 절단

○ 기본적으로 아마이드의 산 촉매 가수분해 반응을 이용함

 

 

Figure. 3. 아마이드의 산 촉매 가수분해 반응

 

○ Zn(II)는 반응환경을 정전기적으로 고정하여 활성화 에너지를 낮추기 때문에 Zn(II)로 인해 반응이 빨라짐

 

② 키모트립신 효소의 촉매 메커니즘에서 세린(serine)이 펩티드 결합에 대해 친핵체 공격(nucleophilic attack)을 하는 과정에서 히스티딘(histidine)의 역할을 설명하시오.

 

○ ①과 같은 이유이다. 히스티딘은 리신, 아르기닌과 함께 양전하를 갖는 아미노산으로 Zn(II)과 같이 반응환경을 고정하는 역할을 수행한다.

 

입력: 2017.09.17 13:46

수정: 2020.03.14 09:56