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펩신

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펩신
펩스타틴과 결합한 펩신의 구조.[1]
식별자
EC 번호3.4.23.1
CAS 번호9001-75-6
데이터베이스
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KEGGKEGG entry
MetaCycmetabolic pathway
PRIAMprofile
PDB 구조RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum
유전자 온톨로지AmiGO / QuickGO
펩신 B
식별자
EC 번호3.4.23.2
CAS 번호9025-48-3
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KEGGKEGG entry
MetaCycmetabolic pathway
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PDB 구조RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum
펩신 C (가스트릭신)
식별자
EC 번호3.4.23.3
CAS 번호9012-71-9
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KEGGKEGG entry
MetaCycmetabolic pathway
PRIAMprofile
PDB 구조RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum

펩신(pepsin)은 단백질을 더 작은 펩타이드와 아미노산으로 분해하는 펩타이드내부가수분해효소이다. 인간과 많은 다른 동물의 소화 시스템에 존재하는 주요 소화 효소 중 하나로, 음식 속의 단백질을 소화하는 데 도움을 준다. 펩신은 활성 부위에 촉매 역할을 하는 아스파르트산을 사용하는 아스파르트산 프로테아제이다.[2]

펩신은 소화계의 세 가지 주요 펩타이드내부가수분해효소(단백질의 중간을 절단하는 효소) 중 하나이며, 나머지 둘은 카이모트립신과 트립신이다. 또한 단백질의 양 끝에서 개별 아미노산을 제거하는 펩타이드외부가수분해효소(이자에서 생성되는 카복시펩티다스와 작은창자에서 분비되는 아미노펩티다스)도 존재한다. 소화 과정 중에 특정 유형의 아미노산 사이의 결합을 끊는 데 특화된 이 효소들은 서로 협력하여 식이 단백질을 작은창자에서 쉽게 흡수될 수 있는 구성 성분인 펩타이드와 아미노산으로 분해한다. 펩신의 절단 특이성은 넓은 편이지만, 티로신, 페닐알라닌, 트립토판과 같은 일부 아미노산은 절단 확률을 높인다.[3]

펩신의 지모겐(전구효소)인 펩시노겐은 위벽의 주세포에서 방출되며, 위산의 염산과 섞이면서 활성화되어 펩신이 된다.[2]

역사

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펩신은 1836년 테오도어 슈반에 의해 발견된 최초의 효소 중 하나이다. 슈반은 "소화"를 의미하는 고대 그리스어 단어 πέψις (pepsis, πέπτειν peptein "소화하다"에서 유래)에서 그 이름을 따왔다.[4][5][6][7] 질소 기반의 음식을 수용성 물질로 전환할 수 있는 산성 물질이 펩신인 것으로 밝혀졌다.[8]

1928년, 존 하워드 노스럽이 투석, 여과 및 냉각법을 사용하여 결정화에 성공하면서 결정화된 최초의 효소 중 하나가 되었다.[9]

전구체

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펩신은 펩시노겐이라는 지모겐 형태로 발현되며, 그 1차 구조에는 활성 효소보다 44개의 아미노산이 더 포함되어 있다.

위에서 주세포는 펩시노겐을 방출한다. 이 지모겐은 위 내벽의 벽세포에서 방출되는 염산(HCl)에 의해 활성화된다. 음식을 섭취하면 호르몬인 가스트린과 미주신경이 위 내벽에서 펩시노겐과 염산의 방출을 유도한다. 염산은 산성 환경을 조성하여 펩시노겐의 구조가 풀리고 자가 촉매 방식으로 자신을 절단하게 함으로써 활성 형태인 펩신을 생성한다. 펩신은 펩시노겐에서 44개의 아미노산을 절단하여 더 많은 펩신을 생성한다.

펩시노겐은 1차 구조에 따라 크게 5개의 그룹으로 분류된다: 펩시노겐 A(펩시노겐 I이라고도 함), 펩시노겐 B, 프로가스트릭신(펩시노겐 II 및 펩시노겐 C라고도 함), 프로카이모신(프로레닌이라고도 함), 펩시노겐 F(임신 관련 당단백질이라고도 함).[10]

염산에 의한 활성화를 통해 비활성 상태인 펩시노겐이 활성 효소인 펩신으로 전환되는 과정.

활성 및 안정성

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펩신은 pH 1.5에서 2.5 사이의 산성 환경에서 가장 활발하다.[11][12] 따라서 주요 합성 및 활성 부위는 위(pH 1.5~2)이다. 인간의 위 내 펩신 농도는 0.5 – 1 mg/mL에 이른다.[13][14]

펩신은 pH 6.5 이상에서는 비활성화되지만, pH 8.0이 될 때까지 완전히 변성되거나 비가역적으로 비활성화되지는 않는다.[11][15] 따라서 pH 8.0 이하의 용액에 있는 펩신은 다시 산성화되면 재활성화될 수 있다. 높은 pH에서의 펩신 안정성은 인후두 역류와 관련된 질병에 중요한 시사점을 준다. 펩신은 위 역류 사건 이후 후두에 남아있게 된다.[16][17] 인후두의 평균 pH(pH = 6.8)에서 펩신은 비활성 상태이지만, 후속 역류가 발생하면 재활성화되어 국소 조직에 손상을 줄 수 있다.

펩신은 광범위한 절단 특이성을 나타낸다. 펩신은 섭취된 아미드 결합의 최대 20%를 소화한다.[18] P1 및 P1' 위치의 잔기들[19]은 절단 확률을 결정하는 데 가장 중요하다. 일반적으로 P1 및 P1' 위치에 소수성 아미노산이 있으면 절단 확률이 높아진다. P1 위치의 페닐알라닌, 류신, 메티오닌과 P1' 위치의 페닐알라닌, 트립토판, 티로신은 가장 높은 절단 확률을 나타낸다.[3][18]: 675  양전하를 띤 아미노산인 히스티딘, 라이신, 아르기닌이 P1 위치에 있으면 절단이 잘 일어나지 않는다.[3]

인후두 역류에서

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펩신은 인후두 역류 중에 발생하는 점막 손상의 주요 원인 중 하나이다.[20][21] 펩신은 위 역류 사건 후 후두(pH 6.8)에 남아있게 된다.[16][17] 이 환경에서는 효소적으로 비활성이지만, 펩신은 안정적으로 유지되어 후속 산 역류 사건 시 재활성화될 수 있다.[15] 후두 점막이 효소적으로 활성인 펩신에 노출되면(비가역적으로 비활성화된 펩신이나 산에 노출될 때와 달리) 보호 단백질의 발현이 감소하여 후두가 손상에 더 취약해진다.[15][16][17]

펩신은 약산성 또는 비산성 위 역류 시에도 점막 손상을 일으킬 수 있다. 약산성 또는 비산성 역류는 역류 증상 및 점막 부상과 관련이 있다.[22][23][24][25] 비산성 조건(중성 pH)에서 펩신은 수용체 매개 세포내 섭취로 알려진 과정에 의해 후두 및 하인두와 같은 상기도 세포 내부로 들어간다.[26] 펩신이 세포 내부로 들어가는 수용체는 현재 알려져 있지 않다. 세포에 섭취된 후, 펩신은 효소 활성이 회복될 수 있는 낮은 pH의 세포 내 소낭에 저장된다. 펩신은 최대 24시간 동안 세포 내에 유지된다.[27] 중성 pH에서 펩신에 대한 이러한 노출과 펩신의 세포내 섭취는 염증과 관련된 유전자 발현의 변화를 일으키며, 이는 역류의 징후와 증상 및 종양 진행의 기초가 된다.[28][29] 이 연구와 다른 연구들은 위 역류로 인한 발암 과정에 펩신이 관여함을 시사한다.[30]

기도 표본의 펩신은 인후두 역류에 대한 민감하고 특이적인 지표로 간주된다.[31][32] 위 역류를 위한 새로운 펩신 표적 치료 및 진단 도구를 개발하기 위한 연구가 진행 중이다. 타액 샘플에서 펩신의 존재를 확인하는 펩테스트(Peptest)라는 신속 비침습적 펩신 진단법이 현재 사용 가능하다.[33]

저해제

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펩신은 높은 pH(활성 및 안정성 섹션 참조) 또는 저해제 화합물에 의해 저해될 수 있다. 펩스타틴은 저분자 화합물로 산성 프로테아제에 특이적인 강력한 저해제이며, 펩신에 대한 저해 해리 상수(Ki)는 약 10−10 M이다. 펩스타틴의 스타틸 잔기가 펩신 저해를 담당하는 것으로 생각된다. 스타틴은 펩신 및 다른 산성 프로테아제의 촉매 작용을 위한 전이 상태의 잠재적 유사체이다. 펩스타틴은 펩신과 공유 결합하지 않으므로 펩스타틴에 의한 펩신 저해는 가역적이다.[34] 1-비스(디아조아세틸)-2-페닐에탄은 pH 5에서 펩신을 가역적으로 비활성화하며, 이 반응은 Cu(II)의 존재 하에 가속화된다.[35]

돼지의 펩신은 돼지 회충(Ascaris suum)에서 생성되는 펩신 저해제-3(PI-3)에 의해 저해된다.[36] PI-3는 N-말단 잔기를 사용하여 펩신의 활성 부위를 차지함으로써 기질 결합을 차단한다. 성숙한 PI-3의 1-3번 아미노산 잔기(Gln-Phe-Leu)는 펩신의 P1' - P3' 위치에 결합한다. PI-3:펩신 복합체에서 PI-3의 N-말단은 수소 결합에 의해 위치하며 8가닥의 β-병풍을 형성하는데, 이 중 3가닥은 펩신에서, 5가닥은 PI-3에서 기여한다.[36]

펩신에 의한 단백질 소화 산물은 반응을 저해한다.[37][38]

위궤양 및 기타 펩신 관련 증상을 치료하는 데 사용되는 약물인 수크랄페이트도 펩신 활성을 저해한다.[39]

응용

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비먼의 펩신 껌
"소화불량 완화"를 내세운 아담스의 펩신 투티 프루티 껌

상업용 펩신은 돼지 위의 선층에서 추출된다. 이는 치즈 제조 과정에서 우유를 응고시키는 데 사용되는 레닛의 구성 성분이다. 펩신은 식품 제조에서 다양한 용도로 사용된다: 대두 단백질과 젤라틴에 거품 형성 특성을 부여하고 수정하기 위해,[40] 비유제품 스낵 품목에 사용되는 식물성 단백질을 수정하기 위해, 미리 익힌 곡물을 즉석 핫 시리얼로 만들기 위해,[41] 그리고 식품 및 음료의 향료로 사용되는 동물성 및 식물성 단백질 가수분해물을 준비하기 위해 사용된다. 가죽 산업에서는 가죽에서 털과 잔류 조직을 제거하는 데 사용되며, 은을 유지하는 젤라틴 층을 소화시켜 폐기된 사진 필름에서 은을 회수하는 데에도 사용된다.[42] 역사적으로 펩신은 에드윈 E. 비먼 박사가 만든 Beeman's gum 브랜드 껌의 첨가제였다.

펩신은 항체로부터 F(ab')2 파편을 준비하는 데 흔히 사용된다. 일부 분석에서는 항체의 항원 결합(Fab) 부분만 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 응용을 위해 항체는 효소적으로 소화되어 항체의 Fab 또는 F(ab')2 파편을 생성할 수 있다. F(ab')2 파편을 생성하기 위해 IgG를 펩신으로 소화하면 힌지 부위 근처의 중쇄가 절단된다.[43] 힌지 부위에서 중쇄를 연결하는 하나 이상의 이황화 결합이 보존되므로 항체의 두 Fab 영역은 서로 결합된 상태로 유지되어 이가 분자(두 개의 항체 결합 부위 포함)를 생성하며, 이를 F(ab')2라고 부른다. 경쇄는 그대로 유지되어 중쇄에 부착된다. Fc 파편은 작은 펩타이드로 소화된다. Fab 파편은 펩신 대신 파파인으로 IgG를 절단하여 생성된다. 파파인은 중쇄를 연결하는 이황화 결합을 포함하는 힌지 부위 위쪽을 절단하지만, 경쇄와 중쇄 사이의 이황화 결합 부위 아래쪽을 절단한다. 이로 인해 두 개의 별개인 일가(단일 항체 결합 부위 포함) Fab 파편과 온전한 Fc 파편이 생성된다. 파편은 겔 여과, 이온 교환 또는 친화성 크로마토그래피로 정제할 수 있다.[44]

Fab 및 F(ab')2 항체 파편은 Fc 영역의 존재가 문제를 일으킬 수 있는 분석 시스템에서 사용된다. 림프절이나 비장과 같은 조직 또는 말초 혈액 제제에는 Fc 수용체(대식세포, 단핵구, B 림프구 및 자연 살해 세포)를 가진 세포가 존재하며, 이들은 온전한 항체의 Fc 영역과 결합하여 표적 항체를 포함하지 않는 영역에서 배경 염색을 유발할 수 있다. F(ab')2 또는 Fab 파편을 사용하면 항체가 Fc 수용체가 아닌 항원에 결합하도록 보장할 수 있다. 이러한 파편은 보체와 결합하여 세포를 용해시킬 수 없으므로 혈장 존재 하에서 세포 제제를 염색하는 데에도 바람직할 수 있다. F(ab')2 및 더욱 광범위하게는 Fab 파편을 사용하면 전자 현미경을 위한 조직 염색 등에서 표적 항원의 더 정확한 위치 파악이 가능하다. F(ab')2 파편의 이가성은 항원을 가교할 수 있게 하여 침전 분석, 표면 항원을 통한 세포 응집 또는 로제트 분석에 사용할 수 있게 한다.[45]

유전자

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다음 세 가지 유전자는 동일한 인간 펩시노겐 A 효소를 암호화한다.

네 번째 인간 유전자는 가스트릭신(펩시노겐 C라고도 함)을 암호화한다.

각주

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  1. ↑ PDB 1PSO; Fujinaga M, Chernaia MM, Tarasova NI, Mosimann SC, James MN (May 1995). 《Crystal structure of human pepsin and its complex with pepstatin》. 《Protein Science》 4. 960–72쪽. doi:10.1002/pro.5560040516. PMC 2143119. PMID 7663352.
  2. 1 2 “Enzyme entry 3.4.23.1”. 《ExPASy Bioinformatics Resource Portal》. SIB. 2008년 12월 14일에 확인함.
  3. 1 2 3 Hamuro Y, Coales SJ, Molnar KS, Tuske SJ, Morrow JA (April 2008). 《Specificity of immobilized porcine pepsin in H/D exchange compatible conditions》. 《Rapid Communications in Mass Spectrometry》 22. 1041–6쪽. Bibcode:2008RCMS...22.1041H. doi:10.1002/rcm.3467. PMID 18327892.
  4. ↑ Florkin M (March 1957). 《[Discovery of pepsin by Theodor Schwann]》 (프랑스어). 《Revue Médicale de Liège》 12. 139–44쪽. PMID 13432398.
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  6. ↑ Harper D. “Pepsin”. 《Online Etymology Dictionary》.
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  19. ↑ P1 및 P1' 위치는 각각 카복실 쪽과 아미노 쪽에서 절단될 결합 바로 옆에 있는 아미노산 잔기를 나타낸다. Schechter I, Berger A (September 1968). 《On the active site of proteases. 3. Mapping the active site of papain; specific peptide inhibitors of papain》. 《Biochemical and Biophysical Research Communications》 32. 898–902쪽. doi:10.1016/0006-291X(68)90326-4. PMID 5682314. 참고.
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