아스파르트산 아미노기전이효소

1. 개요

아스파르트산 아미노기전이효소(AST)는 L-아스파르트산에서 α-케토글루타르산으로 아미노기를 전이하는 반응을 촉매하는 효소이다. 이 효소는 아미노산 분해와 생합성에 중요한 역할을 하며, 피리독살 인산(비타민 B6)을 보조 인자로 사용한다. 사람의 경우 세포질 GOT1/cAST와 미토콘드리아 GOT2/mAST 두 가지 동질효소가 존재하며, 다양한 미생물에서도 발견된다. AST는 이량체 단백질로, 두 개의 동일한 소단위체로 구성되며, 기질 결합 부위와 활성 부위를 갖는다. 이 효소는 이중 기질 인식을 통해 작동하며, 핑퐁 메커니즘을 통해 아미노기전이 반응을 진행한다. AST는 간 기능 검사에 사용되는 효소로, 간 질환뿐만 아니라 심근 경색, 급성 췌장염 등 다른 질환에서도 수치가 상승할 수 있다.

2. 기능

아스파르트산 아미노기전이효소는 L-아스파르트산에서 α-케토글루타르산으로 아미노기의 전이를 촉매하며, 이러한 가역적 아미노기 전이 반응의 산물은 옥살로아세트산과 L-글루탐산이다.

:L-아스파르트산 + α-케토글루타르산 ⇄ 옥살로아세트산 + L-글루탐산

아스파르트산 아미노기전이효소는 아스파르트산 또는 글루탐산으로부터 상응하는 케토산으로 아미노기를 전이하기 위한 보조 인자로 피리독살 인산(비타민 B₆)에 의존한다. 이 과정에서 보조 인자인 피리독살 인산은 피리독살 인산(PLP)과 피리독사민 인산(PMP) 형태 사이를 왕복한다. 아스파르트산 아미노기전이효소에 의해 촉매되는 아미노기 전이반응은 아미노산 분해와 아미노산 생합성 모두에서 중요하다. 아미노산 분해에서 α-케토글루타르산이 글루탐산으로 전환된 후 글루탐산은 후속적으로 산화적 탈아미노화를 거쳐 암모늄 이온을 형성하고, 암모늄 이온은 요소로 합성된 후 배설된다. 역반응에서 아스파르트산은 시트르산 회로의 핵심적인 대사 중간생성물인 옥살로아세트산으로부터 합성될 수 있다.

3. 동질효소

다양한 진핵생물에 두 가지 동질효소가 존재한다. 사람의 경우는 다음과 같다.

* GOT1/cAST – 세포질 동질효소로 주로 적혈구와 심장에서 유래한다.
* GOT2/mAST – 미토콘드리아 동질효소는 주로 간에 존재한다.

이들 동질효소는 유전자 복제를 통해 공통 조상의 아스파르트산 아미노기전이효소(AST)로부터 진화해 온 것으로 생각되며, 약 45%의 서열 상동성을 공유한다.

아스파르트산 아미노기전이효소는 대장균, 할로페락스 메디테라네이(Haloferax mediterranei), 및 테르무스 테르모필루스(Thermus thermophilus)를 포함한 많은 미생물에서도 발견되었다. 대장균에서 아스파르트산 아미노기전이효소는 aspC 유전자에 의해 암호화되며 방향족 아미노산 아미노기전이효소의 활성을 가지는 것으로 나타났다.

4. 구조

X선 결정학 연구는 닭의 미토콘드리아, 돼지 심장의 세포질, 및 대장균을 포함한 다양한 출처의 아스파르트산 아미노기전이효소의 구조를 결정하기 위해 수행되었다. 전반적으로 모든 종의 3차원 폴리펩타이드 구조는 매우 유사하다. 아스파르트산 아미노기전이효소(AST)는 각각 약 400개의 아미노산 잔기와 약 45 kD의 분자량을 갖는 두 개의 동일한 소단위체로 구성된 이량체이다. 각각의 소단위체는 크고 작은 도메인과 N-말단 잔기 3-14로 구성된 세 번째 도메인으로 구성된다. 이들 소수의 잔기는 이량체의 두 소단위체를 연결하고 안정화시키는 가닥을 형성한다. 잔기 48-325를 포함하는 큰 도메인은 Lys²⁵⁸의 ε-아미노기에 대한 알디민 연결을 통해 보조 인자인 피리독살 인산(PLP)과 결합한다. 이 도메인의 다른 잔기(Asp²²² 및 Tyr²²⁵)도 수소 결합을 통해 피리독살 인산과 상호작용한다. 작은 도메인은 잔기 15-47 및 잔기 326-410으로 구성되며 기질과 결합시 "열린" 입체형태에서 "닫힌" 입체형태로 효소를 전환시키는 유연한 영역을 나타낸다.

두 개의 독립적인 활성 부위는 두 도메인 사이의 인터페이스 근처에 위치한다. 각 활성 부위 내에서 몇 개의 아르지닌 잔기가 다이카복실산 기질에 대한 효소의 기질 특이성을 담당한다. Arg³⁸⁶은 기질의 근위 (α-)카복실기와 상호작용을 하는 반면, Arg²⁹²는 원위 (곁사슬) 카복실기와 복합체를 형성한다.

2차 구조의 측면에서 아스파르트산 아미노기전이효소는 α 및 β 요소들을 모두 포함한다. 각 도메인에는 양쪽에 α 나선이 포장된 β-가닥의 중앙 시트가 있다.

5. 메커니즘

아스파르트산 아미노기전이효소는 이중 기질 인식을 통해 작동한다. 즉, 곁사슬이 다른 두 개의 아미노산(아스파르트산(Asp) 및 글루탐산(Glu))을 인식하고 선택적으로 결합할 수 있다. 아미노기전이효소 반응은 핑퐁 메커니즘을 구성하는 두 개의 유사한 반쪽 반응으로 구성된다. 첫 번째 반쪽 반응에서 아미노산 1(L-아스파르트산)은 효소-PLP 복합체와 반응하여 케토산 1(옥살로아세트산)과 변형된 효소-PMP를 생성한다. 두 번째 반쪽 반응에서 케토산 2(α-케토글루타르산)은 효소-PMP와 반응하여 아미노산 2(L-글루탐산)을 생성하고 이 과정에서 원래의 효소-PLP를 재생한다. 라세미 생성물(D-글루탐산)의 생성은 매우 드물다.

:효소-PLP + 아스파르트산 ⇄ 효소-PMP + 옥살로아세트산

반응 메커니즘(반쪽 반응)에서 기질 결합 단계(트랜스알디민화)가 촉매 반응을 진행시키는 것으로 나타났다.

다른 반쪽 반응은 기질로서 α-케토글루타르산을 사용하여 반대 방식으로 진행된다.

반응 메커니즘의 구체적인 단계는 다음과 같다.

# 내부 알디민 생성: 먼저 Lys²⁵⁸의 ε-아미노기가 알데하이드 탄소와 시프 염기 결합을 형성하여 내부 알디민을 생성한다.
# 트랜스알디민화: 내부 알디민은 Lys²⁵⁸의 ε-아미노기가 아스파르트산의 아미노기로 대체될 때 외부 알디민이 된다. 이러한 트랜스알디민화 반응은 아스파르트산(Asp)의 탈양성자화된 아미노기에 의한 친핵성 공격을 통해 일어나고 사면체의 대사 중간생성물을 통해 진행된다. 이때 Asp의 카복실기는 효소의 Arg³⁸⁶ 및 Arg²⁹² 잔기의 구아니디늄기에 의해 안정화된다.
# 퀴노노이드 생성: 그런 다음 Asp의 α-탄소에 부착된 수소가 추출되어(Lys²⁵⁸은 양성자 수용체로 생각됨) 퀴노노이드 중간생성물을 생성한다.
# 케티민 생성: 퀴노노이드는 재양성자화되며 알데하이드 탄소에서 케티민 중간생성물을 생성한다.
# 케티민 가수분해: 마지막으로 케티민은 가수분해되어 PMP와 옥살로아세트산을 생성한다.

이러한 메커니즘에는 여러 부분에 속도 결정 단계가 있는 것으로 생각된다.

6. 임상적 중요성

아스파르트산 아미노기전이효소(AST)는 알라닌 아미노기전이효소(ALT)와 함께 간 기능 검사에 사용되는 중요한 효소이다. AST는 ALT와 마찬가지로 간 실질 세포에 존재하지만, ALT와 달리 간 외에도 심장(심근), 골격근, 콩팥, 뇌, 적혈구 등 다양한 조직에 분포한다. 따라서 ALT가 AST보다 간염에 대한 더 구체적인 지표이지만, AST는 심근 경색, 급성 췌장염, 급성 용혈성 빈혈, 심한 화상, 급성 신장 질환, 근골격 질환, 외상 등 다른 기관에 영향을 미치는 질병에서도 수치가 상승할 수 있다.

대한민국에서는 AST, ALT 검사를 통해 간 질환을 조기에 진단하고, 치료 효과를 판정하며, 예후를 예측하는 데 활용하고 있다. AST는 1954년에 급성 심근 경색 진단을 위한 생화학적 표지자로 정의되었으나, 현재는 심장 트로포닌 검사로 대체되었다.

검사 결과는 검사를 수행한 실험실의 기준치를 참고해야 한다. 기준치 범위의 예는 다음과 같다.

6.1. 간 질환에서의 AST

간염, 지방간, 간경변, 간종양 등의 간 질환에서는 AST와 ALT의 수치가 상승하는 것이 특징이며, 100 IU/L 이상, 때로는 500 IU/L 이상으로 나타난다. 특히 알코올성 간염, 간경변, 간종양에서는 AST 수치가 더 크게 상승하고, 바이러스성 간염이나 지방간에서는 ALT 수치가 더 크게 상승하는 경향이 있다. 그러나 비알코올성 지방간 질환(NAFLD/NASH)에서는 AST와 ALT 수치가 유의미하게 상승하지 않아도 간암이 발병하는 경우가 있으므로 주의해야 한다.

6.2. 간 질환 외 AST 상승

AST가 상승했을 때에는 심근 경색, 용혈성 빈혈 등도 감별해야 할 질환으로 고려해야 한다. (특히 ALT는 크게 상승하지 않고 AST만 크게 상승하는 경우) 채혈할 때 용혈의 가능성도 고려해야 한다.