알파-아밀레이스
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1. 개요
알파-아밀레이스는 녹말을 말토스와 덱스트린으로 분해하는 효소로, 인체에서는 침과 이자액에서 주로 발견된다. 침샘 아밀레이스(프티알린)는 침에서 녹말을 분해하며, 위산에 의해 비활성화될 수 있다. 췌장 아밀레이스는 아밀로스의 글리코시드 결합을 절단하여 덱스트린, 말토스, 말토트리오스를 생성한다. 아밀레이스 검사는 췌장염 진단에 사용되며, 타액 아밀레이스는 스트레스의 생체 지표로 활용되기도 한다. 알파-아밀레이스는 에탄올 생산, 고과당 옥수수 시럽 제조, 세제 등 산업적으로 널리 사용되며, 세균 생물막 분해를 통해 의학적 활용 가능성도 연구되고 있다.
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2. 인체 생물학
아밀레이스는 여러 조직에서 발견되지만, 특히 이자액과 침에서 많이 발견되며, 각각 인간 α-아밀레이스의 고유한 동형효소를 가지고 있다. 이들은 등전점 전기영동에서 다르게 반응하며, 특정 단클론 항체를 사용하여 검사 시 분리할 수도 있다. 인간의 경우, 모든 아밀레이스 동형효소는 1번 염색체 p21에 연결되어 있다(AMY1A 참조).
침샘 아밀레이스(프티알린)는 녹말을 말토스와 덱스트린으로 분해하며, 이자 α-아밀레이스는 아밀로스의 α(1-4) 글리코사이드 결합을 무작위로 절단하여 덱스트린, 말토스, 말토트리오스를 생성한다.
아밀레이스 검사는 췌장염을 감지하고 모니터링하는 데 사용되며, 췌장염, 유행성 이하선염, 신부전 등에서 혈장 아밀레이스 수치가 증가한다.[10][11]
2. 1. 침샘 아밀레이스 (프티알린)
침에서 발견되는 아밀레이스는 옌스 야코브 베르셀리우스에 의해 "프티알린"이라고도 불린다. π|프티알린grc은 그리스어 πτυω (나는 침을 뱉는다)에서 유래되었는데, 침에서 얻어졌기 때문이다.[4] 프티알린은 녹말을 말토스와 덱스트린으로 분해한다. 선형 α(1,4) 글리코시드 결합에 작용하지만, 가지가 있는 생성물에는 다른 효소가 필요하다.침샘 아밀레이스는 위에서 위산에 의해 비활성화된다. pH 3.3 위액에서는 20분 만에 완전히 비활성화되지만, pH 4.3에서는 150분 후에도 활성의 50%가 남는다.[5] 녹말과 그 생성물(짧은 포도당 사슬)은 위산으로부터 프티알린을 부분적으로 보호한다. pH 3.0 완충액에서 120분 만에 불활성화되지만, 0.1% 녹말 첨가 시 활성의 10%가, 1.0% 첨가 시 약 40%가 유지된다.[6]
2. 1. 1. 프티알린의 최적 조건
프티알린은 pH 7.0에서 가장 잘 작용한다.[7] 사람의 체온과 비슷한 섭씨 37도에서 가장 활발하게 반응한다.[8]프티알린이 작용하기 위해서는 특정 음이온과 활성제가 필요하다. 염화물과 브로민 이온이 가장 효과적이며, 요오드 이온은 그보다 덜 효과적이다. 황산염과 인산염 이온은 가장 덜 효과적인 활성제이다.[8]
2. 1. 2. 인간 타액 아밀레이스의 유전적 변이
타액 아밀레이스 유전자는 진화 과정에서 중복을 겪었으며, DNA 혼성화 연구에 따르면 많은 개인이 해당 유전자의 여러 직렬 반복을 가지고 있다. 유전자 복제본 수는 사람 아밀레이스에 대한 항체를 사용하여 단백질 블롯 분석으로 측정한 타액 아밀레이스의 수준과 상관관계가 있다. 유전자 복제본 수는 높은 전분 식단에 대한 명백한 진화적 노출과 관련이 있다.[9] 예를 들어, 한 일본인은 아밀레이스 유전자 복제본을 14개(10개의 복제본을 가진 하나의 대립 유전자와 4개의 복제본을 가진 두 번째 대립 유전자) 가지고 있었다. 일본 식단은 전통적으로 많은 양의 쌀 전분을 포함해 왔다. 반면, 비아카인은 6개의 복제본(각 대립 유전자당 3개의 복제본)을 가지고 있었다. 비아카는 전통적으로 전분 함량이 낮은 식단을 섭취해 온 열대 우림 수렵 채집인이다. 페리 등은 타액 아밀레이스 유전자의 복제본 수 증가가 인간 진화 과정에서 전분 식단으로의 변화와 일치하여 생존을 향상시켰을 수 있다고 추측했다.2. 2. 췌장 아밀레이스
췌장 α-아밀레이스는 아밀로스의 α(1-4) 글리코사이드 결합을 무작위로 절단하여 덱스트린, 말토스, 말토트리오스를 생성한다. 이는 아노머 배위를 유지하면서 이중 변위 메커니즘을 채택한다. 인간의 타액 아밀레이스는 이 효소의 복제본에서 진화했다.[9]2. 3. 병리학
아밀레이스 검사는 췌장염을 감지하고 모니터링하는 데 사용된다. 췌장염, 유행성 이하선염, 신부전 등에서 혈장 아밀레이스 수치가 증가한다.[10][11]2. 3. 1. 해석
아밀레이스 검사는 리파아제 검사보다 수행하기 쉬워 췌장염을 감지하고 모니터링하는 데 주로 사용된다. 의학 실험실에서는 일반적으로 췌장 아밀레이스 또는 총 아밀레이스를 측정한다. 췌장 아밀레이스만 측정하는 경우 볼거리 또는 기타 침샘 손상으로는 증가가 나타나지 않는다.그러나 소량의 아밀레이스가 존재하기 때문에 이 측정을 위한 혈액 채취 시기가 매우 중요하다. 췌장염 통증이 발생한 직후에 혈액을 채취해야 한다. 그렇지 않으면 신장에 의해 빠르게 배설된다.
타액 α-아밀레이스는 스트레스의 생체 지표로 사용되었으며[10][11], 혈액 채취가 필요 없는 교감 신경계 활동의 대리 지표로 사용된다.[12]
다음과 같은 경우 사람의 혈장 수치가 증가한다.
총 아밀레이스 수치가 정상 상한치(ULN)의 10배 이상이면 췌장염을 시사한다. ULN의 5~10배는 장폐색 또는 십이지장 질환 또는 신부전을 나타낼 수 있으며, 더 낮은 수치는 일반적으로 타액선 질환에서 발견된다.
2. 4. 관련 유전자
| 구분 | 관련 유전자 |
|---|---|
| 타액 | AMY1A, AMY1B, AMY1C |
| 췌장 | AMY2A, AMY2B |
알파-아밀레이스는 곡물, 특히 밀에서 그 활성이 측정되며, 싹 손상을 평가하는 데 사용된다. 예를 들어 하그버그-페르텐 폴링 넘버[13] 또는 파데바스 방법이 사용된다.
알파-아밀레이스는 에탄올 생산과 고과당 옥수수 시럽 제조, 그리고 세제 등에 사용된다.[14]
3. 곡물
4. 산업적 이용
일반적인 아밀레이스 계열의 더 많은 용도에 대해서는 아밀레이스 문서를 참조.
4. 1. 에탄올 생산
알파-아밀레이스는 곡물의 전분을 발효 가능한 당으로 분해하기 위해 에탄올 생산에 사용된다.[14]
4. 2. 고과당 옥수수 시럽 생산
고과당 옥수수 시럽 생산의 첫 단계는 옥수수 전분을 α-아밀레이스로 처리하는 것이다. 이때 α-아밀레이스는 긴 전분 중합체를 짧은 올리고당 사슬로 절단한다.[14]
4. 3. 세제
알파-아밀레이스는 일부 세제, 특히 식기 세척 및 전분 제거 세제에 사용된다.[14] ''Bacillus licheniformis''에서 추출한 "Termamyl"이라고 불리는 α-아밀레이스가 이러한 용도로 사용된다.[14]
5. 의학적 활용 가능성
알파-아밀레이스는 세균 생물막의 구조와 매트릭스 세포 외 고분자 물질(EPS) 내의 α(1→4) 글리코시드 결합을 가수분해하여 여러 미생물 생물막을 분해하는 데 효과가 있다.[15][16]
6. 질병 및 건강 관련성
α-글루코시다아제 및 알파-아밀레이스 억제제는 계피[17]와 아카보스를 함유한 박테리아[18]와 같은 여러 생약/약초에서 발견된다. 이는 항당뇨병 약물로 사용될 수 있다. 복합 탄수화물을 함유한 식사 전에 단일 용량을 섭취하면 혈당 급증을 명확하게 억제하고 제2형 당뇨병 환자의 식후 고혈당증(140mg/dL 초과, 7.8mmol/L 초과)을 감소시킬 수 있다.[17]
7. 완충액 억제
트리스 분자는 다수의 세균 알파-아밀레이스를 억제하는 것으로 보고되었으므로,[19][20] 트리스 완충액에 사용해서는 안 된다.
8. 측정 방법
α-아밀레이스 활성 측정에는 여러 방법이 있으며, 각 산업 분야에서 서로 다른 방법을 사용하는 경향이 있다. 요오드 검사의 발전된 형태인 전분 요오드 검사는 색상 변화를 기반으로 하며, α-아밀레이스가 전분을 분해하기 때문에 다양한 분야에서 흔히 사용된다. 이와 유사하지만 산업적으로 생산된 검사법으로는 파데바스 아밀레이스 검사가 있으며, 이는 세제, 다양한 밀가루, 곡물, 맥아 식품, 법의학 등 많은 산업 분야에서 정성 및 정량 검사로 사용된다.
변형된 비색법을 이용한 아밀레이스 미량 측정법도 설명되어 있는데, 여기서는 전분-요오드 색상의 감소를 통해 전분의 소화를 측정한다.[21]
9. 도메인 구조
알파-아밀레이스는 여러 개의 뚜렷한 단백질 도메인을 포함한다. 촉매 도메인은 활성 부위를 포함하는 8가닥 α/β 배럴로 구성된 이차 구조를 가지며, 이는 β-가닥 3과 α-나선 3 사이에 돌출된 약 70개의 아미노산 칼슘 결합 도메인과 카르복시 말단 그리스 키 β-배럴 도메인에 의해 중단된다.[22] 여러 알파-아밀레이스는 보통 C 말단에 β-시트 도메인을 포함한다. 이 도메인은 5가닥 역평행 β-시트로 구성된다.[23][24] 여러 알파-아밀레이스는 보통 C 말단에 모든 β 도메인을 포함한다.[25]
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