카탈레이스

3. 구조

인간 카탈레이스는 4개의 단백질 소단위체로 구성된 사합체이며, 각 소단위체는 4개의 도메인으로 나눌 수 있다.^[8] 각 소단위체의 코어는 8개 가닥으로 이루어진 역평행 β-배럴(β1-8)로 생성되며, 한쪽 면은 β-배럴 루프로, 다른 쪽 면은 α9 루프로 덮여 있다.^[2] β-배럴 한쪽 면의 나선형 도메인은 4개의 C-말단 나선(α16, α17, α18, α19)과 β4와 β5 사이 잔기에서 유래된 4개의 나선(α4, α5, α6, α7)으로 구성된다.^[2] 선택적 스플라이싱은 서로 다른 단백질 변이체를 생성할 수 있다.

4. 기능

카탈레이스는 세포 내에서 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 중요한 기능을 수행한다. 이 효소는 과산화수소의 분해 반응을 촉매하여 세포를 보호한다.^[20]

카탈레이스는 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 주된 기능 외에도, 포름알데히드, 개미산, 페놀, 아세트알데히드, 알코올 등 다양한 물질을 산화시키는 부가적인 기능도 수행한다. 이러한 독성 물질들을 과산화수소를 이용하여 산화시켜 제거한다.^[14]

세포 내에서 카탈레이스는 주로 페록시솜이라는 세포 소기관에 위치하며,^[26] 과산화수소는 여러 대사 과정에서 생성되는 유해한 부산물이기 때문에, 카탈레이스는 이를 신속하게 분해하여 세포 손상을 방지한다.^[20]

카탈레이스가 결핍된 생쥐는 초기에는 정상적인 표현형을 보이지만, 시간이 지남에 따라 비만, 지방간, 제2형 당뇨병과 같은 대사 질환 발생 위험이 증가할 수 있다.^[22][23] 반대로 카탈레이스를 과발현시킨 생쥐는 노화 관련 DNA 손상이 감소하고 수명이 연장되는 효과를 보이기도 한다.^[24][25]

진핵생물 세포의 페록시솜은 광호흡 및 공생적 질소 고정과 같은 중요한 대사 과정에 관여한다.^[26] 또한 카탈레이스는 병원체가 생성하는 과산화물 라디칼을 비활성화하여 숙주 세포 내에서 생존할 수 있도록 돕는 역할을 한다.^[27]

4. 1. 분자 메커니즘

4. 2. 세포 내 역할

5. 생물학적 분포

거의 모든 호기성 미생물은 카탈레이스를 사용하며, ''Methanosarcina barkeri''와 같은 일부 혐기성 생물 미생물에도 존재한다.^[31] 카탈레이스는 식물에서도 보편적으로 존재하며 대부분의 균류에서도 발견된다.^[32] 알려진 대부분의 생물은 모든 기관에서 카탈레이스를 사용하며, 특히 포유류의 간에서 농도가 높다.^[29] 카탈레이스는 주로 과산화소체와 적혈구의 세포질에서 발견되며, 때로는 미토콘드리아에서도 발견된다.^[30]

폭격수 벌레는 카탈레이스를 독특하게 사용한다. 이 딱정벌레는 두 쌍의 액체를 두 개의 짝을 이룬 샘에 별도로 저장하는데, 더 큰 저장실에는 하이드로퀴논과 과산화수소가 들어 있고, 더 작은 반응실에는 카탈레이스와 과산화효소가 들어 있다. 유해한 스프레이를 활성화하기 위해 딱정벌레는 두 구획의 내용을 혼합하여 과산화수소에서 산소를 방출시킨다. 산소는 하이드로퀴논을 산화시키고 추진제 역할을 한다.^[33]

흰개미 ''Reticulitermes speratus''의 장수하는 여왕은 비생식 개체(일꾼 및 병정)보다 DNA 산화로 인한 손상이 현저히 적다.^[35] 여왕은 일꾼보다 카탈레이스 활성이 2배 이상 높고 카탈레이스 유전자 RsCAT1의 발현 수준이 7배 더 높다.^[35] 흰개미 여왕의 효율적인 항산화제 능력은 여왕이 어떻게 더 오래 살 수 있는지를 부분적으로 설명하는 것으로 보인다.

다양한 종의 카탈레이스 효소는 최적 온도가 크게 다르다. 변온 동물은 일반적으로 15-25 °C 범위의 최적 온도를 갖는 카탈레이스를 가지고 있는 반면, 포유류 또는 조류 카탈레이스는 35 °C 이상의 최적 온도를 가질 수 있으며,^[37][36] 식물의 카탈레이스는 생장 습성에 따라 다양하다.^[37] 반대로 고온성 세균 고세균 ''Pyrobaculum calidifontis''에서 분리된 카탈레이스는 90 °C의 최적 온도를 갖는다.^[38]

6. 임상적 의의 및 응용

카탈레이스는 식품 산업에서 치즈 생산 전 우유의 과산화 수소를 제거하고, 식품 포장재에서 음식이 산화되는 것을 방지하는 데 사용된다.^[39][40] 섬유 산업에서는 직물에서 과산화 수소를 제거하여 과산화물이 없는 재료를 만든다.^[41]

콘택트 렌즈 위생에도 사용되는데, 일부 렌즈 세척 제품은 과산화 수소 용액으로 렌즈를 소독하며, 다시 사용하기 전 카탈레이스가 포함된 용액으로 과산화 수소를 분해한다.^[42]

6. 1. 세균 동정 (카탈레이스 검사)

6. 2. 세균 독성

6. 3. 무카탈라제혈증 (Acatalasia)

6. 4. 백발 (Gray hair)

7. 상호작용

카탈레이스는 ABL2^[53] 및 Abl 유전자와 상호 작용하는 것으로 나타났다.^[53]

8. 카탈레이스 활성 측정법

1870년, 쇤(Schoenn)은 과산화수소와 몰리브덴산염이 상호 작용하여 노란색을 띠는 현상을 발견했다.^[55] 20세기 중반부터 이 반응은 카탈레이스 활성 분석에서 반응하지 않은 과산화수소를 비색 정량하는 데 사용되기 시작했다.^[56] 코로류크(Korolyuk) 등(1988)^[57]과 고트(Goth) (1991)^[58]의 논문 발표 이후 널리 사용되었다. 첫 번째 논문은 반응 매질에 완충액이 없는 혈청 카탈레이스 분석을 설명했고, 후자는 인산염 완충액을 반응 매질로 사용하는 방법을 설명했다. 인산 이온은 몰리브덴산 암모늄과 반응하기 때문에,^[58] 반응 매질로 MOPS 완충액을 사용하는 것이 더 적절하다.^[59]

과산화수소 농도 감소를 자외선으로 직접 측정하는 방법 또한 비어스(Beers)와 사이즈(Sizer)^[60], 그리고 아에비(Aebi)^[61]의 논문 발표 이후 널리 사용된다.

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