트립신

3. 작용 기전

트립신의 효소 기전은 다른 세린 프로테아제와 유사하다. 이 효소들은 활성 부위에 히스티딘-57, 아스파르트산-102, 세린-195로 구성된 촉매 삼점을 포함한다.^[8] 과거에는 이 촉매 삼점이 세린에서 히스티딘, 히스티딘에서 아스파르트산으로 순차적으로 양성자를 전달하는 '전하 중계 시스템'으로 설명되었으나, 최근 연구에 따르면 세린과 히스티딘이 양성자를 거의 동등하게 공유하며 짧은 낮은 장벽 수소 결합을 형성하는 것으로 이해된다.^[9] 이 결합을 통해 활성 부위에 있는 세린 잔기의 친핵성(전자를 좋아하는 성질)이 증가하여, 단백질 분해 과정에서 펩타이드 결합의 아미드 탄소를 공격하기 쉬워진다.

트립신이 촉매하는 반응은 열역학적으로는 일어나기 쉽지만, 상당한 활성화 에너지가 필요하여 반응 속도 자체는 느리다(효소 반응 속도론적으로 불리하다). 트립신은 또한 글라이신(Gly)-193과 세린(Ser)-195의 주쇄 아미드 수소 원자로 구성된 '옥시음이온 홀(oxyanion hole)'을 가지고 있다. 이 구조는 세린이 펩타이드 결합의 탄소를 공격한 후 형성되는 사면체 중간체에서 산소 원자에 쌓이는 음전하를 수소 결합을 통해 안정화시키는 역할을 한다. 사면체 중간체를 안정화함으로써 반응의 활성화 에너지를 낮추고, 전이 상태를 안정화시켜 반응 속도를 높인다. 전이 상태를 우선적으로 안정화하는 것은 효소 촉매 작용의 중요한 원리이다.

트립신의 기질 결합 부위(S1 주머니)에는 음전하를 띤 아스파르트산 잔기(Asp 189)가 존재한다. 이 잔기는 양전하를 띤 아미노산인 라이신이나 아르기닌 잔기를 특이적으로 끌어당기고 결합하여 트립신의 기질 특이성을 결정한다. 따라서 트립신은 주로 단백질 사슬 내에서 라이신 또는 아르기닌 잔기의 카르복실기 쪽(C-말단 쪽) 펩타이드 결합을 절단한다. 다만, 라이신이나 아르기닌 바로 뒤에 프롤린이 오는 경우에는 절단이 잘 일어나지 않는다.^[10] 그러나 대규모 질량 분석법 데이터 분석 결과, 프롤린 앞에서도 절단이 일어나는 경우가 관찰되었다.^[11] 트립신은 폴리펩타이드 사슬의 말단이 아닌 내부를 절단하므로 엔도펩티데이스로 분류된다.

4. 특성

사람 트립신은 약 37°C에서 가장 활발하게 작동 온도한다.^[12] 반면, 대서양 대구는 다양한 체온에서 생존하기 위해 여러 종류의 트립신을 가지고 있다. 대구 트립신 중 하나인 트립신 I은 4°C에서 65°C 사이의 온도 범위에서 활성을 보이며, 55°C에서 최대 활성을 나타낸다. 또 다른 종류인 트립신 Y는 2°C에서 30°C 사이의 온도 범위에서 활성을 보이며, 21°C에서 최대 활성을 보인다.^[13]

단백질인 트립신은 그 유래에 따라 다양한 분자량을 가진다. 예를 들어, 소와 돼지에서 얻은 트립신은 23.3 kDa의 분자량을 갖는 것으로 보고된다.

트립신의 활성은 효소 저해제인 TPCK에 의해 영향을 받지 않는다. 이 물질은 키모트립신을 비활성화시키는 데 사용된다.

트립신은 스스로 분해되는 자기분해를 막기 위해 매우 낮은 온도(-20°C ~ -80°C)에서 보관해야 한다. 또한, pH 3의 환경에서 보관하거나 환원 메틸화 처리를 통해 변형된 트립신을 사용하면 자기분해를 억제할 수 있다. 이렇게 처리된 트립신은 pH를 다시 8로 조절하면 활성을 회복한다.

5. 동형 효소 (Isozymes)

다음은 트립신 효소 활성을 갖는 인간 유전자를 암호화하는 단백질이다:

다른 트립신 동형 효소는 다른 유기체에서도 발견될 수 있다.

6. 임상적 의의

트립신은 원래 비활성 상태인 트립시노겐 형태로 췌장에서 만들어진다. 만약 트립시노겐이 췌장 내에서 단백질 분해 과정을 거쳐 활성형 트립신으로 바뀌면, 연쇄 반응이 일어나 췌장 조직을 스스로 소화시키는 상태, 즉 췌장염을 유발할 수 있다.

또한, 낭성 섬유증은 상염색체 열성 유전 질환 중 하나인데, 이 병의 결과로 췌장에서 트립신을 포함한 여러 소화 효소의 운반에 문제가 생길 수 있다. 이렇게 되면 신생아의 첫 변인 태변이 비정상적으로 끈적해지고 장을 막는 태변성 장폐색이 발생할 수 있다. 정상적인 경우라면 트립신과 다른 단백질 분해 효소들이 태변을 분해하여 배설을 돕지만, 낭성 섬유증 환자에게는 이 과정이 원활하지 않아 장폐색으로 이어지는 것이다.^[14]

7. 응용

트립신은 췌장에 다량으로 존재하며 비교적 쉽게 정제할 수 있어 다양한 생명공학적 과정에서 널리 사용되어 왔다.

주요 응용 분야로는 조직 배양 시 세포 분리^[15], 단백질체학 연구에서의 단백질 분해, 의학 분야에서의 혈전 용해 및 염증 치료, 수의학 분야에서의 상처 치료^[16], 그리고 식품 가공 등이 있다.^[19] 예를 들어, 모유의 카제인을 분해하는 데 사용될 수 있으며^[7], 인도에서는 특정 염증 질환 치료에 트립신-키모트립신 복합제가 사용되기도 한다.^[17][18]

7. 1. 조직 배양

7. 2. 단백질체학

7. 3. 의학

7. 4. 수의학

7. 5. 식품

• 반죽의 작업성을 개선하기 위한 제빵 효소로 사용된다.
• 채소 또는 동물성 단백질에서 조미료 및 향료를 추출하거나 소스를 제조하는 데 사용된다.
• 치즈 및 유제품의 향기 형성을 조절한다.
• 어류 제품의 질감을 개선한다.
• 육류를 연화시킨다.
• 맥주의 저온 안정화 과정에 사용된다.
• 프로테아제가 특정 알레르겐성 단백질을 비알레르겐성 펩타이드로 분해하는 저알레르기성 식품 생산에 사용된다. 예를 들어, 프로테아제는 소의 우유로 만든 저알레르기성 유아식을 생산하는 데 사용되어 아기가 우유 알레르기를 일으킬 위험을 줄인다.

8. 트립신 억제제

췌장에서는 활성화된 트립신의 작용을 막기 위해 BPTI와 SPINK1과 같은 억제제가 존재한다. 또한 혈청에는 α1-안티트립신이 있어, 트립신이 부적절하게 활성화되는 것을 막는 방어 기전으로 작용한다. 비활성 상태인 트립시노겐에서 조기에 트립신이 형성되더라도, 이러한 억제제들이 트립신과 결합하여 그 활성을 억제한다. 트립신과 억제제 사이의 단백질-단백질 상호 작용은 매우 강력하게 결합하는 상호 작용 중 하나로 알려져 있으며, 트립신은 일부 췌장 억제제와 거의 비가역적으로 결합한다.^[20] 대부분의 단백질 복합체와 달리, 트립신과 억제제가 결합된 일부 복합체는 8M 농도의 요소 용액으로 처리해도 쉽게 분리되지 않는다.^[21]

트립신 억제제는 대사 장애나 비만 문제를 해결하는 데 활용될 수 있다. 대사 장애, 비만, 과체중은 여러 비전염성 만성 질환의 발병률을 높이는 요인으로 알려져 있어^[22], 트립신 억제제 사용과 같은 다양한 예방 및 완화 방법을 탐구하는 것이 공중 보건 정책에서 중요하게 다루어진다. 이러한 억제제는 방사선으로부터 세포를 보호하고 항암 활성을 통해 결장암, 유방암, 피부암, 전립선암의 발생을 줄이는 효과를 가질 수 있다. 또한, 중성구에서 분비되는 프로테아제의 방출을 조절하여 심각한 조직 손상을 예방하는 조절 메커니즘으로 작용할 수도 있다.^[22] 비정상적인 세린 프로테아제 활성과 관련된 심혈관 질환의 경우, 트립신 억제제는 혈소판 응집, 섬유소 용해, 응고 과정에서의 활성을 차단하는 역할을 할 수 있다.

트립신 억제제는 다양한 기능을 가지며, 항균 펩타이드(AMP) 활성을 억제하는 잠재적인 프로테아제 억제제로도 작용할 수 있다.^[23] 트립신 억제제의 정확한 항균 작용 원리는 아직 명확하지 않지만, 세균 감염 치료에 대한 잠재적 응용 가능성을 확인하기 위한 연구가 진행 중이다.^[23] 연구 결과와 주사 전자 현미경 관찰을 통해 ''황색포도상구균''의 세균 막에 대한 항균 효과가 확인되었다.^[23] 양서류 피부에서 추출한 트립신 억제제는 ''황색포도상구균''의 세포벽과 막에 영향을 주어 세균 사멸을 촉진하는 것으로 나타났다.^[23] 또한, 트립신 억제제 펩타이드, 단백질과 ''대장균''에 대한 항균 작용을 분석한 연구에서도 충분한 세균 성장 억제 효과가 확인되었다. 그러나 트립신 억제제를 식품이나 의료 분야에서 활용하기 위해서는 특정 기준을 충족해야 한다.^[23]

9. 트립신 대체제

세포 배양에서 세포 외 기질을 트립신으로 소화하는 것은 일반적인 방법이다. 하지만 이러한 효소 분해는 세포 생존 능력과 표면 마커에 부정적인 영향을 줄 수 있으며, 특히 줄기 세포에서 그러하다. 트립신보다 더 부드러운 대안으로는 Accutase가 있다. Accutase는 cd14, cd117, cd49f, cd292와 같은 표면 마커에 영향을 미치지 않는다.^[24][25] 그러나 Accutase는 대식세포에서 FasL 및 Fas 수용체의 표면 수치를 감소시킨다. 이 수용체는 면역 체계에서 세포 세포독성과 관련이 있으며 세포 자멸사 관련 세포 사멸을 촉진할 수도 있다.^[26]

ProAlanase는 단백질체학 응용 분야에서 트립신의 대안으로 사용될 수 있다.^[27] ProAlanase는 적절한 조건 하에서 높은 단백질 분해 활성과 특이성을 보이는 ''Aspergillus niger'' 곰팡이 프로테아제이다.^[27] 이전에는 An-PEP로 연구되었던 산성 프롤릴 엔도펩티다제 프로테아제인 ProAnalase는 다양한 실험을 통해 그 특이성이 관찰되었다.^[27] ProAnalase는 짧은 소화 시간과 매우 산성인 pH 조건의 LC-MS 응용 분야에서 최적의 성능을 보였다.^[27]

참조

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_[2] 서적 Families of serine peptidases
_[3] 논문 Über das Trypsin (Enzym des Pankreas) https://books.google[...] 1877
_[4] 서적 Textbook of Veterinary Physiological Chemistry Academic Press 2015-01-01
_[5] 서적 Verhandlungen des Naturhistorisch-medizinischen Vereins zu Heidelberg Carl Winter's Universitätsbuchhandlung 1876-03-06
_[6] 논문 Origin and Likely Etymology of the Word 'Trypsin' 2024
_[7] 웹사이트 Digestion of Proteins http://intranet.tdmu[...] Ternopil National Medical University 2015-07-14
_[8] 논문 The catalytic triad of serine peptidases 2005-10
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_[10] 웹사이트 Sequencing Grade Modified Trypsin http://www.promega.c[...] promega.com 2007-04-01
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_[12] 논문 Analysis of the effect of temperature changes combined with different alkaline pH on the β-lactoglobulin trypsin hydrolysis pattern using MALDI-TOF-MS/MS 2011-03
_[13] 논문 Atlantic cod trypsins: from basic research to practical applications
_[14] 논문 Cystic fibrosis gene mutations and pancreatitis risk: relation to epithelial ion transport and trypsin inhibitor gene mutations https://cdr.lib.unc.[...] 2001-12
_[15] 웹사이트 Trypsin-EDTA (0.25%) http://www.stemcell.[...] Stem Cell Technologies
_[16] 웹사이트 Debrisol https://www.drugs.co[...] drugs.com
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_[22] 논문 Trypsin inhibitors: promising candidate satietogenic proteins as complementary treatment for obesity and metabolic disorders? 2019-12
_[23] 논문 Antibacterial action mechanisms and mode of trypsin inhibitors: a systematic review 2022-12
_[24] 논문 Impact of cell dissociation on identification of breast cancer stem cells 2012
_[25] 논문 The Effect of Enzymatic Digestion on Cultured Epithelial Autografts 2019-05
_[26] 논문 Different methods of detaching adherent cells and their effects on the cell surface expression of Fas receptor and Fas ligand 2022-04
_[27] 논문 ProAlanase is an Effective Alternative to Trypsin for Proteomics Applications and Disulfide Bond Mapping 2020-12
_[28] 서적