펩신
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1. 개요
펩신은 1836년 테오도어 슈반에 의해 발견된 최초의 효소 중 하나로, 단백질을 분해하는 소화 효소이다. 펩시노젠이라는 불활성 전구체 형태로 위 주세포에서 생성되며, 위산(염산)에 의해 활성화되어 단백질을 분해한다. 펩신은 pH 1.5~2.5의 산성 환경에서 가장 활발하게 작용하며, 후두인두 역류 시에도 영향을 미칠 수 있다. 펩스타틴과 같은 억제제에 의해 억제될 수 있으며, 상업적으로 치즈 제조, 식품 가공, 가죽 산업 등 다양한 분야에 활용된다.
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| 펩신 | |
|---|---|
| 효소 정보 | |
| 명칭 | 펩신 |
| EC 번호 | 3.4.23.1 |
| CAS 번호 | 9001-75-6 |
| GO 코드 | 0004194 |
 | |
| 효소 정보 (펩신 B) | |
| 명칭 | 펩신 B |
| EC 번호 | 3.4.23.2 |
| CAS 번호 | 9025-48-3 |
| GO 코드 | 해당 없음 |
| |
| 효소 정보 (펩신 C / 가스트릭신) | |
| 명칭 | 펩신 C (가스트릭신) |
| EC 번호 | 3.4.23.3 |
| CAS 번호 | 9012-71-9 |
| GO 코드 | 해당 없음 |
| |
| 발음 | |
| 영어 발음 | /'pɛpsɪn/ |
2. 역사
펩신은 1836년 테오도어 슈반이 발견한 최초의 효소 중 하나였다. 슈반은 이 효소의 이름을 "소화"를 의미하는 고대 그리스어 단어 πέψις|펩시스grc(''pepsis'', πέπτειν|펩테인grc "소화하다"에서 유래)에서 따왔다.[4][5][6][7] 질소 기반 음식을 물에 용해되는 물질로 전환할 수 있는 산성 물질이 펩신으로 확인되었다.[8]
펩신은 '''펩시노젠'''이라는 전구체로 유전자 발현되며, 이 펩시노젠의 1차 구조는 활성 효소에 비해 44개의 아미노산이 더 존재한다.
펩신은 단백질을 분해하는 효소로, 위저선의 주세포에서 불활성 형태의 전구체인 펩시노겐으로 만들어진다. 펩시노겐은 염산을 포함하는 위액에 의해 pH가 낮아지면 입체 구조가 변하면서 활성형 펩신이 된다. 활성화된 펩신은 펩시노겐을 활성화시키는 역할도 한다. 펩신은 강산성인 pH 2.0 부근에서 가장 활발하게 작용하며, 중성이나 알칼리성 조건에서는 비가역적으로 변성되어 활성을 잃는다. 십이지장의 점막은 중탄산 이온으로 위산을 중화하고 펩신을 불활성화시켜 단백질을 흡수하기 쉬운 형태로 만든다.
1928년, 존 하워드 노스럽은 투석, 여과 및 냉각을 사용하여 펩신을 결정화하면서 최초로 결정화된 효소 중 하나가 되었다.[9]
3. 전구체
위에서 위 바닥 세포는 펩시노젠을 분비한다. 이 전구체는 위벽에서 벽세포가 분비하는 염산(HCl)에 의해 활성화된다. 가스트린 호르몬과 미주 신경은 음식이 섭취될 때 위벽에서 펩시노젠과 HCl의 분비를 촉진한다. 염산은 산성 환경을 조성하여 펩시노젠이 자기 촉매 방식으로 자체적으로 펼쳐지고 절단되어 펩신(활성 형태)을 생성하게 한다. 펩신은 펩시노젠에서 44개의 아미노산을 절단하여 더 많은 펩신을 생성한다.
펩시노젠은 주로 1차 구조를 기반으로 5개의 다른 그룹으로 나뉜다.[10]펩시노젠 종류 설명 펩시노젠 A (펩시노젠 I) 펩시노젠 B 프로가스트릭신 (펩시노젠 II 및 펩시노젠 C) 프로키모신 (프로레닌) 펩시노젠 F (임신 관련 당단백질)
유전자 번역 산물은 불활성 형태의 전구체인 '''펩시노겐'''으로 위저선의 주세포에서 만들어진다. 이것이 염산을 포함하는 위액 중에 분비되면 pH의 저하로 입체 구조가 변화하여 N말단 측의 프로 배열을 두 단계의 프로세싱으로 잘라냄으로써 활성형 펩신이 된다. 또한 활성화된 펩신 자신도 펩시노겐에 작용하여 이를 활성화시킨다. 강산성인 pH 2.0 부근이 최적 조건이다. 일단 활성화된 펩신은 중성·알칼리성 조건으로 하면 비가역적으로 입체 구조가 변성되어 활성을 잃는다. 십이지장의 점막은 중탄산 이온에 의해 위산을 중화함과 동시에 펩신을 불활성화시킨다. 단백질을 분해하여 흡수하기 쉬운 형태로 변화시킨다.
4. 성질
4. 1. 활성 및 안정성
펩신은 pH 1.5에서 2.5 사이의 산성 환경에서 가장 활발하게 작용한다.[11][12] 따라서 펩신의 주된 합성 및 활성 부위는 위(pH 1.5 ~ 2)이다. 사람의 경우 위 내 펩신의 농도는 0.5mg/mL에서 1mg/mL에 달한다.[13][14]
펩신은 pH 6.5 이상에서 비활성화되지만, pH 8.0까지는 완전히 변성되거나 돌이킬 수 없게 비활성화되지 않는다.[11][15] 따라서 pH 8.0 이하의 용액 내 펩신은 재산성화 시 다시 활성화될 수 있다. 높은 pH에서의 펩신 안정성은 후두인두 역류로 인한 질병에 중요한 영향을 미친다. 펩신은 위 역류 사건 후에도 후두에 남아있다.[16][17] 후두인두의 평균 pH(pH = 6.8)에서 펩신은 비활성화되지만, 이후의 산 역류 사건으로 인해 재활성화되어 국소 조직에 손상을 줄 수 있다.
펩신은 광범위한 절단 특이성을 보인다. 펩신은 섭취된 아미드 결합의 최대 20%를 소화한다.[18] P1 및 P1' 위치[19]의 잔기는 절단 확률을 결정하는 데 가장 중요하다. 일반적으로 P1 및 P1' 위치의 소수성 아미노산은 절단 확률을 증가시킨다. P1 위치의 페닐알라닌, 류신 및 메티오닌, P1' 위치의 페닐알라닌, 트립토판 및 티로신은 가장 높은 절단 확률을 보인다.[2][18] P1 위치에 양전하를 띠는 아미노산인 히스티딘, 라이신 및 아르기닌은 절단을 억제한다.[2] 유전자 번역 산물은 불활성 형태의 전구체인 '''펩시노겐'''으로 위저선의 주세포에서 만들어진다. 이것이 염산을 포함하는 위액 중에 분비되면 pH의 저하로 입체 구조가 변화하여 N말단 측의 프로 배열을 두 단계의 프로세싱으로 잘라냄으로써 활성형 펩신이 된다. 또한 활성화된 펩신 자신도 펩시노겐에 작용하여 이를 활성화시킨다. 강산성인 pH 2.0 부근이 최적 조건이다. 일단 활성화된 펩신은 중성·알칼리성 조건으로 하면 비가역적으로 입체 구조가 변성되어 활성을 잃는다. 십이지장의 점막은 중탄산 이온에 의해 위산을 중화함과 동시에 펩신을 불활성화시킨다. 단백질을 분해하여 흡수하기 쉬운 형태로 변화시킨다.
4. 2. 기질 특이성
펩신은 섭취된 아미드 결합의 최대 20%를 소화하며, 광범위한 절단 특이성을 보인다.[18] P1 및 P1' 위치[19]의 잔기는 절단 확률을 결정하는 데 가장 중요하다. 일반적으로 P1 및 P1' 위치의 소수성 아미노산은 절단 확률을 증가시킨다. P1 위치의 페닐알라닌, 류신 및 메티오닌, P1' 위치의 페닐알라닌, 트립토판 및 티로신은 가장 높은 절단 확률을 보인다.[2][18] P1 위치에 양전하를 띠는 아미노산인 히스티딘, 라이신 및 아르기닌은 절단을 억제한다.[2] 단백질·펩타이드 사슬의 산성 아미노산 잔기(아스파르트산 또는 글루탐산)-방향족 아미노산 잔기로 이어지는 배열의 N 말단 측을 절단할 수 있다.
5. 억제제
펩신은 높은 pH(활성 및 안정성 참조) 또는 억제 화합물에 의해 억제될 수 있다. 펩스타틴은 저분자량 화합물이며 펩신에 대해 약 10−10 M의 억제 해리 상수(Ki)를 갖는 산성 단백질 분해 효소의 강력하고 특이적인 억제제이다. 펩스타틴의 스타틸 잔기는 펩신의 펩스타틴 억제에 관여하는 것으로 생각되며, 스타틴은 펩신 및 기타 산성 단백질 분해 효소에 의한 촉매 작용에 대한 전이 상태의 잠재적 유사체이다. 펩스타틴은 펩신과 공유 결합하지 않으며, 따라서 펩스타틴에 의한 펩신의 억제는 가역적이다.[34] 1-비스(디아조아세틸)-2-페닐에탄은 pH 5에서 펩신을 가역적으로 비활성화시키며, 이 반응은 Cu(II)의 존재 하에 가속화된다.[35]
돼지의 큰 회충(''돼지 회충'')에 의해 생성된 펩신 억제제-3(PI-3)에 의해 돼지 펩신이 억제된다.[36] PI-3는 N-말단 잔기를 사용하여 펩신의 활성 부위를 점유하여 기질 결합을 차단한다. 성숙한 PI-3의 아미노산 잔기 1-3(Gln-Phe-Leu)은 펩신의 P1'-P3' 위치에 결합한다. PI-3:펩신 복합체의 PI-3의 N-말단은 수소 결합에 의해 위치하며, 이는 8가닥의 β-시트를 형성하며, 여기서 세 가닥은 펩신에 의해 제공되고 다섯 가닥은 PI-3에 의해 제공된다.[36]
펩신에 의한 단백질 소화 생성물은 반응을 억제한다.[37][38]
수크랄페이트는 위궤양 및 기타 펩신 관련 질환을 치료하는 데 사용되는 약물이며, 펩신 활성을 억제하기도 한다.[39]
프로테아제 저해제 중 하나인 펩스타틴 등에 의해 저해된다. 이로 인해 펩스타틴은 위궤양이나 십이지장 궤양 등의 궤양 치료에 유효하다.
6. 후두인두 역류에서의 역할
펩신은 후두인두 역류에서 점막 손상을 일으키는 주요 원인 중 하나이다.[20][21] 펩신은 위에서 역류한 후에도 후두(pH 6.8)에 남아 있게 되는데,[16][17] 이 환경에서는 효소 활성을 잃지만 안정된 상태로 존재하며, 이후 산 역류가 다시 발생하면 재활성화될 수 있다.[15] 효소 활성을 가진 펩신이나 비가역적으로 비활성화된 펩신, 또는 산에 노출된 펩신은 후두 점막의 보호 단백질 발현을 감소시켜 후두 손상을 유발한다.[15][16][17]
펩신은 약산성 또는 비산성 위 역류 환경에서도 점막 손상을 일으킬 수 있다. 약산성 또는 비산성 역류는 역류 증상 및 점막 손상과 관련이 있다.[22][23][24][25] 중성 pH 조건에서 펩신은 수용체 매개 엔도사이토시스라는 과정을 통해 후두 및 하인두와 같은 상부 기도 세포에 흡수된다.[26] 펩신이 흡수되는 수용체는 아직 밝혀지지 않았다. 세포 내로 흡수된 펩신은 낮은 pH의 세포 내 소포에 저장되어 효소 활성이 회복되며, 최대 24시간 동안 세포 내에 머무른다.[27] 중성 pH에서 펩신에 노출되고 펩신이 흡수되는 과정은 염증 관련 유전자 발현을 변화시켜 역류의 징후와 증상,[28] 및 종양 발생을 유발한다.[29] 이러한 연구 결과는 위 역류로 인한 발암 과정에 펩신이 관여함을 시사한다.[30]
기도 검체 내 펩신은 후두인두 역류의 민감하고 특이적인 지표로 간주된다.[31][32] 위 역류에 대한 새로운 펩신 표적 치료 및 진단 도구 개발 연구가 진행 중이며, 타액 검체에서 펩신의 존재를 확인하는 펩테스트(Peptest)라는 신속 비침습적 펩신 진단법이 사용 가능하다.[33]
7. 응용
상업용 펩신은 돼지 위선의 선층에서 추출되며, 치즈 제조 과정에서 우유를 응고시키는 데 사용되는 레닛의 구성 요소이다. 펩신은 다음과 같은 다양한 용도로 사용된다.
- 콩 단백질과 젤라틴의 채찍질 품질을 수정 및 제공[40]
- 유제품이 아닌 스낵 품목에 사용할 수 있도록 식물성 단백질 수정
- 미리 조리된 시리얼을 인스턴트 핫 시리얼로 제조[41]
- 식품 및 음료의 맛을 내기 위해 동물성 및 식물성 단백질 가수분해물 준비
- 가죽 산업에서 가죽의 털과 잔류 조직 제거
- 버려진 사진 필름에서 은 회수[42]
펩신은 역사적으로 에드윈 E. 비먼 박사의 비먼 껌 브랜드 껌의 첨가제였다.
펩신은 일반적으로 항체에서 F(ab')2 단편을 준비하는 데 사용된다. 일부 분석에서는 항체의 항원 결합(Fab) 부분만 사용하는 것이 좋다. F(ab')2 단편을 생성하기 위해, IgG는 힌지 영역 근처의 중쇄를 절단하는 펩신으로 소화된다.[43] Fab 단편은 펩신 대신 파파인으로 IgG를 절단하여 생성된다.
Fab 및 F(ab')2 항체 단편은 Fc 영역의 존재가 문제를 일으킬 수 있는 분석 시스템에 사용된다. 림프절이나 비장과 같은 조직 또는 말초 혈액 제제에는 Fc 수용체가 존재하여 온전한 항체의 Fc 영역에 결합하여 배경 얼룩을 유발할 수 있다. F(ab')2 또는 Fab 단편을 사용하면 항체가 Fc 수용체가 아닌 항원에 결합하는지 확인할 수 있다. F(ab')2 및 Fab 단편은 전자 현미경으로 조직을 염색하는 경우와 같이 대상 항원의 보다 정확한 국소화를 허용한다. F(ab')2 단편의 2가성은 항원을 가교화하여 침전 분석, 표면 항원을 통한 세포 응집 또는 로제트 분석에 사용할 수 있다.[45]
프로테아제 저해제 중 하나인 펩스타틴 등에 의해 펩신이 저해된다. 이로 인해 펩스타틴은 위궤양이나 십이지장 궤양 등의 궤양 치료에 유효하다.
8. 유전자
(펩시노젠 C)