ATP가수분해효소

3. 구조

워커 모티프는 뉴클레오타이드의 결합 및 가수분해를 위한 단백질 서열 모티프이다. 티로신 키네이스를 제외한 거의 모든 ATP가수분해효소에서 발견된다.^[27] 워커 모티프는 일반적으로 β 시트-턴-α 나선을 형성하며, 이는 ATP가수분해효소가 자가 조직화되어야 하는 작은 NTP 결합 펩타이드로부터 진화했기 때문으로 추정된다.^[28]

단백질 설계로 천연 ATP가수분해효소 서열이나 구조를 사용하지 않고 ATP가수분해효소의 기능을(약하게) 복제할 수 있다. 모든 천연 ATP가수분해효소는 일부 β 시트 구조를 가지고 있지만, 설계된 "대체 ATP가수분해효소"에는 β 시트 구조가 없기 때문에 이러한 생명에 필수적인 기능이 자연에서 발견되지 않는 서열 및 구조에서도 가능하다는 것을 보여준다.^[29]

4. 메커니즘

ATP의 가수분해와 수송의 짝지음은 가수분해된 각 ATP 분자에 대해 고정된 수의 용질 분자가 수송되는 화학 반응이다. 예를 들어 Na⁺/K⁺ 교환체의 경우, 가수분해되는 ATP 분자당 3개의 Na⁺ 이온이 세포 밖으로 방출되고 2개의 K⁺ 이온이 세포 안으로 들어온다.^[31]

막관통 ATP가수분해효소는 ATP의 화학 에너지를 막을 경계로 용질의 농도 기울기를 형성하는 화학적 위치 에너지로 전환시켜 능동 수송을 가능하게 한다. 즉, 열역학적으로 선호하는 이동 방향의 반대 방향, 즉 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 용질을 운반한다.^[31]

모든 ATP가수분해효소는 공통적인 기본 구조를 공유한다. 각 회전식 ATP가수분해효소는 F_o/A_o/V_o 및 F₁/A₁/V₁의 두 가지 주요 구성 요소로 구성된다. 1~3개의 줄기 구조로 연결되어 안정성을 유지하고 회전을 제어하며 반대 방향으로 회전하는 것을 방지한다. 하나의 줄기 구조는 토크를 전달하는 데 사용된다.^[30] F형 ATP가수분해효소에는 1개, A형 ATP가수분해효소에는 2개, V형 ATP가수분해효소에는 3개의 말초 줄기 구조가 있다. F₁ 촉매 도메인은 막의 N쪽에 위치하며 ATP의 합성과 분해에 관여하고 산화적 인산화에 관여한다. F_o 막관통 도메인은 막을 가로지르는 이온의 이동에 관여한다.^[31]

세균의 F_oF₁-ATP가수분해효소는 가용성인 F₁ 도메인과 다양한 화학량론을 가진 여러 소단위체들로 구성된 막관통 F_o 도메인으로 구성된다. 가운데 줄기 구조를 형성하고 F_o에 연결된 두 개의 소단위체인 γ와 ε이 있다. F_o는 고리(c-고리) 모양의 c-소단위체 올리고머를 포함한다. α 소단위체는 소단위체 b₂에 가깝고 막관통 소단위체를 α3β3 및 δ 소단위체에 연결하는 줄기 구조를 구성한다. F형 ATP가수분해효소는 7~9개의 추가적인 소단위체를 포함하는 미토콘드리아의 F_oF₁-ATP가수분해효소를 제외하고 모양과 기능이 동일하다.^[31]

전기화학적 퍼텐셜은 ATP 합성을 위해 c-고리가 시계 방향으로 회전하도록 한다. 이로 인해 가운데 줄기 구조와 촉매 도메인의 모양이 변경된다. c-고리를 회전시키면 3개의 ATP 분자가 생성되고, 이는 H⁺가 막의 P쪽에서 N쪽으로 이동하도록 한다. c-고리의 반시계 방향으로의 회전은 ATP의 가수분해에 의해 구동되고 이온은 N쪽에서 P쪽으로 이동하여 전기화학적 퍼텐셜을 구축하는 데 도움을 준다.^[31]

5. 막관통 ATP 생성효소

미토콘드리아와 엽록체의 ATP 생성효소는 아데노신 이인산(ADP)에 무기 인산을 첨가하여 아데노신 삼인산(ATP)를 생성하기 위한 에너지원으로 막을 경계로 한 양성자의 농도 기울기를 이용하는 동화 효소이다.^[31]

양성자가 농도 기울기에 순행하여 이동할 때 이 효소가 작동하며, 효소에 회전 운동을 제공한다. 이러한 독특한 회전 운동은 ADP와 P_i를 결합시켜 ATP를 생성하도록 한다.^[31]

ATP 생성효소는 역으로 작동할 수도 있다. 즉, ATP의 가수분해에 의해 방출된 에너지를 이용하여 전기화학적 기울기에 역행하여 양성자를 능동수송할 수도 있다.^[31]

6. 분류

ATP가수분해효소는 기능, 구조, 운반하는 이온의 유형에 따라 다양하게 분류될 수 있다.

• '''P-ATP가수분해효소'''(E1E2-ATP가수분해효소)는 세균, 곰팡이, 진핵생물 세포막 및 소기관에서 발견되며, 막을 가로질러 다양한 이온을 수송하는 기능을 한다.
• '''E-ATP가수분해효소'''는 세포 외 ATP를 포함한 다양한 NTP를 가수분해하는 세포 표면 효소이다.
• '''ABC (ATP 결합 카세트) 단백질'''은 세포로의 물질 섭취 및 배출에 관여한다. 막관통형 ABC ATPase는 항상 4개의 기능 도메인(2개의 막관통 도메인과 2개의 ABC 도메인)으로 구성된다.
• 구리 이온과 선택적으로 결합하는 막 결합 구리 수송 ATP가수분해효소(Cu-ATPase)는 구리 이온을 세포 안팎으로 수송한다.

6. 1. 회전식 ATP가수분해효소

6. 2. P형 ATP가수분해효소 (E₁E₂-ATPase)

6. 3. E형 ATP가수분해효소

6. 4. AAA 단백질

• AAA 프로테아제: 생체막 관리 등
• 막 융합 AAA ATP 아제: 소포체나 골지체의 재형성 등

7. 운동성 단백질 ATP가수분해효소

미오신-액틴 계열에 대표되는 ATP 가수분해효소이다. ATP 가수분해에 의한 입체 구조 변화를 특징으로 한다. 단백질에 ATP가 결합함으로써 단백질의 입체 구조에 변화가 일어나며, 그 구조 변화를 이용하여 실제로 단백질(나아가 세포를) "가동"시키는 것과 관계가 있다.

미오신, 다이닌, 키네신은 각각 형광 표지를 이용한 단분자 관찰로 그 가동이 관찰되고 있다.

• 미오신 ATP 가수분해효소 – 액틴-미오신 계열의 미끄러짐과 관계
• 다이닌 ATP 가수분해효소 – 미세 소관 상의 물질 수송(마이너스 단자 쪽으로의 이동)
• 키네신 ATP 가수분해효소 – 미세 소관 상의 물질 수송(플러스 단자 쪽으로의 이동)
• 다이나민 ATP 가수분해효소 – 유일하게 입체 구조 변화는 겪지 않으며, 미세 소관의 부착과 관계

8. 이온 수송성 ATP가수분해효소

ATP 가수분해 에너지를 사용하여 생체막을 투과하지 않는 이온을 수송하는 ATP가수분해효소 그룹에는 ATP 합성 효소도 포함된다. F형, A형, V형, P형이 존재하며, P형을 제외한 나머지는 구조가 매우 유사하여 이온(주로 프로톤) 구동형 모터 (F_o, A_o, V_o)와 ATP 구동형 모터 (F₁, A₁, V₁)로 구성된다.^[14][15]

이들은 모두 이온 농도 기울기를 사용하여 ATP 합성 및 역반응인 ATP 가수분해에 따른 이온 농도 기울기 형성이 가능하다. 그러나 ATP 합성 효소로 사용되는 것은 F형 및 A형뿐이다.

• F형 ATP가수분해효소: 진핵생물, 진정세균, 일부 고세균의 ATP 합성 효소
• A형 ATP가수분해효소: 고세균의 ATP 합성 효소
• V형 ATP가수분해효소: 액포의 프로톤 능동 수송과 관련
• P형 ATP가수분해효소: 양이온의 대향 수송 및 물질의 공동 수송과 관련

9. ABC ATP가수분해효소

ABC는 '''A'''TP '''B'''inding '''C'''assette (ATP 결합 카세트)의 약자로, 세포로의 물질 섭취 및 배출에 관여한다. 막관통형 ABC ATP가수분해효소는 항상 4개의 기능 도메인(2개의 막관통 도메인과 2개의 ABC 도메인)으로 구성된다. 이러한 도메인은 모두 하나의 유전자에 코딩되어 있는 경우도 있고, 각각 별도의 유전자에 코딩되어 있는 경우도 있다. 막관통 도메인의 배열은 다양하지만, ABC 도메인이라고 불리는 ATP 결합 부위의 배열은 고도로 보존되어 있다. 진핵생물(주로 인간)에서는 유해 물질의 배출에 사용되지만, 원핵생물에서는 당, 아미노산과 같은 물질의 섭취에 사용된다. 또한, 인간 중에서도 수송체, 채널, 리셉터 등 그 기능은 다양하다.

이러한 생체막 관통형의 고전적인 ABC ATP가수분해효소 외에, 최근에는 DNA 결합형 ABC ATP가수분해효소가 알려지게 되었다. 대표적인 것으로, 염색체의 고차 구조와 기능을 제어하는 SMC 단백질이 있으며, 이들은 콘덴신 또는 코헤신의 코어 서브유닛으로 기능한다. 또한, DNA 이중 가닥 절단의 복구에 관여하는 Rad50도 이 범주에 속한다.

ABC 도메인의 특징은, 많은 ATP가수분해효소가 공유하는 Walker A와 Walker B 모티프 외에, Signature 모티프 (또는 C 모티프)라고 불리는 배열을 가지고 있다는 것이다. 모든 ABC ATP가수분해효소는 한 쌍의 ABC 도메인을 가지며, 2개의 ATP 분자는 2개의 도메인에 끼워져 결합한다. 이때, ATP는 한쪽 도메인의 Walker A와 Walker B 모티프에 결합하고, 다른 쪽 도메인의 C 모티프와 접촉한다. 이 C 모티프와의 접촉이, ATP의 가수 분해에 필수적이다. 즉, ATP의 결합과 가수 분해의 사이클이 2개의 ABC 도메인의 회합과 해리의 사이클을 제어하며, 또한 그 구조 변환이 기질 결합 도메인(예를 들어, ABC 수송체의 막관통 도메인)에 전달된다고 생각되고 있다. 그 작용 메커니즘은, 2행정 엔진에 비유되기도 한다.

10. 사람의 ATP가수분해효소 유전자

11. 과제

운동성 단백질 ATP가수분해효소를 제외한 대부분의 단백질은 생체막에 존재한다. 따라서 구조가 밝혀지지 않은 경우가 많아 미개척 효소 중 하나이다.^[1] ATP가수분해효소 활성 자체에 대한 연구와 더불어, ATP의 에너지를 얻은 중간체 등을 분석하여 "에너지를 가진 단백질" 상태를 이해하기 위한 연구도 진행되고 있다.^[1]

미오신 및 ATP 합성 효소에 대한 연구가 가장 많이 진행되었지만, 아직 완전히 이해되지 않은 부분이 많다.^[1]

참조

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_[7] 논문 Community-wide convergent evolution in insect adaptation to toxic cardenolides by substitutions in the Na,K-ATPase 2012-08-01
_[8] 웹사이트 3.2: Transport in Membranes https://bio.libretex[...] 2017-01-21
_[9] 논문 Distantly related sequences in the alpha- and beta-subunits of ATP synthase, myosin, kinases and other ATP-requiring enzymes and a common nucleotide binding fold
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