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알칼리성 인산가수분해효소

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목차

1. 개요

알칼리성 인산가수분해효소(ALP)는 다양한 생물체에서 발견되는 효소로, 인산 모노에스테르의 가수분해를 촉매한다. 세균, 특히 대장균에서 ALP는 무기 인산염 공급, 플라스미드 DNA 클로닝 과정에서의 자가 연결 방지, 효소 면역 분석법 표지자 등으로 활용된다. 사람의 경우, ALP는 간, 뼈, 장 등 여러 조직에 존재하며, 간 및 골격에서 유래한 동형 효소가 혈청에서 주로 발견된다. ALP 수치는 질병 진단에 활용되며, 수치 상승은 담도 폐쇄, 뼈 질환, 임신 등과 관련이 있고, 수치 감소는 저인산효소증, 영양실조 등과 관련될 수 있다. 임상 검사에서는 여러 측정법을 통해 ALP 수치를 측정하며, 이상치는 간 손상, 담즙 울체, 암 등을 시사할 수 있다.

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알칼리성 인산가수분해효소
효소 정보
이름알칼리성 인산가수분해효소
다른 이름알칼리성 포스포모노에스터레이스
알칼리성 인산가수분해효소
알칼리성 페닐 인산가수분해효소
EC 번호3.1.3.1
CAS 번호9001-78-9
GO 코드0004035
세균 알칼리성 인산가수분해효소의 이량체 구조
세균 알칼리성 인산가수분해효소의 이량체 구조의 리본 다이어그램 (N 말단 = 파란색, C 말단 = 빨간색)
단백질군 정보
심볼Alk_phosphatase
이름알칼리성 인산가수분해효소
알칼리성 인산가수분해효소 구조
PfamPF00245
Pfam 클랜CL0088
ECOD7515.1.1
InterProIPR001952
SMARTSM00098
PROSITEPDOC00113
SCOP1alk
TCDB해당 없음
OPM 패밀리해당 없음
OPM 단백질해당 없음
PDB




































일반적 특성
기능다양한 분자에서 인산 에스터의 가수분해

2. 세균

그람 음성 세균과 같은 ''대장균''에서 알칼리성 인산가수분해효소는 내막의 외부에 있는 주변세포질 공간과 세포벽의 펩티도글리칸 부분에 위치한다.[6] 주변세포질 틈새는 내세포보다 환경 변화에 더 취약하기 때문에 알칼리성 인산가수분해효소는 비활성화, 변성 또는 분해에 적절히 저항한다. 이 효소의 특성은 다른 많은 단백질에는 흔하지 않다.[6]

''대장균''에서 이 효소의 주된 기능은 환경에 무기 인산염이 부족할 때 이를 공급하는 데 전적으로 맞춰져 있다.[7] ''대장균''의 외막에는 인산화된 화합물에 투과성인 포린이 포함되어 있지만 내막은 그렇지 않다. 인산기의 강한 음이온 전하 때문에 인산화된 화합물은 지질 이중층의 비극성 영역을 통과하기 어렵다.[8] 알칼리성 인산가수분해효소는 주변세포질 공간에서 화합물로부터 인산기를 절단하여(탈인산화) 세포질로의 전위를 돕는다.[8] 알칼리성 인산가수분해효소에 의한 탈인산화의 주요 목적은 인산화된 분자가 세포로 확산되는 속도를 증가시키는 동시에 세포 밖으로 확산되는 것을 억제하는 것이다.[10]

알칼리성 인산가수분해효소는 아연 함유 동종이량체 효소이며,[11] 작용 메커니즘은 활성 부위에서 Zn 이온 사이의 기질의 기하학적 배위를 포함한다.[11]

박테리아의 조절 및 대사의 일부 복잡성은 효소에 대한 다른, 더 미묘한 목적이 세포에 역할을 할 수도 있음을 시사한다. 그러나 실험실에서는 알칼리성 인산가수분해효소가 없는 돌연변이 ''대장균''이 잘 생존하며, 알칼리성 인산가수분해효소 생산을 중단할 수 없는 돌연변이도 마찬가지이다.[14]

2. 1. 대장균 (''Escherichia coli'')

그람 음성 세균인 ''Escherichia coli|대장균lat''에서 알칼리성 인산가수분해효소(ALP)는 내막 외부에 위치한 주변세포질 공간과 세포벽의 펩티도글리칸 부분에 존재한다.[6] 주변세포질 공간은 세포 내부보다 환경 변화에 더 취약하기 때문에, ALP는 비활성화, 변성, 분해 등에 대해 비교적 높은 저항성을 가진다. 이는 다른 많은 단백질에서는 흔히 볼 수 없는 특성이다.[6]

''대장균'' ALP 이소자임의 주된 기능은 세포 외부 환경에 무기 인산염(Pi)이 부족할 때 이를 공급하는 것이다.[7] ''대장균''의 외막은 인산화된 화합물에 대해 투과성을 가진 포린을 포함하지만, 내막은 그렇지 않다.[8] 인산기의 강한 음전하 때문에 인산화된 화합물은 지질 이중층의 비극성 영역을 통과하기 어렵다. ALP는 주변세포질 공간에서 이러한 화합물로부터 인산기를 절단하여 탈인산화시킨다. 이렇게 생성된 무기 인산염은 인산염 특이적 수송 시스템(phosphate-specific transport system)이라는 고친화성 수송 시스템에 의해 세포질 막을 통과하여 세포 내부로 운반된다.[7][8] 결과적으로 ALP에 의한 탈인산화는 인산화된 분자가 세포 안으로 들어오는 속도를 높이고, 동시에 세포 밖으로 다시 나가는 것을 억제하는 역할을 한다.[10]

''대장균''의 ALP는 분자량(MW) 약 86,000 Da인 아연(Zn) 함유 동종이량체 효소이다. 각 소단위체는 429개의 아미노산으로 구성되며, 두 소단위체를 연결하는 4개의 시스테인 잔기를 포함한다.[11] 활성 부위에는 2개의 아연 이온(ZnA, ZnB)과 1개의 마그네슘(MgC) 이온, 총 세 개의 금속 이온이 존재하며, 이들은 효소 활성에 필수적이다.[11][78] 따라서 완전히 활성화된 형태는 (ZnAZnBMgC)2 효소로 표기된다. ALP의 작용 메커니즘은 활성 부위의 아연 이온 사이에서 기질이 특정 기하학적 형태로 배위되는 것을 포함한다.[11] 이 효소는 인산 모노에스테르의 가수분해를 촉매하며, 고농도의 인산 수용체가 존재할 경우 전인산화(transphosphorylation) 반응도 촉매할 수 있다.[78]

''대장균''의 ALP는 80°C와 같은 고온에서도 용해 상태를 유지하며 활성을 나타내는 특이한 성질을 가진다.[6] 일반적인 단백질은 이런 온도에서 수소 결합과 소수성 상호 작용이 파괴되어 변성되고 침전되지만, ALP는 이량체 구조 내에서 2차 및 3차 구조를 유지하는 결합들이 효과적으로 보호되어 고온에서도 안정성을 유지한다. 더욱이, 90°C와 같은 더 높은 온도에서는 변성되더라도 냉각 시 다시 정확하게 결합을 재형성하여 원래의 구조와 기능을 회복하는 역변성(reversible denaturation) 특징을 보인다.[6]

ALP는 주변세포질 공간에 위치하므로, 세포벽을 약화시키는 방법을 사용하여 세포 외부로 방출시켜 분리할 수 있다.[12] 효소의 위치 덕분에 상대적으로 적은 양의 다른 단백질과 함께 용액 상태로 얻기 용이하며, 높은 열 안정성을 이용한 열처리 방식으로도 정제할 수 있다. ALP 활성은 p-니트로페닐 인산(p-nitrophenyl phosphate, pNPP)을 기질로 사용하여 측정할 수 있다. ALP는 pNPP를 탈인산화하여 p-니트로페놀(p-nitrophenol, PNP)과 무기 인산염을 생성하는데, 생성된 PNP는 노란색을 띠며 410 nm 파장에서 최대 흡광도를 보이므로 분광광도법으로 효소 활성을 정량할 수 있다.[13]

박테리아의 조절 및 대사 과정의 복잡성을 고려할 때, ALP가 세포 내에서 다른 미묘한 역할을 할 가능성도 제기된다. 그러나 실험실 환경에서는 ALP를 생산하지 못하는 돌연변이 ''대장균''이나 ALP 생산을 멈출 수 없는 돌연변이체 모두 생존에 큰 문제를 보이지 않는다.[14] ''대장균'' ALP의 최적 pH는 8.0이다.[15] (참고로 소의 ALP 최적 pH는 8.5로 약간 더 높다.[16]) 탈억제(derepression)된 세포에서는 ALP가 전체 단백질의 약 6%를 차지할 정도로 많이 발현될 수 있다.[17]

세균 ALP와 포유류 ALP는 촉매 메커니즘과 활성의 주요 특징을 공유하지만, 몇 가지 차이점이 있다. 포유류 ALP는 일반적으로 더 높은 ''K''m 값(낮은 기질 친화성, 낮은 비활성), 더 높은 알칼리성 pH 최적값, 낮은 열 안정성을 보인다. 또한 대부분 막 결합형이며, L-아미노산이나 펩타이드에 의해 비경쟁적(non-competitive) 방식으로 억제된다. 이러한 특성은 포유류 내 여러 ALP 동형효소 간에도 차이를 보여, 각기 다른 생체 내(in vivo) 기능을 반영한다.[78]

ALP는 다른 여러 효소와 상동성을 가지며, 촉매 메커니즘이나 기질 특성이 유사한 효소들의 슈퍼패밀리에 속한다. 이 슈퍼패밀리에는 뉴클레오사이드 피로인산가수분해효소/포스포디에스테라아제(NPP) 동형효소 계열의 다른 구성원들도 포함된다.[42] 또한 연구를 통해 ALP 계열과 아릴 설파타제(arylsulfatase) 계열 간의 구조적 유사성이 밝혀졌으며, 이는 두 효소 계열이 공통 조상으로부터 진화했음을 시사한다. 더 나아가 ALP와 아릴 설파타제는 포스포디에스테라아제 및 오토톡신(autotaxin)을 암호화하는 유전자를 포함하는 더 큰 슈퍼패밀리의 일부인 것으로 분석되었다.[79]

2. 2. 이형이량체 알칼리성 인산가수분해효소 (Heterodimeric Alkaline Phosphatase)

유전자에 의해 암호화된 폴리펩타이드의 여러 사본이 모여 집합체를 형성할 때, 이 단백질 구조는 멀티머라고 한다. 멀티머가 특정 유전자의 서로 다른 두 돌연변이 대립 유전자에 의해 생성된 폴리펩타이드로부터 형성될 때, 즉 이형 이량체(heterodimereng)가 만들어질 때, 이 혼합된 멀티머는 각 돌연변이체 단독으로 형성된 동형 이량체(homodimereng)보다 더 큰 기능적 활성을 나타낼 수 있다. 이러한 현상을 유전자 내 보상이라고 한다. 대장균의 알칼리성 인산가수분해효소는 이량체 효소로서, 이러한 유전자 내 보상을 나타내는 대표적인 예이다.[18]

3. 연구에서의 활용

야생형 대장균 알칼리성 인산가수분해효소의 아미노산을 변경하여 효소 활성이 36배 증가하고 열적 안정성을 유지하는 돌연변이 효소를 만드는 연구가 진행되었다.[19]

알칼리성 인산가수분해효소는 분자 생물학 실험실에서 유용한 도구로 사용된다. DNA는 일반적으로 5' 말단에 인산기를 가지고 있는데, 이를 제거하면 DNA 연결효소에 의한 자가 연결(ligation)을 방지하여 플라스미드 DNA 클로닝 과정에서 원하는 DNA 분자를 선형으로 유지할 수 있다.[20][26] 또한, 인산기를 제거한 자리에 방사성 표지된 인산기를 붙여 실험 과정에서 DNA의 존재를 추적하는 데 사용하기도 한다. 이러한 목적으로는 역할을 다한 후 열처리 등으로 쉽게 비활성화할 수 있는 새우 알칼리성 인산가수분해효소(SAP)가 유용하게 쓰인다.[26]

알칼리성 인산가수분해효소는 높은 촉매 활성 덕분에 효소 면역 분석법(ELISA)에서 표지자(label)로도 널리 사용된다.[27]

분화되지 않은 만능 줄기 세포는 세포 막 표면에 알칼리성 인산가수분해효소를 많이 발현한다. 따라서 알칼리성 인산가수분해효소 염색은 이러한 세포를 찾아내고, 배아 줄기 세포나 배아 암종 세포 등의 다능성을 확인하는 데 이용된다.[28]

혈청 내 뼈 유래 알칼리성 인산가수분해효소(bone alkaline phosphatase, BAP) 수치는 사람의 뼈 형성(bone formation) 정도와 양의 상관관계를 보이지만, 임상 현장에서 생체 지표(biomarker)로 사용하는 것은 아직 권장되지 않는다.[29]

연구에 주로 사용되는 알칼리성 인산가수분해효소의 종류와 특징은 다음과 같다.

종류출처주요 특징 및 용도
새우 알칼리성 인산가수분해효소(SAP)북극 새우 (Pandalus borealis)열에 약해 쉽게 비활성화 가능. DNA 인산기 제거 및 방사성 표지에 유용.[26]
송아지 장 인산가수분해효소(CIP)송아지 장분자 클로닝에서 DNA의 재결합 방지에 유용.[21] 지질다당류(LPS) 매개 염증 반응 연구 및 관련 질환 치료제 개발 연구에 활용.[22]
태반 알칼리성 인산가수분해효소(PLAP) 및 분비 알칼리성 인산가수분해효소(SEAP)사람 태반열 안정성, 특정 기질 선호도, 화학적 비활성화 저항성 등의 특징을 가짐.[23] SEAP는 PLAP의 C-말단 일부가 절단된 형태이다.
사람 장 알칼리성 인산가수분해효소사람 장여러 동위효소 형태 존재. 발현은 열 안정성, 전기 영동 이동성, 억제제 반응성, 면역학적 특성 등에 따라 조절됨.[24] 소 장 효소와 약 80%, 사람 태반 효소와 약 70%의 아미노산 서열 상동성을 보임.[25]



알칼리성 인산가수분해효소의 활성을 조절하는 억제제에 대한 연구도 진행되고 있다. 포유류의 알칼리성 인산가수분해효소 동종효소는 종류에 따라 특정 억제제에 다르게 반응한다. 예를 들어, 태반 유래 효소(PALP, SEAP)를 제외한 대부분은 호모아르기닌에 의해 억제되며, 장 및 태반 유래 효소를 제외한 나머지는 레바미솔에 의해 억제된다.[36] 인산염은 경쟁적 억제제로 작용하며[37], [(4-니트로페닐)메틸]인산 역시 알려진 억제제이다.[38] 환경 연구에서는 중금속 오염 토양에서 카드뮴(Cd)이 알칼리성 인산가수분해효소를 억제하며, 온도가 높을수록 억제 효과가 커진다는 사실이 밝혀졌다.[39]

4. 유제품 산업

알칼리성 인산가수분해효소(ALP)는 성공적인 살균의 지표로서 유제품 산업에서 흔히 사용된다. 이는 우유에서 발견되는 가장 열에 안정한 세균인 Mycobacterium paratuberculosis|미코박테리움 파라투베르쿨로시스lat가 효소를 변성시키는 데 필요한 온도보다 낮은 온도에서 파괴되기 때문이다. 따라서 ALP의 존재 유무는 살균이 제대로 이루어졌는지 판단하는 데 이상적인 지표가 된다.[30][31]

살균 확인은 일반적으로 활성 ALP에 노출되었을 때 형광성을 띠는 용액의 형광을 측정하여 수행된다. 영국에서는 우유 생산자가 형광 측정 분석을 통해 ALP가 변성되었음을 증명하도록 요구한다.[32] 이는 p-니트로페닐포스페이트 검사가 건강 기준을 충족할 만큼 정확하지 않다고 간주되기 때문이다.

또 다른 방법으로는 완충 용액에서 기질로서 ''p''-니트로페닐포스페이트의 색상 변화를 이용하는 아샤펜부르크-뮬렌 검사(Aschaffenburg Mullen Test)가 있다.[33] 일반적으로 생우유는 이 검사를 통해 몇 분 안에 노란색으로 변하는 반면, 적절하게 살균된 우유는 색상 변화가 없어야 한다. 일부 세균이 열에 안정한 ALP를 생성하는 예외적인 경우도 있지만, 이러한 세균은 우유에 존재해서는 안 된다.[34]

또한, 샤러 신속 포스파타제 검사(Scharer Rapid Phosphatase test)는 생우유에서 ALP 효소의 존재 유무를 조사하는 데 사용된다. 이 검사는 완전한 살균 과정을 거치면 ALP 효소가 비활성화되어 색상 변화가 일어나지 않는다는 원리를 이용한다. 반대로, 생우유처럼 ALP 효소가 존재하는 경우에는 기질인 인산 페닐 이나트륨으로부터 인산기가 분리되어 페놀기가 방출되고, 이로 인해 우유의 색상이 파란색으로 변하는 양성 반응을 보인다. 이러한 색상 변화는 육안 또는 분광 광도계로 관찰할 수 있다.[35]

5. 억제제

포유류의 모든 알칼리성 인산가수분해효소 동종효소는 태반에서 발견되는 PALP 및 SEAP를 제외하고 호모아르기닌에 의해 억제된다. 마찬가지로, 장 및 태반 효소를 제외한 모든 효소는 레바미솔에 의해 차단된다.[36] 인산염 역시 알칼리성 인산가수분해효소를 경쟁적으로 억제하는 또 다른 억제제이다.[37]

알칼리성 인산가수분해효소 억제제의 다른 예로는 [(4-니트로페닐)메틸]인산이 알려져 있다.[38]

금속에 오염된 토양에서는 카드뮴(Cd)이 알칼리성 인산가수분해효소를 억제한다. 온도가 높아지면 카드뮴의 억제 효과가 증가하며, 이는 효소 반응 속도 상수인 ''K''m 값의 증가로 나타난다.[39]

6. 사람

사람의 몸에서 알칼리성 인산가수분해효소(ALP)는 거의 모든 조직에서 발견되지만, 특히 간, 담관, 신장, 뼈, 장 점막, 태반 등에 높은 농도로 존재한다.[40] 혈청 속 ALP는 주로 뼈와 간에서 유래한 동형 효소 형태로 존재하며, 성장기 어린이의 경우 뼈에서 유래한 ALP가 대부분을 차지한다.[40] 사람은 크게 장 알칼리성 인산가수분해효소, 조직 비특이적 알칼리성 인산가수분해효소, 태반 알칼리성 인산가수분해효소, 생식 세포 알칼리성 인산가수분해효소의 네 가지 주요 동형 효소를 가지고 있다.[41] 이러한 ALP의 생리적 기능과 임상적 의미, 예를 들어 특정 질병 상태에서의 수치 변화나 암과의 관련성 등은 이어지는 하위 섹션에서 자세히 다룬다.

6. 1. 생리학

사람의 경우, 알칼리성 인산가수분해효소는 신체의 모든 조직에 존재하지만 특히 간, 담관, 신장, 뼈, 장 점막 및 태반에 많이 농축되어 있다. 혈청에는 주로 뼈와 간에서 유래한 두 가지 유형의 알칼리성 인산가수분해효소 동형 효소가 존재한다. 성장기인 어린 시절에는 대부분의 알칼리성 인산가수분해효소가 뼈에서 유래한다.[40]

인간과 대부분의 다른 포유류는 다음과 같은 네 가지 주요 알칼리성 인산가수분해효소 동형 효소를 가지고 있다:[41]

동형 효소유전자주요 발현 조직비고
장 알칼리성 인산가수분해효소ALPI장 점막분자량 150 kDa
조직 비특이적 알칼리성 인산가수분해효소ALPL간, 뼈, 신장 등 조직 비특이적
태반 알칼리성 인산가수분해효소ALPP태반Regan 동형 효소
생식 세포 알칼리성 인산가수분해효소ALPG생식 조직



이 네 개의 유전자가 각각의 동형 효소를 암호화한다. 조직 비특이적 알칼리성 인산가수분해효소(ALPL) 유전자는 1번 염색체에 위치하고, 다른 세 가지 동형 효소(ALPI, ALPP, ALPG)의 유전자는 2번 염색체에 위치한다.[42]

6. 1. 1. 장 알칼리성 인산가수분해효소 (Intestinal Alkaline Phosphatase, IAP)

장 알칼리성 인산가수분해효소(Intestinal Alkaline Phosphatase, IAP)는 장 상피 세포에서 분비되는 효소이다. 이 효소는 염증을 억제하여 장의 항상성을 유지하고 보호하는 데 중요한 역할을 한다.[43][44][45] 또한, 하위 Toll-like 수용체 (TLR)-4 및 MyD88에 의존하는 염증 반응 경로를 억제하는 것으로 보인다.[46]

IAP는 지질다당류 (LPS),[47] 비메틸화된 시토신-구아닌 이중가닥 서열, 편모 단백질, 그리고 요리딘 이인산(UDP)이나 아데노신 삼인산(ATP)과 같은 세포 밖 뉴클레오티드 등 독성이나 염증을 유발하는 미생물 리간드를 탈인산화시킨다. 특히 IAP가 LPS를 탈인산화하면 ''살모넬라 티피무리움''이나 ''클로스트리디오이데스 디피실'' 감염의 심각성을 줄이고, 정상적인 장내 미생물 군집을 회복시키는 데 도움을 줄 수 있다.[47] 이러한 기능 때문에 IAP 발현의 변화는 염증성 장 질환 (IBD)과 같은 만성 염증성 질환과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.[47][48]

더불어 IAP는 십이지장 점막에서 지질 흡수를 조절하고,[49] 중탄산염 분비를 조절하여 장 표면의 pH를 조절하는 역할도 하는 것으로 보인다.[50]

1960년대부터 IAP는 약물 전달 분야에서도 활용되어 왔다.[51] 약물이나 보조제, 심지어 나노 운반체 표면에 있는 인산염 부분을 분해하는 능력을 이용하는 것이다. 이를 통해 필요에 따라 체내에서 특성이 변하는 약물 전달 시스템을 설계할 수 있다. 예를 들어, 많은 약물의 용해도는 인산염 형태의 전구약물로 만들어 개선할 수 있는데, 장 점막에 도달하면 IAP가 인산염 부분을 잘라내어 약물이 흡수되도록 한다.[52] 또한, 음전하를 띠어 생체 내에서 비활성 상태인 나노 운반체의 경우, IAP가 표면의 음전하 인산염 그룹을 제거하면 표면 전하가 양전하로 바뀌어 세포 흡수가 개선될 수 있다. 이는 나노 운반체가 장 상피에 도달했을 때 상호작용 방식을 변경시키는 전략이다.[53]

6. 2. 암세포

암세포에서 발견되는 알칼리성 인산가수분해효소(ALP) 단백질은 비악성 체내 조직의 단백질과 유사하며, 동일한 유전자에서 유래한다는 연구 결과가 있다. 거대 세포 폐암의 간 전이 세포와 비악성 태반 세포의 효소를 비교한 연구에서, 두 효소는 NH2-말단 서열, 펩타이드 지도, 서브유닛 분자량 및 등전점이 유사한 것으로 나타났다.[54]

인간 대장암 세포주(HT-29)를 이용한 연구에서는 암세포의 ALP 활성이 비악성 장 세포와 유사하지만, 특정 조건 없이는 활성이 상당히 낮다는 것이 밝혀졌다. 소듐 부티레이트라는 물질을 처리하면 암세포의 안드로겐 수용체 조절, 전사 활성, 히스톤 아세틸화 등에 영향을 미쳐[56] ALP 활성이 증가하는 것으로 나타났다.[55] 이는 암세포 내에 ALP 활성이 존재함을 시사한다.[57]

융모상피암 세포 연구에서도 유사한 결과가 관찰되었다. 특정 화학물질(5-브로모-2'-데옥시우리딘) 처리 시 ALP 활성이 30~40배 증가하는 효소 유도 현상이 나타났다. 이는 종양 세포에 ALP 활성이 존재하지만 그 양이 매우 적어 활성화가 필요함을 의미한다. 또한, ALP 활성은 융모상피암 세포주마다 다르며, 비악성 태반 세포보다는 낮은 경향을 보였다.[58][59]

ALP 수치는 암의 전이 상태나 종류에 따라 다르게 나타날 수 있다. 예를 들어, 전이성 전립선암 세포는 비전이성 세포보다 ALP 수치가 훨씬 높으며,[61] 전립선암 환자에서 높은 ALP 수치는 낮은 생존율과 관련이 있는 것으로 보고되었다.[61] 또한 간암이나 뼈암(뼈 전이 포함)이 있는 경우에도 ALP 수치가 상승할 수 있다. ALP 수치가 비정상적으로 높을 경우, 전기영동 등의 방법을 통해 아이소자임을 분석하여 ALP가 어느 장기에서 유래했는지 추정하고 진단에 활용하기도 한다.

6. 3. ALP 수치 상승

2020년 기준으로 정상 ALP 수치는 명확하게 정의되지 않았으며, 성별, 인종적 배경,[65] 그리고 연령에 따라 차이가 있다. 특히 어린이와 청소년은 성인보다 현저히 높은 수치를 보인다.[66]

ALP 수치가 상승하는 데에는 여러 가지 원인이 있을 수 있다. 원인이 불분명할 경우, 동위효소 연구를 통해 상승의 근원을 파악할 수 있다. 골모세포와 새롭게 합성된 기질의 세포 외층에 존재하는 스켈포스파타제(골격형 ALP)는 아직 명확히 밝혀지지 않은 과정을 통해 혈액으로 방출된다.[67] 태반 알칼리성 인산가수분해효소는 정상피종[68] 및 활동성 구루병 환자에게서 상승하며, 다음과 같은 다양한 질병 및 상태에서도 상승할 수 있다.[69]

질병 및 상태질병 및 상태질병 및 상태
담도 폐쇄골수섬유증심근 경색
뼈 질환백혈병 반응담관염
골모세포성 골종양울혈성 심부전허혈성 담관병증
골연화증림프종임신[4]
골다공증[70]파제트병고용량 에스트로겐[4][72][73]
간염사르코이드증
단핵구증[71]갑상선 기능 항진증
간경변부갑상선 기능 항진증
급성 담낭염



ALP 수치가 비정상적으로 높을 경우, 대부분 간 손상을 의심하게 된다. 특히 AST나 ALT 수치가 크게 상승하지 않았음에도 ALP 수치만 높다면, 담즙 배출 경로에 문제가 생기는 담즙 울체일 가능성이 높으며, 이로 인해 황달 등이 발생하기도 한다. 또한 간이나 뼈에 암이 발생한 경우에도 ALP 수치가 상승할 수 있다. ALP가 높은 수치를 보일 때, 전기영동 등의 방법을 통해 어떤 아이소자임(동위효소)이 증가했는지 특정하여 문제의 원인이 되는 장기를 추정하고 진단에 활용할 수 있다.

6. 4. ALP 수치 감소

다음과 같은 질환이나 상태는 알칼리성 인산가수분해효소 수치를 감소시킬 수 있다.

6. 5. 예후 활용

전이성 전립선암 환자가 호르몬 치료를 받는 동안(치료 시작 6개월 후부터) 및 치료 이후에 알칼리성 인산가수분해효소(전립선 특이 항원과 함께) 수치를 측정하면 환자의 생존율을 예측하는 데 도움이 될 수 있다는 연구 결과가 있다.[75]

6. 5. 1. 백혈구 알칼리성 인산가수분해효소 (Leukocyte Alkaline Phosphatase, LAP)

백혈구 알칼리성 인산가수분해효소(LAP)는 성숙한 백혈구 내에서 발견되는 효소이다. 백혈구 내 LAP 수치는 특정 질병을 진단하는 데 도움을 줄 수 있다.[76]

  • 높은 수치: 정상보다 LAP 수치가 높은 경우는 생리적 반응, 백혈구 반응 또는 성숙한 백혈구가 관련된 병리 상태에서 관찰된다. 예를 들어 진성 적혈구 증가증, 본태성 혈소판 증가증, 원발성 골수 섬유증 등이 있다.
  • 낮은 수치: 정상보다 LAP 수치가 낮은 경우는 미성숙 백혈구가 관련된 병리 상태에서 발견된다. 예를 들어 만성 골수성 백혈병[77](CML), 발작성 야간 혈색소뇨증, 급성 골수성 백혈병 등이 있다.

6. 6. 구조 및 성질

그람 음성 세균인 ''대장균''에서 알칼리성 인산가수분해효소(ALP)는 세포 내막 바깥의 주변세포질 공간과 세포벽의 펩티도글리칸 부분에 위치한다.[6] 주변세포질 공간은 세포 내부보다 환경 변화에 더 취약하기 때문에, ALP는 비활성화, 변성, 또는 분해에 대해 비교적 높은 저항성을 가지는 특징이 있다. 이는 다른 많은 단백질에서는 흔히 볼 수 없는 성질이다.[6]

ALP는 분자량 약 86,000 Da인 아연(Zn)을 함유하는 이량체 효소이다. 각 소단위체(subunit)는 429개의 아미노산으로 구성되며, 두 소단위체는 4개의 시스테인 잔기에 의해 서로 연결되어 있다.[11] ALP 분자 하나에는 총 4개의 Zn 이온과 2개의 마그네슘(Mg) 이온이 결합되어 있다. Zn 이온은 활성 부위 A와 B를 차지하고, Mg 이온은 부위 C를 차지하여, 완전히 활성화된 자연 상태의 ALP는 (ZnAZnBMgC)2 형태로 존재한다. 효소의 작용 메커니즘은 활성 부위에 있는 Zn 이온들 사이에서 기질이 특정 기하학적 형태로 배위(coordination)되는 과정을 포함한다.[11]

''대장균''의 ALP는 80°C와 같은 고온에서도 용해된 상태를 유지하며 활성을 나타내는 독특한 열 안정성을 보인다. 일반적인 단백질은 이러한 온도에서 구조를 유지하는 약한 결합들이 끊어져 변성되고 침전되기 쉽다. 하지만 ALP는 이량체 구조를 형성하면서 2차 및 3차 구조를 유지하는 결합들이 효과적으로 분자 내부에 묻히게 되어 고온의 영향을 덜 받는다.[6] 또한, 약 90°C 정도의 더 높은 온도에서는 '역변성(reverse denaturation)'이라는 특이한 현상을 보인다. 이는 고온에서 일시적으로 변성되더라도 온도를 다시 낮추면 원래의 구조와 기능을 정확하게 회복할 수 있는 능력을 의미한다.[6]

ALP에 의한 탈인산화의 주된 목적은 인산화된 분자가 세포 안으로 더 쉽게 확산되도록 속도를 증가시키는 동시에, 세포 밖으로 다시 빠져나가는 것을 억제하는 것이다.[10] ''대장균'' ALP의 최적 활성 pH는 8.0이며,[15] 소의 ALP는 이보다 약간 높은 pH 8.5에서 최적 활성을 보인다.[16]

ALP는 주변세포질 공간에 위치하므로, 세포벽을 약화시켜 단백질을 방출하는 방법을 사용하여 분리할 수 있다.[12] 또한, ALP의 높은 열 안정성을 이용하여 다른 단백질들을 열 변성시켜 제거하는 방식으로 정제할 수도 있다.[12] ALP의 활성은 p-니트로페닐 인산(pNPP)이라는 인공 기질을 사용하여 측정할 수 있다. ALP는 pNPP를 탈인산화시켜 노란색을 띠는 p-니트로페놀(PNP)과 무기 인산염을 생성하는데, 이 PNP의 농도를 분광광도법으로 측정하여(파장 410 nm) 효소 활성을 정량적으로 알아낼 수 있다.[13] 비록 ALP가 세균의 조절 및 대사 과정에서 어떤 역할을 할 것으로 추정되지만, 실험실 환경에서는 ALP를 만들지 못하는 돌연변이 ''대장균''이나 ALP 생산을 멈추지 못하는 돌연변이 모두 생존에 큰 문제가 없는 것으로 관찰되었다.[14] 특정 조건(탈억제 상태)에서는 ALP가 세포 내 전체 단백질의 약 6%를 차지할 정도로 많이 발현되기도 한다.[17]

7. 임상 검사

알칼리성 인산가수분해효소(ALP)는 혈액 검사를 통해 측정되며, 주로 간, 담도, 뼈와 관련된 질환을 진단하고 경과를 관찰하는 데 중요한 지표로 활용된다. ALP 수치는 다양한 측정법으로 검사하며, 정상 기준치는 측정 방법, 연령, 임신 여부 등 생리적 상태에 따라 달라질 수 있다. 검사 결과 수치가 정상 범위를 벗어나는 이상치를 보이는 경우, 특정 질환이나 건강 상태를 의심해 볼 수 있으며, 추가적인 검사를 통해 원인을 파악하게 된다.

7. 1. 측정법

ALP의 측정 방법에는 주로 Kind-King법, Bessey-Lowry법, GSCC법, SSCC법, JSCC법의 5가지 종류가 있다. 자동 분석 장치를 이용한 측정에는 GSCC법, SSCC법, JSCC법이 더 적합하기 때문에, 현재는 이 세 가지 방법 중 하나가 주로 사용된다.

  • '''Bessey-Lowry법'''

:: 기질로서 p-니트로페닐 인산을 사용한다. 이 방법은 효소 반응 결과 생성되는 p-니트로페놀에 알칼리를 첨가하여 반응을 정지시키는 동시에 황색으로 발색시켜, 그 색의 농도를 측정하여 양을 정하는 방식(비색 정량)이다.

7. 2. 기준치

건강한 성인의 일반적인 알칼리성 인산가수분해효소(ALP) 기준치
측정 방법기준치
Kind-King법3~10 KAU
Bessey-Lowry법0.8~2.9 BLU
GSCC법90~280 U/L
SSCC법70~260 U/L
JSCC법100~350 U/L



위 기준치는 사용하는 측정 방법이나 검사를 시행하는 기관에 따라 달라질 수 있으므로 해석에 주의가 필요하다.

알칼리성 인산가수분해효소(ALP)는 뼈를 만드는 세포인 골아세포에 많이 존재하기 때문에, 뼈 성장이 활발한 유아기부터 사춘기까지는 성인보다 기준치가 훨씬 높게 나타난다. 골절이 발생했을 때도 ALP 수치가 상승하는 것으로 알려져 있다. 또한, 태반에도 ALP가 풍부하여 임신 후기부터 분만 후 몇 주 동안은 혈중 농도가 기준치의 몇 배에 달하는 높은 수치를 보일 수 있다.

7. 3. 이상치

ALP 수치가 정상 범위를 벗어나는 경우, 주로 간 손상을 의심할 수 있다. 특히, AST나 ALT 수치는 크게 상승하지 않았는데 ALP 수치만 높게 나타난다면 담즙 배출이 원활하지 않은 상태(담즙 울체)일 가능성이 크며, 이로 인해 황달이 나타나는 경우가 많다. 또한 간이나 뼈에 암이 발생했을 때도 ALP 수치가 상승할 수 있다. ALP 수치가 높게 측정된 경우, 전기영동과 같은 방법을 사용하여 아이소자임(동위효소)의 종류를 특정하면 어느 장기에서 유래한 것인지 추정하여 진단에 활용할 수 있다.

반대로 ALP 수치가 정상보다 낮은 경우에는 아연 결핍도 원인 중 하나로 고려된다.

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