카탈라제(Catalase)
1811년 과산화수소를 발견한 Louis Jacques Thenard에 의해 발견되어 1900년 Oscar Loew 가 카탈라제라는 이름을 붙였다. 1969년 카탈라제의 아미노산 배열이 규명되고 3차원 구조가 밝혀진 것은 1981년이다.
산소에 노출되어 살고 있는 거의 모든 생체에 존재하는 효소이며 과산화 수소를 물과 산소로 촉매한다.
산소는 세포의 에너지 생산에 필수적이다. 산소는 세포 호흡에서 전자의 최종 수용체로 작용하기 때문이다. 그러나 에너지 생성 과정의 부산물로 활성 산소종을 피할 수 없다. 과산화수소, 수퍼옥사이드 음이온 라디칼, 일중항 산소, 수산화 라디칼, 산화 질소등 활성 산소종(ROS)은 생체 세포를 손상시킨다.
ROS는 물론 세포 신호 전달 및 면역 기전에 긍정적인 역할을 하기도 하지만 이를 방치하여 누적시키면 세포 내 생체 분자를 손상시킨다. 이것이 산화
스트레스다. 산화 스트레스는 염증성 관절 질환(연골 파괴) 인슐린 의존성 당뇨(췌장 베타 세포 파괴), 알츠하이머병 등 신경성 퇴행성 질환(신경 세포
손상), 천식, 심혈관 질환 등을 유발한다. 그러나 다행하게도 생체 세포에서는 카탈라제, 글루타치온 과산화효소를 직접 만들어 산화 스트레스를 방어
한다.
카탈라제는 거의 모든 호기성 세포의 과산화소체(peroxisome)에 존재한다. 카탈라제의 완벽한 촉매 기전은 규명되지 않았지만 과산화수소를 분해하여 산소와 물을 만들어 낸다.
2 H2O2 -> 2 H20 + O2
세포는 산소에 의존하여 살고 있다. 그러나 활성화된 산소가 문제를 야기한다. 믿는 도끼에 발등 찍히는 격이다. 전자는 세포 내 곳곳을 끊임 없이 이동 한다.
전자는 리보플라빈(riboflavin)과 니아신(niacin)에서 유래된 운반 분자에 실려 잠시도 쉬지 않고 움직인다. 산소가 리보플라빈, 니아신에 실린 전자와 만나면 전자가 산소로 이동하여 수퍼옥사이드 라디칼이나 과산화수소가 된다.
이 놈들은 불안정하고 힘이 넘쳐 뛰어다니며 섬세한 단백질의 유황이나 금속 이온을 공격한다. 설상 가상으로 세포 내 철 이온이 과산화수소를 수산기(hydroxyl radicals)로 전환시킨다. 수산기는 더욱 난폭하다. 이 치명적인 분자가 DNA를 공격하여 돌연변이를 일으킨다. 소위 산화 손상이다. 노화도 산화 손상의 누적 결과로 설명하기도 한다.
그러나 다행하게도 세포는 자체적으로 여러 종류의 항 산화 효소를 만들어내어 산화 스트레스에 대항한다. 산화 스트레스라는 화재를 진압하는 소방수다. 2가지 중요한 소방수는 SOD(수퍼옥사이드를 과산화수소로)와 카탈라제(과산화수소를 물과 산소 가스로 전환)이다. 카탈라제는 쉼 없이 세포를 순찰하면서 꾸준히 생성되는 과산화수소를 중화시킨다.
카탈라제는 세포에서 발견되는 가장 효율적인 효소이다. 카탈라제 한 분자는 초당 수백만 분자의 과산화수소를 제압한다. 사람의 카탈라제는 철 이온을 사용하여 매우 신속한 반응을 일으킨다. 이 효소는 4개의 동일한 서브유니트로 구성되며 각각 활성 부위를 가지고 있다. 위 그림에서 철 이온은 녹색으로 나타나 있다. 철 이온은 디스크 형태의 헴 그룹 중심에 위치한다. 카탈라제는 매우 안정된 효소다. 4개의 사슬이 서로 얽혀 적당한 형태를 이룬다.
카탈라제 구조
카탈라제 효소 단백질은 분자량 220,000~350,000 kD 정도이다. 4 가닥의 동일한 폴리펩타이드로 구성되며 서브 유니트가 4 중합체(tetramer)를 형성하여 덤벨(dumb-bell) 형태를 이루고 있다. 각 단량체(monomer) 사슬은 500개 이상의 아미노산 사슬이며 촉매 중심 부위에는 헴(heme) 보결기를 함유한다. 카탈라제는 4개의 포르피린 헴(철) 그룹을 함유하고 암소 등의 단량체에는 매우 타이트하게 결합된 NADP를 함유하기도 한다. NADP는 효소가 H2O2 기질에 의해 산화되는 것을 방지한다.
heme
일부 헴 함유 카탈라제는 2가지 기능을 한다. 즉 카탈라제 기능과 과산화 효소 기능이 그것이다 (bifunctional catalase-peroxidases). 또한 일부 세균은 비헴 망간을 함유한 카탈라제를 가지고 있다
카탈라제 종류
서로 다른 세포는 서로 다른 카탈라제를 구축한다. 적혈구를 보호하는 카탈라제는 4개의 동일한 서브 유니트로 구성되며 heme/iron 그룹을 이용하여 반응을 일으킨다(좌측). 세균은 더 큰 카탈라제로 과산화수소를 제거한다. 철분 및 헴의 배열이 적혈구를 보호하는 카탈라제와 비슷하다(중앙). 기타 세균이 자신을 보호하는 카탈라제는 완전히 형태가 다르다. 헴 대신 망간 이온을 사용한다.(우측)
카탈라제 기능
카탈라제는 2 단계를 거쳐 과산화수소를 매우 신속하게 파괴한다.
첫째 과산화 수소 한 분자가 결합하여 분해된다. 산소 원자 1개가 추출되어 철 원자에 부착되고 나머지는 무해한 물로 방출된다. 그리고 두 번째 과산화수소 분자가 결합, 분해되어 그 조각이 철에 부착된 산소 원자와 결합하여 물과 산소 가스를 방출한다. 산소 원자가 철과 결합하여 두 번째 과산화 수소분자가 결합하는 것을 쉽게 하는 것이다. 히스티딘(histidine)과 아스파라긴(asparagines) 아미노산이 이 반응을 돕는다.
카탈라제는 대부분 4 중합체 구조를 취하며 각 서브 유니트에는 활성 부위에 헴 그룹을 포함한다. 카탈라제는 매우 견고하고 안정된 구조를 취하고 있기 때문에 다른 효소에 비해 온도에 의한 변성이나 산도에 대한 저항성, 단백질 분해에 대한 저항력이 있다.
과산화 수소는 헴 함유 카탈라제의 활성 부위 헴 철을 교대로 산화, 환원시킨다.
첫 1단계에서 과산화 수소 한 분자가 헴을 oxyferryl 종으로 만든다. 2 단계에서는 2번째 과산화 수소 분자가 효소를 재생시키고 물과 산소를 생성한다.
일부 카탈라제는 보조 인자로 NADPH를 함유하여 산소 분자를 환원시키는데 필요한 전자를 제공한다. 완전한 기전은 아직 불명이다. 그러나 2 단계 반응이 알려져 있다.
분자 기전은
H2O2 + Fe(III)-E → H2O + O=Fe(IV)-E(.+)
H2O2 + O=Fe(IV)-E(.+) → H2O + Fe(III)-E + O2
Fe()-E 효소에 부착된 헴 그룹의 철분 중심부
Fe(IV)-E(+)는 Fe(V)-E의 mesomeric form이다. 아직 +V로 완전히 산화되지 않은 형태이며 헴 리간드로부터 전자를 받아들일 수 있다.
세포 대사 과정 중에 많은 양의 과산화수소가 생성된다. 수퍼옥사이드 음이온 라디칼의 분해로 생성되는 것이다. 수퍼옥사이드는 SOD에 의해 과산화수소와 산소가 생성된다.
카탈라제는 헴 단백질(hemoprotein)로 한 분자당 3가 철 이온 (Fe+++)이 4개 들어있고 효소 활성 시에는 산화 상태로 존재한다. 카탈라제는 시토크롬(cytochrome)을 함유한 호기성 세균에 존재하지만 연쇄상 구균을 포함한 일부 균종에는 존재하지 않는다. 시토크롬 시스템이 없는 세균은 대부분 카탈라제 효소가 없기 때문에 과산화수소를 가수분해하지 못한다. 시토크롬은 전자 운반 단백질이다.
카탈라제는 과산화소체라는 세포 소기관에 들어있다. 식물의 과산화소체는 광호흡에 관여한다. 과산화 수소는 강력한 항균 작용이 있다. Mycobacterium tuberculosis, Legionella pneumophila, Campylobacter jejuni 등 카탈라제 양성 균은 과산화 라디칼을 비활성화시키는 카탈라제를 만들어내어 숙주에서 생존한다.
카탈라제 응용
카탈라제는 포름알데히드(formaldehyde), 개미산(formic acid), 페놀(phenols), 알코올(alcohols)등 독성물질을 산화시킨다. 다음 반응과 같이 과산화 수소를 이용한다.
H2O2 + H2R → 2H2O + R
구리 이온 등 중금속은 비경쟁적으로 카탈라제를 억제한다. 독성물질인 시안화물(cyanide)는 카탈라제의 헴에 강력하게 결합하여 카탈라제 기능을 정지시킨다.
카탈라제는 음식 산업, 직물 산업 등에 활용된다. 우유에서 과산화 수소를 제거한 후 치즈를 만들고 음식 포장지에 이용하여 음식 산화를 방지한다. 콘택트 렌스의 소독 용액에도 사용한다. 피부 미용에도 활용되어 표피 상층부 세포의 산소화 목적으로도 과산화 수소를 이용한다.
