1. 연구배경 

탄산탈수효소는 활성 부위에 아연 이온을 금속 보조인자1)로 갖는 금속 단백질로, 물에 잘 녹지 않는 이산화탄소를 물에 잘 녹는 탄산의 형태로 바꾸는 화학반응을 촉진시키는 촉매역할을 하는 단백질이다.

이 효소는 비교적 구조가 단순해 활성 부위(반응이 일어나는 부위)2)에 대한 연구가 많이 진행됐다. 또 금속 보조인자별로 다양한 값의 (각각 100%, ~50%, 2%, 0%) 효소 활성을 보이기 때문에 모델 단백질로 적합하다. 이뿐만 아니라 몸속 세포에서 발생한 이산화탄소를 혈액에 녹여 폐까지 전달하고 혈액의 산성도를 조절하는 등의 역할을 담당하기 때문에 생리·의학적으로도 연구가치가 높다.

2. 연구내용  

연구팀 아연, 코발트, 니켈, 구리 이온을 금속 보조인자로 갖는 탄산탈수효소와 금속 보조인자가 없는 상태의 주효소(apoenzyme, 단백질로 구성된 부분)에 이산화탄소를 주입해 탄산탈수 효소(단백질) 결정을 만들었다. 이를 위해 김채운 교수팀이 자체 개발한 고압력 급속냉각법 (high-pressure cryocooling method)를 이용했다.

이렇게 준비한 탄산탈수효소 결정을 X-선 결정학 기법을 이용해 연구하였다. 그 결과 금속 보조인자에 따라 해당 금속 보조인자를 착이온(complex ion)으로 하는 배위결합의 기하구조3)가 변하는 것을 확인하였다. 이뿐만 아니라 기하구조가 사면체인 경우 기질(반응물)인 이산화탄소가 포착되고, 팔면체인 경우 생성물인 탄산이온이 포착(생성물 제거 지연 의미)되고 두 개의 삼각뿔이 대칭을 이루는 경우 기질과 생성물 어느 쪽도 포착되지 않는 등, 이제껏 예상하지 못했던 현상을 관측했다. 이를 통하여 탄산탈수효소의 활성 도중에 활성부위에 나타나는 반응의 메커니즘을 제시하였다.

기존의 연구에서는 금속단백질의 금속 이온이 루이스 산(Lewis acid)4)으로써의 역할만 한다고 알려져 왔으나, 이번 연구를 통하여 적정한 금속 이온의 존재가 배위결합의 기하구조를 안정화하는 데에도 기여할 수 있음을 확인하였다.

3. 기대효과  

금속단백질의 활성부위에서 나타나는 화학반응의 동역학을 높은 시공간적 분해능을 써서 밝혀낸 본 연구의 결과는 촉매작용에 있어 금속 보조인자의 역할에 대한 보편적이면서도 심도 있는 이해를 증진시켰다는 점에서 그 자체로 의의가 크다.

또한 본 연구의 결과물은 단백질의 촉매기능의 최적화를 비롯하여 단백질공학, 생명공학 모든 분야에 광범위한 응용이 가능하다. 특히 약물표적의 발굴, 금속유기골격체(metal organic framework) 관련 연구는 물론, 거대분자의 물성과 생리의학적 활성에 대한 이론·계산화학, 시스템생물학 연구에도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 금속 보조인자

효소에 첨가되어 효소의 작용을 돕는 화학적인 금속 물질. 단백질 효소에 붙어 효소가 활성을 나타내도록 도움을 줌. 

2. 효소 활성부위

효소의 한 부분으로서 기질(반응물)이 결합해 화학반응을 일으키는 곳. 효소 활성 부위에 반응물이 잘 흡착되고 생성물은 빠르게 제거되는 것이 효소의 촉매 작용 효율을 결정한다. 

3. 배위결합의 기하구조

금속이나 배위화합물에서 ‘착이온(complex ion)’에 해당하는 중심 원자를 둘러싸는 가장 가까운 원자들이 이루는 기하구조. 탄산탈산효소의 경우 아연이온이 착이온이 된다. 배위결합은 원자가 전자쌍을 공유하는 공유결합 (일반적 두 원자가 각 원자에 속해 있던 전자를 공유하여 공유 전자쌍을 형성)의 일종으로, 공유하는 전자쌍(전자 2개)이 모두 특정 원소로부터 오는 결합이다.

4. 루이스 산 (Lewis acid)

화학반응에서 전자쌍을 받는 수용체를 일컫는 표현. 탄산탈수효소 내 아연은 2가 양이온 상태로 존재한다. 때문에 극성분자인 물 분자의 산소로부터 전자쌍을 받는 루이스산 역할을 한다. 이로 인해 물 분자가 수소이온과 수산화이온으로 분리된다. 수산화이온은 이산화탄소를 중탄산이온으로 바꾸는 직접적 역할을 한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 탄산탈수효소의 (A) 3차원 구조와 (B) 활성 부위의 모식도.

아연 이온은 히스티딘 잔기(histidine residues)에 의해 고정돼있다. 소수성 잔기들은 소수성인 이산화탄소가 결합하는 부분이다. 출입 통로(entrance conduit)는 기질(이산화탄소)와 생성물(탄산), 물 분자가 오가는 통로다. 다섯 개의 물 분자들로 안정(고정)되어 있다. 친수성 잔기(hydrophilic residues)는 친수성인 물 분자들이 결합하여 붉은색으로 표시된 경로를 따라 양성자 전달(proton transfer) 경로를 만드는 공간이다.

그림2. 각 조건별 이산화탄소가 가해지기 전과 후 탄산탈수효의 활성 부위의 3차원 구조(배위결합 기하구조).

(A) 금속 보조인자가 제거돼 단백질만 남은 경우. 아연 이온을 금속 보조인자와를 갖는 경우와 비슷한 물 분자 배열을 보인다. 이산화탄소가 가해진 경우 기질인 이산화탄소가 포착된다.

(C) 자연 상태인 아연(Zn) 이온을 보조인자 갖는 경우. 배위 결합 기하구조가 삼각뿔(tetrahedral) 구조를 보이다. 이산화탄소가 가해진 경우 이산화탄소가 포착된다.

(E) 코발트(Co) 이온을 보조인자로 갖는 경우. 기하구조는 삼각뿔(tetrahedral) 구조를 보이지만, 이산화탄소가 주입되면 배위결합의 기하 구조가 8면체(octahedral)로 바뀌뀐다. 생성물인 탄산이온이 포착된다. (생성물이 탈락 지연)

(G) 니켈(Ni) 이온을 보조인자로 갖는 경우. 팔면체(octahedral) 구조를 보이며, 생성물인 탄산이온이 포착된다.

(I) 구리(Cu) 이온을 보조인자로 가지는 경우, 삼각쌍뿔(trigonal bipyramidal) 구조를 보이며, 이산화탄소가 가해져도 기질과 생성물 어느 것도 포착되지 않는다.