마우스 산성 포유류 키티나아제의 리간드 결합 및 pH 특이적 효소 활성의 구조적 특성 규명

핵심 개념

마우스 산성 포유류 키티나아제(mAMCase)는 산성 및 중성 pH 환경에서 효소 활성을 나타내는데, 이는 두 가지 다른 메커니즘을 통해 이루어진다.

초록

이 연구는 마우스 산성 포유류 키티나아제(mAMCase)의 pH 의존적 효소 활성을 규명하기 위해 생화학적, 구조적, 계산 모델링 접근법을 사용했다.

효소 활성 측정 실험에서 mAMCase는 pH 2와 pH 7에서 최대 활성을 나타내는 이중 최적 pH 프로파일을 보였다. 이는 mAMCase가 산성과 중성 환경에서 서로 다른 메커니즘을 사용하여 기능한다는 것을 시사한다.

구조 분석을 통해 mAMCase 활성 부위에서 다양한 결합 모드와 화학적 이질성을 관찰했다. 특히 Asp138 잔기의 두 가지 안정적인 배향 상태가 확인되었는데, 이는 촉매 트라이아드 (Asp136-Asp138-Glu140) 내에서 pH에 따라 달리 작용하는 것으로 나타났다.

이론적 pKa 계산과 분자 동역학 시뮬레이션을 통해, 산성 pH에서는 Glu140이 용액 내 프로톤을 직접 얻을 수 있지만 중성 pH에서는 Asp136-Asp138 프로톤 전달 메커니즘을 통해 Glu140을 프로토네이트 한다는 것을 제안했다.

이러한 결과는 mAMCase가 pH에 따라 서로 다른 메커니즘을 사용하여 키틴을 분해한다는 것을 보여준다. 이는 mAMCase의 독특한 pH 의존적 활성 프로파일을 설명할 수 있는 통합적인 모델을 제공한다.

통계

pH 2에서 mAMCase의 촉매 속도(kcat)는 pH 7.4에 비해 6.3배 증가했다.
pH 2에서 mAMCase의 Michaelis 상수(KM)는 pH 7.4에 비해 2.5배 증가했다.
pH 2에서 mAMCase의 촉매 효율(kcat/KM)은 최대값을 나타냈다.

인용구

"mAMCase는 산성 및 중성 환경에서 서로 다른 메커니즘을 사용하여 기능한다."
"Asp138 잔기의 두 가지 안정적인 배향 상태는 pH에 따라 달리 작용하는 것으로 나타났다."
"산성 pH에서는 Glu140이 용액 내 프로톤을 직접 얻을 수 있지만, 중성 pH에서는 Asp136-Asp138 프로톤 전달 메커니즘을 통해 Glu140을 프로토네이트 한다."

핵심 통찰 요약

Structural characterization of ligand binding and pH-specific enzymatic activity of mouse Acidic Mammalian Chitinase

by Diaz,R. E., ... 게시일 www.biorxiv.org 06-03-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.03.542675v3

더 깊은 질문

mAMCase와 달리 인간 AMCase(hAMCase)가 단일 pH 최적값을 가지는 이유는 무엇일까?

인간 AMCase인 hAMCase가 단일 pH 최적값을 가지는 이유는 여러 요인에 기인할 수 있습니다. 먼저, 인간의 식이 습성이 다양하고 진화적으로 변화했기 때문에 hAMCase가 특정 pH에서 최적 활성을 보이는 것일 수 있습니다. 인간의 식이 습성이 곤충 기반 식품보다 다양하고 키틴 함유량이 적을 수 있기 때문에 hAMCase가 특정 pH에서 높은 활성을 유지할 필요성이 적을 수 있습니다. 또한, hAMCase의 특정 유전자 변이나 단백질 안정성에 영향을 미치는 요소들이 pH 의존적 활성을 조절하는 데 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 이유들로 인해 hAMCase는 특정 pH 범위에서 최적의 활성을 나타낼 수 있게 되었을 것으로 생각됩니다.

mAMCase의 pH 의존적 활성 프로파일이 진화적으로 어떤 이점을 제공했을까?

mAMCase의 pH 의존적 활성 프로파일은 진화적으로 다양한 이점을 제공했을 것으로 예상됩니다. 먼저, mAMCase가 다양한 pH 환경에서 활성을 유지할 수 있음으로써 다양한 조직에서 효과적으로 키틴을 분해하고 제거할 수 있게 되었습니다. 이는 mAMCase가 소화기관과 폐 등 다양한 환경에서 효과적으로 기능할 수 있도록 한 것입니다. 또한, mAMCase의 pH 의존적 활성 프로파일은 다양한 환경에서 키틴 대사를 조절하고 면역 반응을 조절하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이는 mAMCase가 다양한 생리적 조건에서 효과적으로 기능하며, 진화적으로 적응할 수 있는 유연성을 제공했을 것으로 생각됩니다.

mAMCase의 pH 의존적 활성 조절 메커니즘이 다른 효소 시스템에서도 발견될 수 있을까?

mAMCase의 pH 의존적 활성 조절 메커니즘이 다른 효소 시스템에서도 발견될 수 있습니다. 다른 효소 시스템에서도 pH에 따라 활성이 변하는 경우가 많이 있으며, 이는 효소의 기능 및 활성을 조절하는 중요한 메커니즘 중 하나입니다. pH 의존적 활성 조절은 효소의 활성 부위의 이온화 상태나 카탈리틱 산-염기 쌍의 상호작용에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서, mAMCase의 pH 의존적 활성 조절 메커니즘이 다른 효소 시스템에서도 발견될 수 있으며, 이는 효소의 다양한 기능 및 조절 메커니즘을 이해하는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.