단백질 인산화효소(蛋白質燐酸化酵素, 영어: protein kinase)는 ATP(아데노신 삼인산)와 같은 고에너지 인산 공여체로부터 인산기를 떼어내어 단백질의 특정 아미노산 잔기에 공유 결합으로 전달하는 인산화 반응을 촉매하는 효소이다. 단백질 키네이스(protein kinase) 또는 단백질 키나아제라고도 한다. 효소 분류 번호는 EC 2.7에 속하며, 이는 인산기 전이효소(phosphotransferase) 군에 해당한다.
개요
단백질 인산화효소는 키네이스(kinase) 중에서도 기질로 단백질을 특이적으로 인산화하는 효소군을 지칭한다. 인산화는 단백질의 번역 후 변형(post-translational modification) 중 가장 보편적이고 중요한 기작 중 하나로, 단백질의 활성 증가 또는 감소, 안정화 또는 분해 표지, 특정 세포 구획으로의 위치 이동, 다른 단백질과의 상호작용 개시 또는 차단 등 다양한 기능적 변화를 유발한다. 반대 작용, 즉 단백질에서 인산기를 제거하는 반응은 단백질 탈인산화효소(protein phosphatase)가 담당한다.
인산화 기작
단백질 인산화효소는 ATP의 γ-인산기를 기질 단백질의 특정 아미노산 곁사슬에 존재하는 하이드록실기(-OH)로 전달한다. 이 과정에서 ATP는 ADP로 전환되며, 인산화된 아미노산 잔기는 음전하를 띠게 되어 단백질의 입체구조 및 기능에 변화를 일으킨다.
분류
단백질 인산화효소는 인산화하는 아미노산 잔기의 종류에 따라 크게 다음과 같이 분류된다.
- 세린/트레오닌 인산화효소(serine/threonine kinase): 세린 또는 트레오닌 잔기의 하이드록실기를 인산화한다. 인간 단백질 인산화효소의 대다수를 차지하며, 세포 주기 조절, 대사, 세포자멸사(apoptosis) 등에 관여한다.
- 타이로신 인산화효소(tyrosine kinase): 타이로신 잔기를 인산화한다. 수용체형(receptor tyrosine kinase, RTK)과 비수용체형(non-receptor tyrosine kinase)으로 나뉘며, 성장 인자 신호 전달 및 세포 증식 조절에 핵심적 역할을 한다.
- 이중 특이성 인산화효소(dual-specificity kinase): 세린/트레오닌과 타이로신 모두를 인산화할 수 있다.
- 히스티딘 인산화효소(histidine kinase): 주로 세균, 식물, 균류의 2성분 신호전달계(two-component signaling system)에서 작용하며, 포유류에서는 상대적으로 드물다.
주요 예시
- 단백질 인산화효소 A(protein kinase A, PKA): 고리형 아데노신 일인산(cAMP)에 의해 활성화되는 세린/트레오닌 인산화효소로, cAMP 신호전달 경로의 주요 매개자이다.
- 단백질 인산화효소 C(protein kinase C, PKC): 칼슘 이온(Ca²⁺)과 다이아실글리세롤(DAG) 등 지질 신호에 의해 활성화되며, 다양한 세포 반응을 조절한다.
- 미토젠 활성화 단백질 인산화효소(mitogen-activated protein kinase, MAPK): 세포 외 자극에 대한 반응으로 연쇄적 인산화 캐스케이드를 통해 신호를 증폭·전달한다.
생물학적 중요성
단백질 인산화효소는 세포 신호전달, 세포 분열, 증식, 분화, 대사, 유전자 발현, 세포자멸사 등 거의 모든 세포 과정에 관여한다. 인간 게놈에는 약 500개 이상의 단백질 인산화효소 유전자가 존재하는 것으로 알려져 있으며, 이 전체 집합을 키놈(kinome)이라 부른다.
질병과의 연관성
단백질 인산화효소의 돌연변이, 과발현, 또는 비정상적 활성화는 다양한 질병과 연관된다. 특히 암에서는 타이로신 인산화효소의 지속적 활성화가 종양 형성과 진행에 기여하는 사례가 다수 보고되어 있다. 이에 따라 단백질 인산화효소는 주요 약물 표적으로 주목받고 있으며, 이마티닙(imatinib)과 같은 타이로신 인산화효소 저해제(tyrosine kinase inhibitor, TKI)가 만성 골수성 백혈병 등에서 표적 치료제로 사용되고 있다. 그 밖에도 신경퇴행성 질환, 염증성 질환, 대사 질환 등에서 단백질 인산화효소의 조절 이상이 병리 기전에 관여하는 것으로 알려져 있다.
