세포영양소 ○ 세포가 생장하고 생성물을 만들기 위해서는 외부로부터 영양소를 흡수하여야 함. ○ 인간이나 동물의 경우에는 섭취된 음식물을 소화 과정에서 분해하여 각종 영양소를 얻고 이를 혈관을 통해 체내의 모든 세포로 공급한다. ○ 식물의 경우에는 대개 탄소 동화작용에 의해 탄소원을 흡수하며 기타의 영양소는 뿌리를 통해 흡수. ○ 미생물의 경우에는 모든 영양소를 세포막을 통하여 흡수. 이때 세포가 필요로 하는 영양소에는 비교적 다량 (10-4M 이상)이 필요한 정량 영양소(macronutrient)와 소량이 필요한 미량 영양소(micronutrient)가 있음. 세포가 성장하기 위한 영양소의 구분 다량 영양소(macronutrients): > 10-4 M 예) C, N, O, H, S, P, Mg2+, K+ 미량 영양소(micronutrients): < 10-4 M 예) Mo2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+ Ca2+, Na+, vitamin, growth hormone, metabolic intermediate

영양소의 기능 및 요구농도 다량영양소 (Macronutrient) (*Table 2.9) 미량영양소 ○ 탄소 (Carbon) : 에너지의 주요 공급원. ○ 질소 (nitrogen) : 세포 생장시 단백질과 핵산의 합성에 필요. ○ 산소 (oxygen) : 세포의 모든 구성 성분과 세포액 속에 존재. 호기성 배양의 경우 반듯이 필요 ○ 수소 (hydrogen) : 탄소화합물에서 일차적으로 공급된다. ○ 인 (phosphorus) : 핵산을 합성하기 위하여 필수적. ○ 황 (sulfur) : 단백질이나 일부 효소생성에 필요. ○ 칼륨 (potassium) : 일부 효소들의 보조인자로 탄수화물의 대사에 필요 ○ 마그네슘 (magnesium) : 일부 효소들의 보조인자로 세포벽과 세포막에 존재 미량영양소 ○ 미량 영양소는 소량이지만 미생물 생장에 필수적인 영양소 ○ 미량 영양소가 부족하면 지연기 (lag phase)가 길어지고 수율이 감소. ○ 농도가 너무 높으면 독성을 나타내게 되므로 적절한 양의 공급이 필요 .

생장배지 ○제한배지(Defined medium) - 포도당, (NH4)2SO4, KH2PO4, MgCl2 등과 같이 화학조성이 일정한 순수화합물만으로 구성된 배지 ○ 복합배지 (Complex medium) - 효모추출물(yeast extract), 펩톤(peptone), 당밀(molasses)과 같은 화학조성이 일정하지 않은 자연화합물이 포함된 배지 - 복합배지는 생장인자, 비타민, 호르몬, 미량원소 등을 공급할 수 있으므로 균체 수율이 높은 장점이 있는 반면 실험결과의 재현과 명확한 해석이 어렵다.

Chapter3. Enzymes ● Introduction of Enzymes ● Kinetics of Enzymes-Catalyzed Reactions ● Inhibition of Enzyme Catalyzed Reactions ● Effects of Environmental Conditions of Kinetics ● Immobilized Enzyme Systems ● Industrial Uses of Enzymes

효소 (Enzyme) ○ 생명체를 유지시키는 수많은 생화학 반응들은 거의 모두가 효소에 의해 이루어짐 ○ 촉매 작용을 하는 고도로 특수화된 고분자 단백질(15,000<MW<several million) ○ 극 미량으로 화학반응의 속도를 촉진 ○ 생물체에 의해 생산 : 생(체)촉매 (biocatalyzer, biocatalyst) ○ 효소는 단백질이므로 강산, 알칼리로 처리, 변성제를 첨가하면 그 구조가 손상됨 ○ 2,000여종 이상의 효소 발견/150여종 산업적 이용가능/60종 시판.

효소와 일반 화학촉매 ○ 효소는 일반촉매와는 다르게 반응조건에 대한 특별한 감수성을 지닌다. - 화학촉매 : 대부분 높은 온도, 압력, 매우 높거나 낮은 pH - 생체촉매 : 100℃ 이하의 온도와 낮은 압력(상온, 상압), 중성 pH ○ 효소는 화학촉매보다 기질 특이성(substrate specificity)과 반응 특이성(reaction specificity)이 높다. ○ 효소에 의한 반응은 거의 부산물 (by-product)를 만들지 않는다 (product specificity). ex.) - 리보솜에서 단백질을 합성할 때 효소에 의해 촉매되는 경우 1,000개의 아미노산을 생성 - 화학적으로 합성하는 경우 불완전한 반응과 부가적 반응에 의해 100개 정도의 아미노산만 생성

효소의 명명법 ○ 효소 반응에 사용되는 기질의 종류에 따라 어미에 ~ase를 붙여 명명 - end of the substract : protease, lipase, amylase, urease ○ 효소 반응의 형식에 따라 ~ase를 붙여 명명 - after the reactions catalyzed : Alcohol Dehydrogenase (ADH) ○ 관용적으로 명명 * Traditional name ex) rennin: enzyme for curding of milk pepsin: hydrolyzing enzyme at acidic pH

완전효소(holoenzyme) = 순효소(apoenzyme) + 조효소(coenzyme) 효소의 구성 ○ 효소는 하나 이상의 소단위체(subunit)로 구성 ○ 단백질 효소들은 효소 활성을 위하여 비 단백질기를 필요 완전효소(holoenzyme) = 순효소(apoenzyme) + 조효소(coenzyme) 순효소 효소의 단백질 부분 조효소 단백질(순효소)과 쉽게 분리되고, 열에 강하다. ex.) metal ions (Fe, Mg, Cu, Mn, Zn, etc) or organic molecules (NAD, FAD, CoA, vitamins, etc) 보결족 효소를 구성하거나 활성화시키는 데 필요한 이온으로 조효소 기능을 한다. ex.) Fe2+ , Zn2+, Mg2+ ※유사효소(isozymes): different molecule forms, but catalyze same reactions

효소의 분류 Oxidoreductase Transferase Hydrolase Isomerase ligase ○ 국제 규약에 의해 화학반응의 형식에 따라 크게 6개의 group으로 나뉨. Oxidoreductase Oxidase, oxygenase, peroxidase, dehydrogenase Transferase Glycosyltransferase, methyltransferase, acyltransferase, Transaminase, sulfotransferase, phosphotransferase, nucleotidyltransferase Hydrolase Esterase,lipase,glycosidase,protease,nuclease lyase Aldolase, ketolase, ammonia lyase, hydratase Isomerase Racemase, epimerase, isomerase ligase Synthetase, carboxylase

A- + B → A + B- Oxidoreductase (산화환원효소) - Dehydrogenases: - Oxidases: ○ 수소 또는 전자를 기질에 첨가 또는 제거하는, 즉 산화환원 반응을 촉매 ○ 생체 내에서는 이 효소계에 의하여 생명유지에 필요한 에너지를 생산함. A- + B → A + B- - Dehydrogenases: - Oxidases: - Peroxidases:

Transferase (전이효소) Hydrolase (가수분해효소) Enzyme that catalyzes the transfer of a functional group (e.g. a methyl or phosphate group) from one molecules (doner) to another (acceptor) amino 기, carboxyl 기, methyl 기, acyl 기, 인산기, amino acid 잔기 등이 전이 (transfer) Hydrolase (가수분해효소) ○ 물분자가 도입되어 기질의 공유결합을 가수분해 시키는 효소 ○ 지질의 ester 결합, 당질의 glycosidic 결합, 단백질의 peptide 결합 등을 절단

Lyase (탈이효소) 산화작용과 가수분해에 의해서 C─C, C─O, C─N 결합의 절단으로 원자단의 첨가나 제거를 촉매하는 효소군

Ligase (Synthetase, 합성효소) Isomerase (이성화효소) 기질분자의 분해, 전위, 산화환원을 일으키지 않고 분자의 이성화반응을 촉매 Ligase (Synthetase, 합성효소) 에너지를 이용하여 두 개의 분자를 결합시키므로 합성효소(synthetase) 일반적으로는 ATP(아데노신3인산) 또는 이와 유사한 물질에서 인산기(PO₄)를 떼어내고, 이 때 발생하는 에너지를 이용하여 서로 다른 두 분자간의 새로운 화학결합을 형성하는 반응을 촉진하는 효소들

☞ IEC (International Enzyme Commission) numbering: 4개의 고유번호로 표시 ex) EC 1. 1. 1. 1  alcohol dehydrogenase 1. Oxidoreductase  2. Transferase 3. Hydrolase 4. Lyase 5. Isomerase 6. Ligase(Synthetase) - Oxidoreductase : 각 공여체에 관여하는 수용체의 종류 - Transferase : 전이하는 기의 종류를 나타내는 소분류 - Hydrolase : 가수분해되는 결합의 종류를 한 층 더 자세히 분류 - Lyase : 떨어지는 기의 종류 - Isomerase : 이성화의 종류 - Oxidoreductase의 경우는 산화되는 공여체의 종류 - Transferase에서는 전이하는 기질의 종류 - Hydrolase에서는 가수분해되는 결합의 종류 - Lyase에서는 떨어지는 기와 남는 부분의 중간의 결합 모양 - Isomerase에서는 이성화 반응의 종류를 나타냄 - Ligase에서는 생성되는 결합의 종류 제 3분류 안에서의 일련번호

효소의 작용 ○ 효소는 기질과 결합하여 효소-기질 복합체 (enzyme-substrate complex)를 형성함으로써 반응의 활성화 에너지 (activation energy)를 낮추어 주는 촉매작용 ○ 자유 에너지에는 영향을 끼치지 않음. ※ 활성화 에너지 어떤 물질들이 모여서 화학반응을 하려면 이 물질들이 서로 결합하거나 충돌할 만큼 에너지를 가져야 하는데, 이런 반응 상태가 되는데 필요한 에너지를 그 물질의 활성화 에너지라 함. 효소는 이러한 활성화 에너지를 낮추어 줌으로써 생물체 내의 화학반응을 촉진시킴.

효소-기질 복합체(Enzyme-Substrate Complex) ○ The active site on an enzyme is the region that binds the substrates - Takes up a relatively small part of the total volume of an enzyme - A three dimensional entity : lysozyme (129 AA) : #35, 52, 62, 63 and 101 are important - Substrates are bound to enzymes by relatively weak forces (3~12 kcal/mol) : covalent bond 50~110 kcal/mol - Active site are clefts or crevices - The specificity of binding depends on the precisely defined arrangement of atoms in an active site

효소반응속도론 (Enzyme Reaction Kinetics) : 효소가 어떠한 조건에서 어느 정도까지의 생성물을 얻을 수 있는가에 대한 이론적 고찰 Michaelis-Menten Kinetics 전제조건: ES가 빠른 속도로 형성 E + P  ES 무시 E + S ES E + P k 1 -1 2

Michaelis-Menten Kinetics (Saturation Kinetics) 2 [S] = KM V max [S] Vmax V = Vmax [S] Km + [S] - V : 반응속도 - Vmax : 최대반응속도 - Km : Michaelis-Menten 속도상수 - [S] : 기질농도 ※ Vmax : 효소가 기질로 포화된 상태에서의 반응생성물 형성속도 ※ Km : 효소가 최대반응속도의 절반 속도로 작용하는데 필요한 기질의 농도 - Km (Michaelis-Menten Constant) : affinity between E and S - If Km is small → S has high affinity for E At high [S] → v=Vm (constant) Why ? → all active sites on E filled with S ∴ [S} small ([S] << Km) → → 1st order reaction. [S] large ([S] >> Km → V = Vmax → 0th order rxn. V = Vmax [S] Km

Mass Balance equations 효소반응 에 있어서; 산물생성속도, v = d[P] dt = k2[ES] ES 변화 속도, d[ES] dt = k1[E][S] – k-1[ES] – k2[ES] 효소 보존식, [E] = [E0] – [ES]

빠른 평형 가정 (rapid equilibrium approach) E + S  ES : 매우 빠르게 일어나 평형상태 도달 가정 (ES 생성속도 = ES 분해속도) E + S ES P very fast very slow 반응 초기; high [ES] and little [P]

at the steady state; the rate of ES formation = the rate of ES breakdown k1 [E][S] = k-1[ES] [ES] [E][S] = k1 k-1 = Km' [E] = [E0] – [ES] 대입 [ES] ([E0]-[ES])[S] = k1 k-1 k1 k-1 [ES] = [E0][S] - [ES][S] + [S] k1 k-1 • [ES] = [E0][S] F3.30 [ES] = [E0][S] + [S] k1 k-1 = Km' + [S]

k2[ES] k2 k2 • [E0] = Vmax 반응에 있어서; [E0][S]  v = k2[ES] = Km' + [S] d[P] dt = ? k2[ES] Km' + [S] [E0][S] k2  v = k2[ES] = V = Km' + [S] Vmax [S] k2 • [E0] = Vmax ※ 이 경우 최대 정반응 속도 Vm은 효소가 더 첨가되면 변화하지만, 기질의 첨가에 의해서는 영향을 받지 않는다.

유사정상상태 가정 (quasi-steady-state approach) proposed by Briggs & Haldane; in most systems, [S0] >> [E0] (esp. in batch systems)  d[ES] / dt  0

the rate of ES formation = the rate of ES breakdown k1[E][S] = k-1 [ES] + k2[ES] [ES] [E][S] = k1 k-1+ k2 = Km [ES] = k1 ([E][S]) k-1+ k2 [E] = [E0] – [ES] 대입 [ES] = k-1+ k2 k1 ([E0] - [ES])[S]

Vmax[S] v = Km + [S] k2 • [E0] = Vmax [ES] = k1 k-1+ k2 + [S] [E0][S] d[P] dt = ? k2[ES] v = Km + [S] Vmax[S] k2 • [E0] = Vmax