5장 효소 작용의 기본 개념

개요 효소는 강력하고도 높은 특이성을 나타내는 촉매이다 많은 효소들은 활성을 위하여 보조인자들(cofactors)을 요구한다 자유에너지는 효소를 이해하는 데 유용한 열역학적 함수이다 효소는 전이상태의 형성을 촉진시킨다

5.1 효소는 강력하고도 높은 특이성을 나타내는 촉매이다 세포 내의 화학반응의 조건 생리적으로 유용한 형식 적절한 속도 특이성 효소(enzyme)는 100만 배 이상 반응속도를 가속시켜 유의미한 시간 내에 반응이 일어나도록 함 표 5.1

5.1 효소는 강력하고도 높은 특이성을 나타내는 촉매이다 효소의 특이성 기질(substrate)이라 불리는 반응물에 대한 선택의 특이성을 가짐 특이성은 효소와 기질의 3차원 구조에 의한 정확한 상호작용에 기인함 단백질 가수분해효소(proteolytic enzyme)의 예 그림 5.1 A) 트립신(trypsin)은 Arg 또는 Lys의 카르복실 쪽을, 트롬빈(thrombin)은 Arg와 Gly 사이의 펩티드결합을 분해

5.2 많은 효소들은 활성을 위하여 보조인자들(cofactors)을 요구한다 보조인자가 없는 효소는 결손효소(apoenzyme), 보조인자가 있는 효소는 완전효소(holoenzyme)라 부름 보조인자들은 보조효소(coenzyme)과 금속 두 종류로 나눌 수 있음 표 5.2 보조효소의 특징 비타민에서 유래한 것이 많음 한 가지 보조효소가 여러 효소의 보조인자로 작용 할 수 있음 보조효소 중 효소에 단단하게 결합하는 것은 보결 성분(협력자)단이라 부름

5.3 자유에너지는 효소를 이해하는 데 유용한 열역학적 함수이다 자유에너지(free-energy, G): 유용한 에너지의 척도가 되는 열역학적 성질이며 일을 할 수 있는 에너지 자유에너지 변화(ΔG)는 반응의 속도에 대한 것이 아니라 자발성에 대한 정보를 제공한다 1. 반응은 ΔG가 음일 경우에만 자발적(에너지의 투입 없이 일어나는 자유에너지 감소반응[exergonic])으로 일어날 수 있다 2. ΔG가 양일 경우 반응이 일어나기 위해서는 자유에너지의 투입이 필요하며 자유에너지 증가반응(endergonic)이라고 한다 3. ΔG가 0일 경우 평형에 있는 계로 반응물과 생성물의 농도의 총 변화가 없다 4. 한 반응의 ΔG는 변화의 경로(또는 분자적 기작)에 무관하며 오로지 생성물(최종 상태)의 자유에너지에서 반응물(최초 상태)의 자유에너지를 뺀 값으로 결정된다 5. ΔG는 반응 속도에 대한 정보를 주지 않는다 (반응 속도는 활성화 자유에너지(free energy of activation, ΔG‡)에 의존한다)

5.3 자유에너지는 효소를 이해하는 데 유용한 열역학적 함수이다 반응의 표준 자유에너지 변화는 평형 상수와 관련되어 있다. Pg 67 반응식, 식(1) ΔG°: 표준 자유에너지 변화 (반응물이 각각 1M, 298K일 때) (단위: kJ또는 kcal) R: 기체 상수 T: 절대온도 [A],[B],[C],[D]: 반응물들의 몰 농도 생화학 반응에서 표준 상태의 pH는 7으로 정해져 있음 pH 7에서의 표준 자유에너지 변화는 ΔG°′로 표시

5.3 자유에너지는 효소를 이해하는 데 유용한 열역학적 함수이다 ΔG°′의 결정 반응이 평형에 도달했을 때의 반응물들과 생성물들의 농도들을 측정하여 구할 수 있음; 평형에서 ΔG=0이므로 Pg 67 식(2), 식(3) 표준상태에서 평형상수 K′eq의 정의: Pg 68 식(4) 정리하면 Pg 68 식(5), 식(6), 식(7) 한 반응에 대하여 ΔG가 ΔG°′보다 훨씬 큰지, 작은지, 같은지는 반응물들과 생성물들의 농도들에 의존함 ΔG는 자발성의 척도

5.3 자유에너지는 효소를 이해하는 데 유용한 열역학적 함수이다 효소는 반응 평형이 아니라 반응 속도를 변화시킨다 그림 5.2 평형점은 같으나 효소가 존재하면 이에 더 빠르게 도달함 평형의 위치 반응물들과 생성물들의 사이의 자유에너지 차이만의 함수 효소는 평형의 도달을 가속시키지만, 평형의 위치를 이동시키지는 않음

5.4 효소는 전이상태의 형성을 촉진시킨다 전이상태(transition state) X‡ Pg 69 반응식 생성물 P를 생성하기 위한 기질 S의 화학반응이 경유하는 S나 P가 갖는 자유에너지보다 훨씬 높은 자유에너지를 갖는 상태 Pg 69 반응식 활성화 자유에너지 또는 활성화에너지(ΔG‡): 기질과 전이상태의 자유에너지의 차이 Pg 69 식과 그림 5.3 효소는 ΔG‡를 낮추어 전이상태의 형성을 촉진시킴 기질과 효소의 결합은 전이상태를 안정화시킴

5.4 효소는 전이상태의 형성을 촉진시킨다 효소-기질 복합체의 형성은 효소 촉매작용의 첫 번째 단계이다 기질은 활성자리(active site)라고 불리는 효소의 특정한 부위에 선택적으로 결합되어 효소-기질(ES) 복합체(enzyme-substrate complex)를 형성함 활성자리에서 효소와 기질의 상호작용은 전이상태의 생성을 촉진함

5.4 효소는 전이상태의 형성을 촉진시킨다 효소들의 활성자리들은 몇 가지 공통적인 특징들을 갖는다 1. 삼차원적 갈라진 틈 그림5.4 – 1차 구조에서 멀리 떨어진 아미노산들로 형성될 수 있음 2. 한 효소의 총 부피 중에서 한 작은 부분을 차지 활성자리를 구성하지 않는 아미노산들은 효소의 뼈대나, 조절자리나, 다른 단백질과 상호작용 자리나, 기질을 가져오는 통로를 구성 3. 독특한 미시환경 조성 물이 제외된 비극성 환경은 촉매작용을 향상시킴 4. 기질은 다수의 약한 힘들에 의하여 결합됨 소수성 효과에 의한 정전기적 상호작용, 수소결합, 반데르발스 힘과 같은 비공유적 상호작용의 힘으로 결합 5. 결합의 특이성은 한 활성자리에서 원자들의 정확하게 정해진 배열에 의존 그림 5.5, 그림 5.6 - 효소와 기질의 결합은 자물쇠와 열쇠 유추로 설명했었으나 지금은 활성자리가 기질이 결합된 후에만 기질의 모양에 상보적인 형태를 취한다는 유도된 적합(induced fit)으로 설명함

5.4 효소는 전이상태의 형성을 촉진시킨다 효소와 기질 사이의 결합에너지는 촉매작용에 중요하다 결합에너지(binding energy) 효소와 기질이 결합할 때 약한 상호작용들이 형성되며 방출된 자유에너지 효소가 특이적인 기질의 전이상태와 결합하였을 때 최대가 됨 반응의 활성화에너지를 낮춤 전이-상태 유사체들은 강력한 효소들의 억제제들이다 전이-상태 유사체: 반응의 전이상태를 닮았으나 효소에 의해서 작용될 수 없는 화합물 예. 그림 5.7 (A) 프롤린 라세미화 효소에 의한 L-프롤린의 D-프롤린으로의 이성질화는 α-탄소가 삼각형 평면상에 놓인 전이상태를 거침 (B) 전이상태 유사체인 피롤 2-카르복실산(pyrrole 2-carboxylate)은 프롤린 라세미화 효소의 강력한 억제제로 작용 전이상태를 인식하는 촉매적 항체(catalytic antibodies) 또는 압자임(abzyme) 또한 효소 기능을 가짐