보조 인자(cofactor), 보조 효소(coenzyme), 보결기(prosthetic group)

[양서화]

효소, 심층 이해하기

보조 인자(cofactor), 보조 효소(coenzyme), 보결기(prosthetic group)

활성화되기 위해서 다른 비단백질 분자를 요구하는 효소가 있고 다른 추가 성분을 일체 요구하지 않는 효소가 있다. 이 추가 성분 분자 물질이 보조 인자 및 보조 효소다.

보조 인자(Cofactors)가 일반적인 용어로 사용된다.

유기물 분자나 무기물 원자(아연, 철, 구리 등 금속 이온) 즉 비 단백질 물질이 보조 인자가 되며 이들 물질은 효소와 느슨하게 또는 타이트하게 결합한다.

이 가운데 특히 유기물 분자의 보조인자를 보조 효소(Coenzymes)라고 한다. NADH는 효소와 느슨하게 결합하고 헴(heme)은 효소와 타이트한 공유 결합 형태를 취한다. 이들 보조 인자는 화학 반응 똘안 활성 부위에서 방출되지 않는다. 주로 비타민 유도체가 보조 효소가 된다.

보결기(Prosthetic Group)는 타이트한 공유 결합 형태를 취하는 보조 인자 또는 보조 효소(조효소)를 지칭한다. 그 예가 헴이다. 헴은 공유 결합에 의해 효소와 타이트하게 결합한다.

보조 효소 및 보결기는 무기물 부위도 함유할 수 있다. 따라서 실제로는 보조 효소와 보조 인자를 엄격하게 구분하여 사용하지 않는다.

보결기는 효소와 매우 강력하게 결합하기 때문에 보결기를 아포 효소와 분리시키기 위해서는 강산이 필요하다. 수용성 비타민 종류가 다수의 보결기와 보조효소를 이룬다. 따라서 비타민 결핍 증상은 해당 효소 기능 저하 증상이다.

carbonic anhydrase II의 활성 부위

핑크색깔로 표시된 3개의 히스티딘 잔기, 적색과 백색으로 표시된 한 개의 수산기가 아연 이온(자주색)과 조화를 이루고 있다.

보조인자(cofactors)

Carbonic anhydrase의 Ribbon diagram

활성 부위에 아연 보조 인자가 보인다.

무기물 보조 인자(금속 이온) : Zn2+, Cu2+, Mn2+, K+, & Na+

유기물 보조 인자(보조 효소): 비타민 B 군

- Thiamine (B1)

- Riboflavin (B2)

- Nicotinamide (B3)

보결기(prosthetic group): 아포 효소에 공유 결합한 보조인자

대부분의 보조 인자는 효소와 느슨한 결합 형태를 취한다.

보조 효소(coenzyme)

한 종류의 효소에서 다른 효소로 화학기를 운반하는 작은 유기물 분자이다. 비타민과 뉴클리오타이드가 흔히 보조 효소가 된다.

      -  B1->Thiamine Pyrophosphate – 탈 카복실화

      -  B2->Flavin mononucleotide (FMN), FAD – 수소를 운반한다

      -  B3 ->NAD, NADP

      -  엽산 – THF acid – 아미노산 대사

      -  B5 – Coenzyme A 성분으로 아실기를 운반한다

Coenzyme Q는 비타민과 무관하며 효소간 전자를 이동시킨다.

보조 효소 NADH의 3 차원 모델

효소의 구조

- 단백질로 된 3차원 구조이며 접혀있고 62 ~ 2,500개의 아미노산 사슬이다.

효소 활성은 이와 같은 3 차원 구조에 의해 결정된다. 효소를 가열하면 3차원 구조가 파괴되어 효소가 변성된다. 효소의 분자량은 12,000 ~ 수백만 정도이며 대부분의 효소 크기는 기질보다 훨씬 크다.  

활성 부위: 기질이 결합하는 부위이며 하나 이상의 폴리펩타이드 사슬이 꼬여 접혀있다. 대개 3~4 아미노산으로 구성된다. Allosteric site는 효소 활성을 조절한다.

주요 효소 3 종류

(1) 식품(식이) 효소

가공하지 않은 자연 식품에 존재한다. 음식물을 선 소화시켜 소화 효소 부담을 덜어준다

(2) 소화 효소

췌장에서 생성되어 위장과 소장으로 분비된다. 식품 효소와 함께 음식을 소화시킨다. 선 소화 식품을 완전히 소화시킨다.

(3) 대사 효소

간에서 제조한다. 세포 내 거의 모든 화학 반응(세포 호흡, 해독, 에너지 생산, 건강한 조직의 산도 균형)을 조절한다.

전신 효소(systemic enzyme)

신체의 사역마(使役馬)다. 면역 반응, 소화, 호르몬 균형을 개시 또는 정지시킨다. 소화효소와 달리 위장을 통과하여 혈액으로 진입한다.

효소의 명명 법

기질의 이름 또는 효소 활성을 나타내는 용어에 접미어 “-ase” 첨가한다

Urease는 요소 가수 분해를 촉진시키고 maltae는 말토즈(맥아당)에 작용하며 DNA polymerase는 DNA 합성을 촉매한다. 그러나 pepsin, trypsin은 예외다.

효소가 활성화 에너지(에너지 언덕)를 낮추는 방법

기질(효소와 반응하는 물질)이 효소의 활성 부위에 결합하면 활성화 에너지가 낮아지며 효소-기질 복합체를 생성한다. 기질이 화학적으로 다른 신생물질로 변화한다.

효소는 이와 같은 반응으로 변화하지 않는다. 효소는 다시 다른 기질과 결합을 준비한다.

효소 작용

1)Lock & Key

설

효소는 기질 특이성(Substrate Specificity)이 있다. 효소와 기질 형태가 완벽하게 맞지 않으면 효소와 기질이 결합할 수 없다. 한 종류의 효소는 한 종류의 기질 이외에는 결합하지 않는다. 이것이 열쇠와 자물쇠 가설(lock & key theory; Michaelis & Mentun)이다.

2) Induced-fit 설

비활성 형태의 효소 분자가 활성화되기 위해서는 기질과 더 특이적 조정을 위해서 약간의 구조 변화가 선행되어야 한다는 설이다.

INDUCED FIT

효소, 기질 간 정밀한 맞춤을 위해 효소 및 기질의 형태가 약간 변화되어야 한다. 2 종류의 Original molecule 간의 정밀한 Fit를 이루면 기질을 분해하여 새로운 물질을 생성하여 효소에서 신생 물질을 방출시킨다. 효소는 다시 다른 기질과 결합할 수 있다.

효소 반응 속도에 영향을 미치는 인자

1) pH

2)온도

3)기질 농도(효소 포화도)

4)단백질 변성(보조 인자, 보조 효소, 보결기)

5)효소 억제

가) pH

- 대부분의 효소는 pH에 매우 민감하여 특유의 활성 pH 영역을 가진다. 효소는 모두 나름대로 최적 pH가 있다는 말이다.

- pH 변화는 수소 결합 및 이온 결합 등 약하게 결합된 부위를 파괴시켜 효소의 3 차원 구조를 변화시킴으로써 효소 활성을 정지시킨다.

- 대부분의 효소는 pH 6 ~ 8에서 기능한다. 그러나 위장의 펩신은 pH 2에서 트립신은pH 8에서 최상의 기능을 발휘한다.

- 소화관은 부위에 따라 산도에 차이가 있다. 따라서 산도에 따라 효소 기능을 촉진시키거나 억제한다. 산성, 알칼리성, 중성 효소가 존재하기 때문이다.

주요 효소 최적 pH 영역:

Pepsin(1.5) Sucrase(6.2) Catalase(7.3) Trypsin(8.0)Arginase(9.0) Alk.Phosphatase(9.2)

나)온도

모든 효소는 최적 온도 범위(35~40도)에서 기능한다(EMPERATURE

한계 온도를 초과하면 효소 단백질이 변성되어 3 차원 구조의 변화를 초래, 급격하게 반응속도가 저하된다.  40 C가 넘어가면 효소의 급속 변성에 의해 세포사(細胞死)를 야기한다.

다) 기질 농도

효소 반응에 대한 포화 커브: 기질 농도(S)와 반응 속도(v)의 상관 관계

기질 농도가 증가하면 기질-효소 결합이 증가하여 반응 속도가 증가된다. 그러나 기질- 효소간 포화 (효소 포화 = 모든 활성 부위가 기질로 채워진 상태) 상태가 되면 더 이상 반응속도가 증가되지 않는다. 이때 효소를 추가하면 반응 속도는 더욱 증가한다.

라) 조절 효소(regulation enzyme)
마) 되먹임 억제(feedback inhibition)

일련의 화학 반응(대사 경로)

한 종류의 반응으로 생성된 산물이 다음 반응의 기질로 작용한다. 이때 서로 다른 효소가 각 단계를 촉매한다.

되먹임 억제(Feedback inhibition)는 최종 산물이 최초 반응을 매개하는 효소를 억제하여 세포 자원 낭비를 억제하기 위한 기전이다.

조절 효소(Regulating enzymes)

1) 알로스테릭 효소(allosteric enzymes)

효소 기능 억제 화학 물질(Regulating molecule) 작용 기전(2)

   1) Allosteric site에 결합

   2) 경쟁적 억제(Competitive inhibition)

Allosteric Site는 조절 분자 물질(Regulating molecule)이 부착하는 효소 부위이다. 조절 분자 물질은 대사과정의 최종 산물이기도 하며 (allosteric regulator) 효소의 활성 부위를 직접 차단하지 않는다. 이를 비경쟁적 억제(Noncompetitive inhibition)라고 한다.

Allosteric regulators는 효소 종류에 특이성이 있다. Allosteric regulator가 효소에 부착하면 효소의 활성 부위 형태가 변화하여 활성 부위에 기질 결합이 불가능 해진다.

2) 경쟁적 억제(competitive inhibition)

기질은 아니지만 효소의 활성 부위와 결합할 수 있는 비기질 분자가 미리 붙어 진짜 기질이 결합할 수 있는 공간이 없다.

효소 보충제

효소 보충제는 건강을 지키는 첫 번 째 단계이다.

식품(식물) 효소와 췌장(동물) 효소를 복용하면 소화 및 흡수 능력이 개선된다.

효소 보충제 + 프로 바이오틱 + whole food에 의한 건강식을 병행하는 것이 최상 조합이다.

1920년대 효소 학의 대가 Edward Howel은 대량의 식물 효소를 섭취하면 신체 고유 효소 낭비를 방지하고 효율적인 대사 활동을 촉진한다는 연구 결과를 발표했다.