Re: 레닌저 생화학 챕터 6. 효소

[문형철]

생명체 2가지 근본 조건

첫째, 스스로 복제

둘째, 효율적이고 선택적으로 화학반응을 촉매할 수 있어야

생화학 역사의 대부분은 효소 연구에 대한 역사라고 해도 과언이 아님.

효소에 대한 5가지 원칙

1. 효소는 강력한 생물학적 촉매제

2. 효소는 매우 높은 수준의 특이성

3. 효소반응은 활성자리라고 하는 특수 주머니에서 일어남

    이 주머니는 기질, 즉 효소에 의해 작동되는 분자가 생성물로 전환되는 반응이 일어난다는 점을 제외하고

    리간드 결합자리와 유사

4. 두가지 개념이 효소의 촉매력을 설명

    첫째, 효소는 결합에너지를 사용하여 활성화 장벽을 낮춤으로써 촉매반응의 전이상태에 가장 강하게 결합

    둘째, 효소 활성자리는 화학 촉매작용의 여러 메카니즘을 동시에 촉진하기 위한 진화에 의해 조직화됨

5. 많은 효소가 조절됨

   세포에서 발생하는 모든 화학적 과정을 정교하게 제어할 수 있게 하는 다양한 조절을 받음

어떤 질병 특히 유전성 질환은

조직 중 어떤 한가지 또는 몇가지 효소가 부족하거나 완전히 결여된 결과임

대부분의 효소는 단백질

효소 촉매활성은 전적으로 자연 상태의 단백질 입체형태에 의존

보조인자 Cofactor

보조효소(coenzyme)는 특이적 작용기의 일시적인 운반체로 작용 -- 11부 대사경로에서 다룸

아포효소(아포단백질 apoenzyme, apoprotein) - 효소의 단백질 부분

아포지단백 E (apoE)는 혈장 지단백질의 조립, 처리 및 제거에 많은 기능을 하기 때문에 다른 아포지단백질 중에서도 독특합니다. 이러한 기능 중 일부는 세포 내부 또는 세포 외막과 밀접하게 연관된 apoE의 존재를 필요로 합니다. 예를 들어, 새로 형성된 초저밀도 지단백질 (VLDL)의 트리글리세리드 함량을 증가시키는 반면, 킬로미크론을 빠르게 제거하려면 세포막 프로테오글리칸과 LDL 수용체 관련 단백질(LRP)과 같은 지단백질 수용체에 결합할 준비가 된 apoE의 세포 풀이 존재해야 합니다. 간세포에 내재화된 VLDL-apoE가 리소좀 분해로부터 부분적으로 보호되고 골지 장치를 통해 재활용된다는 최근의 발견은 지단백질이 세포에 흡수될 때 apoE의 생물학적 순환이 마무리되지 않을 수 있으며, 재활용된 apoE가 지단백질 조립, 잔류물 제거 및 콜레스테롤 유출에 생리적 역할을 할 수 있다는 것을 시사합니다.

금속은 모든 생명체의 필수 요소입니다. 그중에서도 구리는 미토콘드리아 산화 인산화 및 산화 스트레스에 대한 보호 등 다양한 기능에 필요합니다. 여기서는 미토콘드리아 호흡 사슬의 말단 효소 역할을 하는 미토콘드리아 금속 효소인 시토크롬 C 산화효소(COX)에 구리가 전달되는 경로를 설명하는 데 초점을 맞추고자 합니다. COX의 촉매 코어는 미토콘드리아로 인코딩된 3개의 서브유닛으로 구성되며 3개의 구리 원자를 포함합니다. 서브유닛 2에 결합된 구리 원자 2개는 페로시토크롬 c의 전자를 주로 받아들이는 CuA 부위를 구성하고, 세 번째 구리인 CuB는 서브유닛 1의 고스핀 헴3 그룹과 연관되어 있습니다. 효모 사카로미세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae)에서 주로 수행된 최근 연구에서는 1- COX 금속화에 사용되는 구리의 공급원, 2- 각각 CuA 및 CuB 부위에 구리를 직접 전달하는 데 관여하는 단백질인 Sco1p 및 Cox11p의 역할, 3- Sco1p 및 Cox11p에 구리를 제공하는 구리 샤프론인 Cox17p의 작용 메커니즘에 대한 새로운 단서를 제공했습니다; 4- 동일한 경로의 일부일 수 있는 금속 결합을 암시하는 유사한 쌍둥이 CX9C 도메인을 가진 최소 4개의 Cox17p 동족체, Cox19p, Cox23p, Pet191p 및 Cmc1p의 존재; 5- 미토콘드리아의 막간 공간에 이황화물 중계 시스템이 존재하여 Cox17p 및 그 동족체의 CX9C 특징과 같은 보존된 시스테인 모티프를 가진 단백질의 수입을 매개합니다. 미토콘드리아 COX 조립과 구리 항상성의 맥락에서 다양한 경로를 검토하고 논의합니다.

효소는 촉매하는 반응에 따라 분류

7. translocases

6.2 효소의 작용

효소의 촉매작용이 없다면 생체내 반응은 매우 느리게 진행

이유는 대부분의 생체분자는

세포안에서 중성의 pH, 일정한 온도, 그리고 수용액이라는 조건하에서 대단히 안정하기 때문.

음식물의 소화, 신경의 신호전달, 근육수축 등에 관여하는 반응들은

촉매없이는 유용한 속도로 일어날 수 없음.

효소 촉매반응(enzyme-catalyzed reaction)의 특징은

활성자리 active site라 부르는 효소분자의 극히 한정된 부분의 영역에서 일어남.

효소의 활성자리는 진화적으로 개별요구에 맞추어진 선택적 환경을 제공하며

해당반응은 그 안에서 매우 빠르게 일어남

활성자리에 결합하여 효소의 작용을 받는 분자를

'기질 substrate'라고 부름.

화학에서 기질이라는 용어는 상황에 따라 매우 달라집니다.[1] 일반적으로 화학 반응에서 관찰되는 화학 종을 의미하거나 다른 화학 반응이나 현미경 관찰이 수행되는 표면을 의미할 수 있습니다. 전자의 의미에서는 화학 반응을 통해 생성물을 생성하기 위해 시약을 기질에 첨가합니다. 이 용어는 합성 및 유기 화학에서도 비슷한 의미로 사용되는데, 여기서 기질은 수정하려는 관심 화학 물질입니다. 생화학에서 효소 기질은 효소가 작용하는 물질입니다. 르 샤틀레의 원리를 언급할 때 기질은 농도가 변화되는 시약입니다.

활성자리 표면에는 기질과 결합하여 기질의 화학적 변환을 촉매할 수 있는 치환기를 가진

아미노산 잔기들이 배열되어 있음.

효소-기질 복합체 enzyme-substrate complex는

효소작용의 핵심

효소는 반응평형이 아닌 반응속도에 영향을 준다

반응 평형

반응 속도

모든 반응은 반응 중간체(reaction intermediate)라 불리는 일시적 화학종의 형성과 붕괴를 수반하는

몇가지 단계를 거침

진화과정을 통하여 활성화 에너지를 저하시키고

속도를 증가시키도록 발전되어 옴

반응속도와 평형은 정확한 열역학 정의를 가짐

효소의 촉매능과 특이성은 몇가지 기본원리에 의해 설명된다

효소에 의한 속도상승률

전이상태 transition stage

전이상태는 결합의 파괴와 형성, 그리고 전하의 변화와 같은 현상이 진행되어

기질과 생성물로 붕괴가 균등하게 진행될 수 있는 어떤 특정시점으로 도달한 잠깐 동안의 분자적 순간

바닥 상태와 전이 상태간의 에너지 수준차를 활성화 에너지라고 부름

반응속도는 활성화 에너지를 반영함.

즉, 활성화 에너지가 높을수록 반응은 느리게 일어나며, 활성화 에너지를 낮추면 반응속도 증가

효소와 기질 사이의 비공유 상호작용은

전이상태에서 최적이 된다

촉매반응에 필요한 에너지와 같은 결합에너지는 

효소에게 특이성을 제공

특이성이란 기질 및 이와 경쟁하는 분자를 식별할 수 있는 효소의 능력을 말함

공유 상호작용과 금속이온이 촉매작용에 기여한다

대부분 효소에서 비공유 결합에너지는 전체 촉매 작용기전에 기여하는 여러 요소들 중의 하나일 뿐

일단 기질이 효소에 결합하면,

촉매작용기가

일반적 산-염기 촉매작용 general acid-base catalysis,

공유적 촉매작용 covalent catalysis,

금속이온 촉매작용 metal ion catalysis 등

다양한 작용기전에 의하여 결합의 절단과 형성을 도움

일반적 산-염기 촉매작용

양성자가 한 분자에서 다른 분자로 전달되는 것은 생화학에서 가장 흔한 단일 반응

많은 생화학 반응들은 불안정하고 전하를 띤 중간체 형성을 통해 발생

이 중간체들은 빠르게 원래 반응물로 되돌아가려는 경향이 있어서 반응의 진행을 방해함

하전된 중간체는 양성자를 전달받음으로써 안정화되어 보다 쉽게 생성물로 분해될 수있는 종(specises)을 형성

이 양성자는 효소와 기질 또는 중간체에 전달

일반적 산-염기 촉매작용이란

물 대신 약산 또는 약염기가 관여하는 양성자 전이를 의미

일반적 산-염기 촉매작용은 물을 양성자 주개 doner나 받개 receptor로 이용할 수없는 효소의 활성자리에서 매우 중요

여러 아미노산의 곁사슬은 양성자 주개나 받개로 작용

공유적 촉매작용

공유적 촉매작용에서는 효소와 기질 사이에 일시적인 공유결합이 형성

가수분해

공유 복합체는 유리 효소를 재생하도록 항상 반응을 더 진행함

효소와 기질사이에 형성된 공유결합은 이후에 특정기능기나 보조효소에 특이적 방식으로

후에 진행될 반응을 위하여 기질을 활성화 시킴

금속이온 촉매작용

금속은 효소와 강하게 결합되어 있거나

용액에서 기질과 같이 들어옴으로써 여러가지 방법으로 촉매작용에 참여

효소에 결합되 금속과 기질간의 이온 상호작용은 기질을 반응하기 쉬운 상태로 만들거나 

하전된 전이상태를 안정화시키는 역할을 함

금속은

또한 금속이온의 산화상태를 가역적으로 변화시킴으로써 산화-환원반응을 촉매

6.3 작용기전 이해를 위한 효소반응 속도론

기질 농도는

효소 촉매반응의 속도에 영향을 준다

속도론의 매개변수들은 효소활성을 비교하는데 사용한다

대다수의 효소는 2가지 이상의 기질이 참여하는 반응을 촉매한다

효소 활성은 pH에 의해 영향을 받는다

효소는 가역적 또는 비가역적으로 억제된다

효소 억제제(enzyme inhibitor)는 촉매반응을 방해하여

효소반응을 느리게 하거나 멈추게 하는 분자물질

효소는 사실상 세포내 모든 과정을 촉매하고 있으므로 

대부분의 약물들이 효소 억제제라고 할 수 있음

아스피린 - 프로스타글란딘의 합성하는 과정의 첫단계에 작용하는 효소의 활성을 억제

가역억제

비가역 억제

가역억제 reversible inhibition

가역억제의 흔한 유형이 경쟁적인 것

경쟁 억제제는 효소의 활성자리에 대해 기질과 경쟁

억제제가 활성자리를 차지하면 기질이 배제되며

그 반대인 경우일 수도 있음.

혼합 억제제(mixed inhibitor)

비경쟁 억제

비가역 억제

비가역 억제제는 효소의 활성에 필수적인 효소의 작용기와 공유결합을 하거나 작용기를 파괴하거나

매우 안정적인 비공유적 결합체를 형성함

비가역 억제제와 효소사이에 공유결합이 형성되는 것은 효소를 억제할 수 있는 효율적인 방법

6.4 효소반응의 예

효소반응을 이해하려면

모든 기질, 보조인자, 생산물, 반응조절자 등의 규명이 필요

추가로 

효소와 결합된 반응 중간체가 생기는 시차적 순서

각각의 중간체와 전이 상태의 구조

중간체 사이의 상호전환 속도

효소와 각각의 중간체와의 구조적 관계

반응 및 상호작용하는 작용기가 중간 복합체 및 전이상태에 기여하는 에너지

여기서는

카이모트립신 chymotrypsin

육탄당인산화효소 hexokinase

엔올레이스 enolyse

카이모트립신의 반응 기전에는 세린 잔기의 아실화와 탈아실화가 관여한다

소 췌장의 카이모트립신은 펩타이드 결합의 가수분해를 촉진하는

단백질 분해효소(protease)

이 단백질 분해효소는 방향족 아미노 잔기(Trp, Phe, Try)에 인접한

펩타이드 결합에 특이적으로 작용

카이모트립신은 최소한 1억배 만큼 펩타이드 결합의 가수분해 속도를 증가시킴

이 효소는 펩타이드 결합에 물이 직접적으로 공격하는 반응을 촉매하지 않음.

대신에 일시적인 공유결합성 아실효소 중간체를 형성

따라서

이 효소반응은 독특한 2단계

아실화 단계에서는 펩타이드 결합이 파괴되고 펩타이드 카보닐 탄소와 효소 사이에 에스터결합이 형성

탈아실화 단계에서는 에스터 결합이 가수분해되어 효소가 다시 재생됨.

단백질분해효소에 대한 기전이해로 HIV 감염증을 위한 새로운 치료방법이 개발

새로운 약제는 거의 항상 효소를 억제하도록 설계

단백질분해효소에는 4가지 소부류

카이모트립신과 트립신같은 세린 단백질분해효소들과

시스테인 단백질분해효소는 공유적인 호소-기질 복합체를 특징으로 하지만,

Asp 단백질 분해효소와 금속단백질분해효소는 그렇지 않음. 

HIV 단백질 분해효소는 Asp 단백질분해효소임.

활성자리의 2개의 Asp잔기들은 절단될 펩타이드 결합에 대한 물의 직접적인 공격을 도와줌

HIV 단백질분해효소는 Phe과 Pro잔기들 사이의 펩타이드 결합을 가장 효과적으로 자름

육탄당인산화효소는 기질과 결합할 때 유도적합을 거친다

엔올레이스 반응기전에는 금속이온이 필요하다

6.5 조절효소

포도당이 다단계 반응을 통하여 젖산으로 분해되는 과정이나 아미노산이 전구체로부터 다단계 반응을 통해 합성되는 과정에서 볼수 있듯이

세포내의 대사과정에서 여러가지 효소는 어떠한 대사과정을 진행하기 위해 순차적으로 협력함

조절효소 regulatory enzyme의 촉매활성은 

특정신호에 대하여 증가되거나 감소됨

조절효소에 의하여 촉매되는 반응속도의 조정과 이로 인한 전체 대사반응의 속도조정으로 

세포는 성장과 복구에 필요한 생체 분자와 에너지 요구의 변화에 대처할 수 있음

효소조절의 다양한 방법

입체다른자리 효소(allosteric enzyme)는 작은 대사물이나 보조인자인 조절화합물과 가역적 및 비공유적 혈합을 함으로써 조절

다른 효소들은 가역적 공유변형(covalent modification)에 의하여 조절을 받음

입체다른자리효소는 조절자의 결합에 반응하여 입체형태의 변화를 일으킴

몇가지 효소는 가역적 공유변형에 의하여 조절

인산기는 단백질의 구조와 촉매활성에 영향을 준다

단백질의 특정 아미노산 잔기에 인산기를 부착하는 것은 

단백질 인산화효소 protein kinase에 의해 촉매됨.

동일한 표적 단백질의 인산기를 제거하는 것은

인산단백질 인산분해효소(phophoprotein phosphatase)

-간단히 단백질 인산분해효소 protein phosphatase에 의해 촉매됨

다중인산화는 활성을 정교하게 제어함

몇가지 효소와 단백질은 효소 전구체의 단백분해적 절단에 의하여 조절된다. 

단백분해적으로 활성화된 효소원들의 연쇄반응이 혈액응고를 일으킨다.

일부 조절효소는 여러조절기전을 사용한다.