레닌저 생화학 6. Enzyme 효소

[문형철]

6. 효소 Enzyme

생명에는 2가지 근본 조건

첫째, 생명체는 스스로 복제할 수 있어야

둘째, 효율적이고 선택적으로 화학반응을 촉매할 수 있어야

catalysis 촉매의 중요성

예를들어

설탕(sucrose)생명체에 의해 흡수되면 수초 이내에 화학에너지 방출 <-- 촉매 때문

촉매작용이 없으면 설탕의 산화작용과 같은 화학반응이 필요한 시간대에서 일어날 수 없고, 생명도 유지할 수없음.

세포내에서 일어나는 모든 반응은 

단백질(고도로 특화된 효소)에 의해 촉매되며, 촉매되어야만 함.

https://www.youtube.com/watch?v=T8XYFsDu6i4&list=LL&index=1&t=18s

효소 5원칙

1. 효소는 강력한 생물학적 촉매

Enzymes are powerful biological catalysts.

모든 촉매와 마찬가지로, 효소는 반응속도를 증가시켜 반응 활성화 장벽을 낮춤.

2. 효소는 매우 높은 수준의 특이성(high degree of specifity)을 나타냄.

3. 효소 반응은 활성자리(active site)라고 하는 특수 주머니(pocket)에서 일어남

4. 두가지 개념이 효소의 촉매력을 설명

1) 효소는 결합 에너지를 사용하여 활성화 장벽을 낮춤으로써 촉매반응의 전이상태에서 가장 강하게 결합

2) 효소 활성자리는 화학 촉매작용의 여러 메커니즘을 동시에 촉진하기 위한 진화에 의해 조직화 됨

5. 많은 효소가 조절됨 .

조절 메커니즘에는

가역적 공유결합,

입체 다른자리 조절자(allosteric modulators)의 결합,

단백질 분해 활성화,

조절단백질에 대한 비공유 결합 및

정교한 조절 연쇄반응(cascade)이 포함됨. 

reversible covalent modification,

binding of allosteric modulators,

proteolytic activation,

noncovalent binding to regulatory proteins, and

elaborate regulatory cascades

효소의 연구

어떤 질병, 특히 유전성 유전질환은

조직 중의 어떤 한가지 또는 몇가지 효소가 부족하거나 또는 완전히 결여된 결과임. 

특정 효소의 활성이 필요이상으로 과활성화 된 것이 원인이 될 수도 있음.

생화학의 역사는 효소 연구에 대한 역사

효소 촉매의 힘

피리미딘 뉴클레오타이드의 생합성에 관여하는 효소인

오로티딘 인산 탈카르복실화효소(orotidine phosphate decarboxylase)는 

10에 17승의 속도를 향상시킴

대부분의 효소는

단백질

보조인자(cofactor)라고 부르는 화학성분

사이토크롬 옥시다제가 전자를 받아서 산소를 물로 바꾸려면, 

Cu2+가 필수 보조인자.

철도 같이 쓰이는데, 구리가 전자 저장고처럼 기능하면서 전체 반응 순서를 맞춰줌.

보조효소(sub-enzyme)라는 복잡한 유기화합물

비오시틴, 비오틴, 그리고 이산화탄소(CO2)는 서로 밀접하게 연결되어 있음.

비오틴(비타민 B 7)은 그 자체로 중요한 보조 효소,

특히 이산화탄소를 다른 화합물에 붙여주는 카르복실화 반응에 참여.

비오시틴은

비오틴이 라이신이라는 아미노산에 결합한 형태인데,

이 또한 카르복실화 반응에서 중요한 역할.

즉,

비오틴이나 비오시틴

이산화탄소를 운반하여 체내 다양한 대사 과정이 잘 일어나도록 돕는다

효소는 촉매하는 반응에 따라 분류

효소는 촉매하는 화학 반응의 종류에 따라 여섯 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있어요. 

1. 산화환원효소(Oxidoreductases): 전자 전달을 촉매하여 산화 환원 반응을 일으키는 효소.

2. 전이효소(Transferases): 한 분자의 작용기를 다른 분자로 옮기는 효소.

3. 가수분해효소(Hydrolases): 물을 사용하여 큰 분자를 더 작은 분자로 나누는 효소.

4. 분해효소(Lyases): 가수분해나 산화 이외의 방법으로 화학 결합을 끊거나 새로운 결합을 만드는 효소.

5. 이성질화효소(Isomerases): 단일 분자 내에서 원자 배열을 바꾸어 이성질체를 형성.

6. 연결효소(Ligases): 에너지를 사용하여 두 분자를 연결하여 새로운 결합

산화환원효소(Oxidoreductases): 대표적인 효소로 Lactate dehydrogenase (LDH)를 들 수 있습니다. 이 효소는 젖산(lactate)을 피루브산(pyruvate)으로 산화시키거나 그 반대의 환원 반응을 촉매하며, 세포 내 에너지 생산 과정(해당 과정)에서 중요한 역할을 합니다. 근육이나 간에서 주로 작용하며, 조직 손상 시 혈중 수치가 상승합니다.

전이효소(Transferases): 대표적인 효소로 Hexokinase를 들 수 있습니다. 이 효소는 포도당(glucose)에 인산기(phosphate group)를 ATP로부터 전이시켜 glucose-6-phosphate를 생성하며, 세포 내 당 대사의 첫 단계(해당 과정)를 시작합니다. 이는 에너지 생산과 당 저장에 필수적입니다.

가수분해효소(Hydrolases): 대표적인 효소로 Amylase를 들 수 있습니다. 이 효소는 물을 이용해 전분(starch) 같은 큰 다당류를 maltose나 glucose 같은 작은 당으로 가수분해합니다. 타액이나 췌장에서 분비되어 소화 과정에서 탄수화물을 분해합니다.

분해효소(Lyases): 대표적인 효소로 Aldolase를 들 수 있습니다. 이 효소는 fructose-1,6-bisphosphate를 dihydroxyacetone phosphate (DHAP)와 glyceraldehyde-3-phosphate (G3P)로 분해하며, 가수분해나 산화 없이 C-C 결합을 끊습니다. 해당 과정에서 중요한 역할을 합니다.

이성질화효소(Isomerases): 대표적인 효소로 Triose phosphate isomerase (TPI)를 들 수 있습니다. 이 효소는 dihydroxyacetone phosphate (DHAP)를 glyceraldehyde-3-phosphate (G3P)로 이성화하여, 해당 과정에서 두 분자의 G3P를 생성할 수 있게 합니다. 이는 에너지 대사의 균형을 유지합니다.

연결효소(Ligases): 대표적인 효소로 DNA ligase를 들 수 있습니다. 이 효소는 ATP 에너지를 사용하여 DNA 가닥의 인산기와 하이드록실기를 연결해 새로운 인산디에스터 결합을 형성합니다. DNA 복제나 수복 과정에서 필수적입니다

요약

1. 생명은 효소라는 강력하고 특이성이 있는 촉매에 의존. 대부분의 생화학 반응은 효소에 의해 촉매됨

2. 촉매 활성을 가지는 몇몇 RNA 분자를 제외한 모든 효소는 단백질. 

    많은 효소들은 반응을 촉매하기 위하여 단백질이 아닌 보조효소, 보조인자를 필요로 함.

3. 효소는 그들이 촉매하는 반응 형태에 따라 분류. 

6.2 효소의 작용

효소에 의한 촉매반응은 생명체에 절대적으로 필요

촉매가 없다면 생테 내 반응은 매우 느리게 나타남. 

효소는 특정 반응이 에너지 측면에서 쉽게 일어나도록 특별한 환경을 만들어 줌으로써 

이와같은 문제를 해결하고 있음.

효소 촉매반응의 특징은

활성화자리(active site)라고 부르는 효소 분자의 극히 한정된 부분의 영역에서 일어남.

효소 활성화자리는 진화적으로 개별적 요구에 맞추어진 선택적 환경을 제공하며

해당 반응은 그 안에서 매우 빠르게 일어남.

활성화 자리 표면에는

기질과 결합하여 기질의 화학적 변환을 촉매할 수 있는 치환기를 가진

아미노산 잔기들이 배열되어 있음. 

종종 활성화 자리는 기질을 에워싸서 수용액으로부터 완전하게 격리시킴.

효소-기질 복합체는 효소작용의 핵심

효소는 반응 평형(equibiliria)이 아닌

반응속도에 영향을 줌

촉매의 작용은 반응 속도를 증가시킬 뿐

반응의 평형에 영향을 주지 않음. 

반응 속도와 평형은 정확한 열역학적 정의를 가짐.

효소는 이 언덕을 낮춰주거나 터널을 만들어 쉽게 넘게 해요.

그래서 반응 속도가 빨라지지만, 효소 자체가 에너지를 바꾸진 않아요. 그냥 도와주는 역할

효소의 촉매능과 특이성은 몇가지 기본 원리에 의해 설명

효소들에 의한 반응 속도증대는

10에 5승에서 17승 범위(10만배~10경배)

효소는

이온결합, 수소결합, 그 외 다른 상호작용 등을 위한 작용기를 가지고 있어야 함.

또한 결합에너지가 전이상태에서 최적화되도록 이것들을 아주 정확한 위치에 자리잡게 하여야 함.

엔트로피의 감소

기질이 효소에 결합하면

적절한 위치에 배치된 촉매 작용기가 

일반적 산-염기 촉매작용(general acid-base catalysis)

공유적 촉매작용(covalent catalysis)

금속이온 촉매작용(metal ion catalysis) 등 다양한 작용기전에 의해 결합의 절단과 형성을 도움

일반적 산-염기 촉매작용(general acid-base catalysis)

양성자가 한 분자에서 다른 분자로 전달되는 것은 생화학에서 가장 흔한 단일반응

물 속에 존재하는 H+ 또는 OH- 이온만을 사용하는 촉매형태를 특이적 산-염기 촉매작용이라고 함.

일반적 산-염기 촉매작용이란 물 대신 약산 또는 약염기가 관여하는 양성자 전이를 의미함

일반적 산-염기 촉매작용은 물을 양성자 주개나 받개로 이용할 수 없는 효소의 활성화 자리에서 매우 중요

공유적 촉매작용(covalent catalysis)

효소와 기질 사이에 일시적 공유결합 형성

효소와 기질 상에 형성된 공유결합은 이후에 특정기능이나 보조효소에 특이인 방식으로 후에 진행될 반응을 위하여 기질을 활성화

금속이온 촉매작용(metal ion catalysis)

금속은 효소와 강하게 결합되어 촉매작용에 참여

6.3  작용기전 이해를 위한 효소 반응속도론

기질농도는

효소 촉매반응의 속도에 영향을 준다

효소는

생물체 안에서 화학 반응을 빠르게 도와주는 단백질.

효소 반응 속도는

반응이 얼마나 빨리 일어나는지를 말하는데, 여러 요인이 영향을 줘요.

제공된 표(테이블 6-6)는 일부 효소와 기질에 대한 Km 값(미카엘리스 상수)을 보여주는데,

이는 기질 농도가 반응 속도에 미치는 영향을 이해하는 데 도움이 돼요.

Km이 작을수록 효소가 기질과 잘 결합해 반응이 빨리 일어나요.

1. 기질 농도 (Substrate Concentration)

• 기질은 효소가 작용하는 물질이에요. 기질이 적으면 반응 속도가 느리고, 많아지면 속도가 빨라져요. 하지만 어느 정도 이상 되면 속도가 포화(최대)돼서 더 빨라지지 않아요.
• 표에서 보듯, Hexokinase 효소의 ATP 기질 Km은 0.4 mM로 작아서 낮은 농도에서도 잘 작용하지만, Chymotrypsin의 Glycyltyrosinylglycine은 108 mM로 커서 높은 농도가 필요해요.
• Michaelis-Menten 식으로 설명하면, 속도(V) = Vmax * [S] / (Km + [S])예요. 여기서 [S]가 기질 농도고, Km은 반응 속도가 Vmax의 절반이 될 때의 농도예요.
• 대다수의 효소는 2가지 이상의 기질이 참여하는 반응을 촉매

2. 효소 농도 (Enzyme Concentration)

• 효소가 많을수록 반응 속도가 빨라져요. 효소 하나가 여러 기질을 처리할 수 있지만, 효소 수가 적으면 병목 현상이 생겨요.
• 하지만 기질이 부족하면 효소 농도를 늘려도 속도가 한계에 도달해요.

3. 온도 (Temperature)

• 온도가 적당히 높아지면 (보통 37°C 정도, 사람 몸 온도) 분자들이 더 활발히 움직여 반응 속도가 빨라져요. 하지만 너무 높으면 (예: 50°C 이상) 효소가 변성(모양이 망가짐)돼 속도가 떨어져요.
• 예를 들어, 사람 효소는 37°C에서 최적이에요.

4. pH (산성/알칼리성)

• 효소는 특정 pH에서 가장 잘 작용해요. 예를 들어, 위 효소(펩신)는 산성(pH 2)에서, 장 효소는 중성(pH 7)에서 좋아해요.
• pH가 맞지 않으면 효소의 활성 부위가 변해서 반응이 느려져요.
• 효소는 활성이 최고치에 이르는 최적의 pH 범위를 갖음.

5. 억제제와 활성화제 (Inhibitors and Activators)

• 억제제: 반응을 방해하는 물질로, 경쟁적(기질과 경쟁)이나 비경쟁적(다른 곳 결합)으로 속도를 줄여요.
• 활성화제나 코팩터(예: 금속 이온): 반응을 돕는 물질로 속도를 높여요.
• 효소는 가역적 또는 비가역적으로 억제됨

이 요인들은 효소가 최적 조건에서 일하도록 돕지만, 실제 생물체에서는 서로 상호작용해요.

6.4 효소 반응의 예

단백질 분해효소 카이모트립신의 반응기전

세린잔기의 아실화와 탈아실화가 관여

1) 카이모트립신은 작용기전이 잘 알려진 세린 단백질분해 효소이며, 일반적 산-염기 촉매작용, 공유적 촉매작용, 전이상태의 안정화 등의 특징을 보임

2) 육탄당 인산화효소는 기질에 결합에너지를 사용하는 유도적합의 좋은 예

3) 엔올레이스 반응은 금속이온 촉매에 의해 진행

4) 효소작용 기전을 이해하면, 효소작용을 억제하는 약물 개발이 가능

6.5. 조절 효소

조절효소 regulatory enzyme

조절효소에 의해 촉매되는 반응 속도의 조정과 이로 인한 전체 대사반응의 속조조정으로

세포는 성장과 복구에 필요한 생체분자와 에너지 요구의 변화에 대처

조절효소의 활성 조절

allosteric enzyme 입체다른자리 효소, 입체 다른자리 조절자(allosteric modulator)

세포의 성장과 생존은 자원을 효율적으로 이용할 수 있느냐에 좌우되며, 

이 효율성은 조절효소에 의해 가능

입체다른자리 효소는 조절자의 결합에 반응하여 입체형태의 변화를 일으킴

몇가지 효소는 가역적 공유변형에 의하여 조절

조절효소 중 또 다른 중요한 종류에서는 효소분자의 하나 또는 

그 이상의 아미노산 잔기에 수식에 의하여 활성이 조절됨.

단백질에서 총 500종류 이상의 공유변형이 발견됨. 

인산, 아세틸, ..메틸, 아마이드, 카르복실, ..히드록실 등

인산기는

단백질의 구조와 촉매활성에 영향을 줌

단백질의 특정 아미노산 잔기에 인산기를 부착하는 것은

단백질 인산화효소(protein kinase)에 의해 촉매됨. 

https://m.blog.naver.com/applepop/222208589473

NAD와 NADP의 차이

NAD 구조

다중 인산화는 활성을 정교하게 제어

몇가지 효소와 단백질은 효소 전구체의 단백분해적 절단에 의해 조절

단백분해적으로 활성화된 효소원들의 연쇄반응이 혈액응고를 일으킴

일부 조절효소는 여러 조절기전을 사용